نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسنده

گروه هسته ای، دانشکده فیزیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران، ایران

10.24200/nst.2021.817.1556

چکیده

در پروتون‌درمانی، به‌عنوان یک روش درمانی موثر و کارآمد، بررسی رفتار پروتون‌های فرودی در ماده و رسم منحنی براگ، که برآیندی از سه فرایند توقف، پراکندگی و برهم‌کنش‌های غیرکشسان هسته‌ای است، بسیار اهمیت دارد. بررسی این رفتار در رهیافت محاسباتی، به دو روش مونت‌کارلو و تحلیلی قابل دستیابی است. اگرچه در رهیافت تحلیلی، مدل‌های مناسبی برای دستیابی به منحنی براگ در محیط‌های همگن به‌طور دقیق معرفی شده است، با این حال این بررسی در حضور ناهمگنی مواد (که در بافت‌های بدن اجتناب‌ناپذیر است) با چالش مواجه است. برای مطالعه رفتار پروتون‌ها در محیط ناهمگن، بررسی سه عامل پراکندگی، کاهش انرژی و تغییر شار در مرز مواد (لایه‌ها) ضروری است. در پژوهش حاضر به مطالعه نحوه پراکندگی باریکه پروتونی فرودی به تیغه‌هایی از مواد با ضخامت‌ها و جنس‌های مختلف با استفاده از نظریه فرمی-ایجز پرداخته شده است. نتایج نشان داد علاوه بر عمق نفوذ، جنس ماده نیز در میزان پراکندگی تأثیر کلیدی دارد. بررسی‌های مربوط به ترتیب قرارگیری لایه‌ها و مطالعه مربوط به اثر انرژی نشان‌دهنده عدم تأثیر قابل‌توجه ترتیب قرارگیری مواد در مسیر پرتو در پراکندگی نهایی و همچنین کاهش پراکندگی با افزایش انرژی باریکه بود. نتایج نشان داد این روش با تعیین پارامترهای مختلف و رسم نمودارهای فاز-فضا برای دستیابی به هدف موردنظر کارآمد بوده و نتایج بدست آمده برای حالت-های نمونه حل شده، با انتظار ما از فیزیک مسئله همخوانی دارد. به‌منظور اعتبارسنجی نتایج، مقادیر بیشینه زاویه پراکندگی محاسبه شده از روش تحلیلی با مقادیر مربوط به شبیه‌سازی با استفاده از کد مونت‌کارلوی MCNPX مقایسه گردید.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Analytical approach to study the scattering of protons at the boundary of stack of inhomogeneous slabs in proton therapy

نویسنده [English]

  • Fatemeh Sadat Rasouli

Department of Physics, K.N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

چکیده [English]

In proton therapy, as a prominent method for treating tumors, investigation of transport of the protons in the matter, which is a resultant of three main interactions of stopping, scattering, and nonelastic nuclear interactions, is of high importance. In addition to the experimental method, two different approaches are also available: Monte Carlo simulations and the analytical method. In the analytical approach, there are sufficiently accurate physical beam models to approximate the depth-dose distribution. However, this study involves with challenges in the presence of localized inhomogeneities, which is unavoidable in body tissues. To study the behavior of protons in such a medium, investigation of three factors including scattering, energy distribution, and fluence reduction in the boundaries is vital. The present study deals with the scattering of protons in the slabs of different lengths and materials using the Fermi-Eyges theory. The results showed that in addition to the depth of penetration, the material composition also has a key effect on the scattering of protons. The studies on the arrangement of layers and the effect of energy on the scattering showed that the arrangement of materials in the beam path has not a significant effect on the final result, and the scattering decreases with increasing the energy of the incident beam. It was found that the results are confirmed with the expected physics of the solved problems. To validate the results, the maximum scattering angle of the analytical method was compared with those of to the simulation using the MCNPX Monte Carlo code

کلیدواژه‌ها [English]

  • Bragg curve
  • Proton therapy
  • Analytical method
  • Fermi-Eyges theory
  • Scattering Power