Skip to main content
SUPERVISOR
Ali akbar Babaeibrojeny,Reza Taleei,Mohammad-Hassan Alamatsaz
علی اکبر بابائی بروجنی (استاد راهنما) رضا طالعی (استاد مشاور) محمدحسن علامتساز (استاد راهنما)
 
STUDENT
Mojtaba Mokari Behbahan
مجتبی مکاری بهبهان

FACULTY - DEPARTMENT

دانشکده فیزیک
DEGREE
Doctor of Philosophy (PhD)
YEAR
1392

TITLE

Simulation of the effect of electron and proton beams and the evaluation of chromosomal breaks
Cancer is a systematic disease, which can affect any part or tissue of the living body. In treating the cancer, different methods are employed including radiotherapy, which may be prescribed for every patient during the therapy. In radiotherapy, ionizing radiations are exploited to damage the cells and when the ionizing radiation interact with the cell, it can result in the initial and long-term biophysical effects. These initial effects that are caused due to the physical processes such as ionization and excitation as well as chemical radicals, can result in the DNA damage and structural changes in it. Understanding the damage process of the ionizing radiations requires a knowledge of the effects of the molecular, physical, and chemical interactions of the radiation in the cell and DNA. The damages of the ionizing radiation include single- and double-strand breaks as well as base damage. The damaged DNAs can be repaired through some processes within the cell. Those DNA damages, especially of double-strand-break type, that are mis-repaired or unrepaired, can result in the cell death. This process plays a key role in killing the cancer cells and curing the cancer. One can study the effect of ionizing radiations in causing the DNA damage through empirical methods and simulations. Monte Carlo simulations make it possible to calculate the DNA damage, damage types, and how numerous they are. The purpose of the present investigation is to performing simulations of the involved physical and chemical processes as well as calculating the DNA damage from different radiations more precisely and thoroughly, using Geant4-DNA code. Herewith, by simulating the physical and chemical processes of particles in water (equivalent to the cell environment), we calculate the initial DNA damage caused by the interaction of primary electrons of 100-4500 eV and primary protons of 0.5-20 MeV energy. Hence, by considering the shares of the direct damage of physical processes as well as the indirect damage of chemical processes, we calculate different types of simple and complex single- and double-strand breaks. In addition, we calculate the break efficiency specifically for double-strand breaks in DNA and cell, and hence compare the results with the experimental and other simulation results. The efficiency results of this investigation for protons and electrons above 500 eV show reasonable agreement with the experimental and majority of the simulation results. For initial electron radiations with energies below 500 eV, there are differences between our results and other experimental and simulation results. These differences are due to the differences of the ionization and excitation cross sections of electrons at low energies in various codes, as compared to the experiment, as well as the difference in models, processes, and chemical reaction-rates implemented in Geant4-DNA, as compared to other codes. Furthermore, other parameters such as the DNA geometry, threshold energy for direct-damage registration (investigated in this work too), and the simulation time can also be influential in creating these differences.
سرطان یک بیماری سیستماتیک است که می‌تواند بر روی هر عضو و یا بافتی در بدن تاثیر بگذارد. برای درمان سرطان از روش‌های مختلفی استفاده می‌شود که پرتودرمانی یکی از روش‌هایی است که برای هر بیمار سرطانی در طول فرایند درمان ممکن است تجویز شود. در پرتودرمانی از پرتوهای یون‌ساز جهت آسیب‌زدن به سلول‌ها استفاده‌ می‌شود و وقتی پرتو یون‌ساز با سلول برهمکنش می‌کند، می‌تواند منجر به اثرات بیوفیزیکی اولیه و طولانی شود. این اثرات اولیه به‌وسیله فرایندهای فیزیکی مثل یونیزاسیون و برانگیختگی و همچنین رادیکال‌های شیمیایی رخ می‌دهد که این اثرات می‌توانند منجر به آسیب به DNA شود و باعث تغییرات ساختاری درآن شود. درک و شناخت فرایند آسیب پرتوهای یون‌ساز نیازمند اطلاع از اثرات برهمکنش‌های مولکولی فیزیکی و شیمیایی پرتو در سلول و DNA دارد. آسیب‌های پرتو یون‌ساز شامل شکست‌های تک‌رشته‌ای و دو رشته‌ای و آسیب باز هستند. البته DNA های آسیب دیده طی فرایندهایی توسط سلول ترمیم می‌شوند که در این میان، آسیب‌های DNA که به‌طور ناقص ترمیم شوند یا اصلاً ترمیم نشوند، خصوصاً ازنوع شکست‌های دو رشته‌ای می‌تواند منجر به مرگ سلول شوند. این فرایند در کشتن سلول‌های سرطانی و درمان آن نقشی اساسی ایفا می‌کند. اثر پرتوهای یون‌ساز در آسیب DNA از طریق روش‌های تجربی و شبیه‌سازی قابل مطالعه است و با شبیه‌سازی مونت کارلو آسیب DNA، انواع آسیب‌‌ها و تعداد آنها را می‌توان محاسبه‌کرد. به‌طور کلی در این پژوهش هدف ما انجام شبیه‌سازی فرایندهای فیزیکی و شیمیایی با کد Geant4-DNA و هم‌چنین محاسبة دقیق‌تر و کامل‌تر آسیب DNA برای پرتوهای مختلف با این کد می‌باشد. در این پژوهش ما برای محاسبة آسیب‌های اولیة DNA در اثر برهمکنش پرتوهای الکترون در بازة انرژی eV 100 تا keV 5/4 و پروتون در بازة انرژی 5/0 تا MeV 20، از کد Geant4-DNA برای شبیه‌سازی فرایندهای فیزیکی و شیمیایی این ذرات در محیط آب (معادل سلول) استفاده می‌کنیم و با درنظر گرفتن سهم آسیب مستقیم فرایندهای فیزیکی و همچنین سهم آسیب غیرمستقیم فرایندهای شیمیایی انواع شکست‌های تک‌رشته‌ای و دو رشته‌ای ساده و پیچیده را محاسبه می‌کنیم. هم‌چنین کمیت بازده شکست را خصوصاً برای شکست‌های دو رشته‌ای در DNA و سلول محاسبه کرده و با نتایج تجربی و شبیه‌سازی قبلی مقایسه می‌کنیم. نتایج مقادیر بازده این پژوهش برای پرتوهای پروتون هم‌چنین برای الکترون‌های با انرژی بالای eV 500، با نتایج تجربی و بیشتر نتایج شبیه‌سازی توافق مقداری خوبی دارند. برای پرتوهای اولیه الکترون در انرژی‌های کمتر از eV 500 تفاوت‌هایی بین نتایج ما و کارهای تجربی و شبیه‌سازی قبلی مشاهده شده‌است که به‌دلیل تفاوت در سطح‌مقطع‌های یونیزاسیون و برانگیختگی الکترون در انرژی‌های کم، تفاوت در مدل‌ها و فرایندهاو سرعت واکنش شیمیایی کد Geant4-DNA در مقایسه با آزمایش‌ها و کدهای دیگر می‌باشد. هم‌چنین مواردی مثل هندسة DNA، مقادیر انتخابی پژوهش مثل انرژی آستانة آسیب مستقیم (که در این پژوهش نیز بررسی شده‌است) و مقدار زمان شبیه‌سازی می‌تواند مؤثر باشد.

ارتقاء امنیت وب با وف بومی