SUPERVISOR
Ahmad Shirani bidabadi,Mohammad-Hassan Alamatsaz
احمد شیرانی بیدابادی (استاد راهنما) محمدحسن علامتساز (استاد مشاور)
STUDENT
Zahra Izadi
زهرا ایزدی
FACULTY - DEPARTMENT
دانشکده فیزیک
DEGREE
Master of Science (MSc)
YEAR
1388
TITLE
Computer simulation of interaction of protons with energies ranging from 60 to 500MeV with human body and determination of the produced isotopes with MCNPX code
Proton therapy is one of the efficient methods in both control and treatment of patients with cancerous tumors. Protons, like other heavy charged particles, lose almost all their energy near the end of their range. Therefore it is possible to cover tumor?s volume with high radiation dose without any side effects in healthy surrounded tissues. In proton therapy calculations, it is important to investigate nuclear interactions by proton beams with the atomic nuclei of the stopping materials specially human body. In this project, using MCNPX 2.6.0 code, we have investigated nuclear interactions of proton beams of energies of 250, 300 and 500 MeV with using f8 tally and adding ft8 res special treatment tally in human body and have determinated both type and amount of many various isotops which are produced as a result of nuclear interactions of protons with elemental components of soft and hard tissues. Our results are compared with previous works in which semiemprical cross sections for nuclear interactions of protons have been used. In addition, it has been found that about 20% of the incident protons in these energy ranges are absorbed by the human body (via non-elastic nuclear interactions) and the rest of protons pass through the body while losing a fraction of their energy via ionization and excitation the atomic target nuclei. In this work we report results of computer simulation and calculation of nuclear interactions by protons. In MCNPX 2.6.0 code, library files of proton interaction (LA150H and ENDF70 prot) include nuclear cross section data in low energies.Also tumors are treated with protons in 60-250MeV energy ranges. So proton nuclear interactions with 60-200MeV energy with elemental components of soft and hard tissues are investigated for beams wich compeletely stop through human body. and both type and amount of many various produced isotops have been determinate. One important feature of proton therapy is that it produces a small amount of positron-emitting radioisotopes along the beam path through the non-elastic nuclear interaction of protons with target nuclei such as 12 C, 14 N and 16 O present in body tissues. These radioisotopes, mainly 11 C, 13 N and 15 O, allow imaging the therapy dose distribution using positron emission tomography (PET) technique. In this project we use MCNPX 2.6.0 simulations to predict the yield of positron emitters produced by a 250 MeV proton beam in soft tissue and our results in comparision with some previous works with different cross section data resources show fairly good agreement. Proton beams with different energies have different sharp narrow bragg peak and ranges. On the other hand, tumor treatment needs a spread out bragg peak (SOBP) to cover tumor volume completely. So it is possible to creat a flat wide bragg peak in result of using a native narrow bragg curve and adding some weighted other ones. In this project we produce a spread out bragg peak in 4 cm width using 250 MeV proton beam bragg curve and adding eight weighted other bragg curves in different energy and ranges with MCNPX code. Key words : Proton therapy, nuclear interactions, positron emitters, MCNPX, bragg curve .
پروتون درمانی یکی از روش های مؤثر در کنترل و درمان تومورهای سرطانی می باشد. پروتون ها ذرات باردار سنگین هستند که در انتهای مسیر خود قسمت عمده انرژیشان را از دست می دهند. بنابراین دز اعمال شده به محیط در فاصله چند میلی متر قبل از انتهای برد این ذرات بیشینه می باشد و به همین دلیل می توان با استفاده از باریکه های پروتونی حجم تومورها را با دز بالا و تقریباً یکنواخت پوشش داد در حالی که بافت سالم در مجاورت تومور ایمن می ماند و اثرات جانبی درمان به حد اقل می رسد. در این پایان نامه با استفاده از کد محاسباتی MCNPX 2.6.0 برهم کنش های باریکه های پروتونی با انرژی های 250، 300 و MeV500 با بدن انسان مورد بررسی قرار گرفته و به کمک تالی f8 و اضافه کردن تالی رفتار ویژه ft8 res در محدوده مدل های فیزیکی نوع و مقدار ایزوتوپ هایی که در اثر برهم کنش های هسته ای پروتون ها با عناصر تشکیل دهنده بافت های نرم و سخت بدن ایجاد می شوند تعیین شده اند. نتایج به دست آمده در این کار با نتایج کارهای قبلی که با به کار گیری سطح مقطع های نیمه تجربی حاصل شده اند نیز مقایسه شده اند. در این بررسی ها مشخص شده حدود 20 درصد از پروتون های فرودی از طریق برهم کنش های غیر کشسان هسته ای جذب بدن شده و بقیه آنها با از دست دادن کسری از انرژی خود (از طریق یونش و برانگیزش) از بدن عبور می کنند. علاوه بر آن به دلیل اینکه فایل های کتابخانه برهم کنش پروتون ها (LA150H و ENDF70 prot) داده های سطح مقطع برهم کنش پروتون ها را در انرژی های زیر MeV200 در بر دارد و نیز درمان تومورها با باریکه های پروتونی معمولاً در محدوده 60 تا MeV250 انجام می شود، برهم کنش پروتون ها با انرژی 60 تا MeV200 با بافت های نرم و سخت بدن انسان ارزیابی شده و نوع و مقدار ایزوتوپ های تولید شده حاصل از باریکه هایی که کاملاً در بدن انسان متوقف می شوند، تعیین شده اند. یکی از ویژگی های مهم پروتون درمانی این است که مقادیر کوچکی از رادیوایزوتوپ های گسیلنده پوزیترون در طول مسیر باریکه در اثر برهم کنش های غیر کشسان هسته ای پروتون ها با هسته های 16 O ، 14 N و 12 C که در بافت های بدن موجود می باشند، تولید می شوند. این رادیوایزوتوپ ها (عموماً 15 O ، 13 N و 11 C) تصویرسازی از توزیع دز درمان را با استفاده از تکنیک تصویر برداری پوزیترونی (PET) ممکن می سازند. در این پایان نامه با استفاده از شبیه سازی های این کد رادیوایزوتوپ های گسیلنده پوزیترون حاصل از برهم کنش باریکه پروتونی با انرژی MeV250 در بافت نرم محاسبه شده اند و نتایج به دست آمده با نتایج کارهای قبلی سازگاری خوبی را نشان می دهد. باریکه های پروتونی با انرژی های مختلف دارای قله های تیز منحنی براگ با بردهای متفاوتی می باشند. از طرفی در درمان سرطان دز تابش مورد نظر باید یک بیشینه پهن و صاف (SOBP) داشته باشد تا تومور را کاملاً پوشش دهد. بنابراین می توان با استفاده از تنها یک باریکه پروتونی در یک جهت که انرژی آن قابل تغییر باشد، یک قله صاف از منحنی براگ تولید کرده و در ناحیه هدف یک دز یکنواخت را اعمال کرد به طوری که بافت فراتر از حجم تومور مورد تابش قرار نگیرد.در این پایان نامه با استفاده از این کد، از یک منحنی اتلاف انرژی پروتون ها با انرژی MeV250 در بافت نرم و نیز با اضافه کردن هشت منحنی اتلاف انرژی دیگر با وزن ها و بردهای متفاوت، یک منحنی اتلاف انرژی با قله صاف به پهنای حدود 4 سانتی متر تولید شده است. واژگان کلیدی: پروتون درمانی، برهم کنش هسته ای، گسیلنده پوزیترون، MCNPX ، منحنی براگ. .