شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه بین MeV70 تا MeV250
خروج آهستۀ پروتون‌ها به سمت خط پرتو
بازگشت به موقعیت اولیه و کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشده با انرژی کم
شکل ۳-۴، نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون را نشان می‌دهد [۴]. این فرایند، برای مدولاسیون بهینۀ انرژی، طولانی است؛ از این‌رو انرژی موردنظر برای پرتو خروجی از شتاب‌دهنده، در هر زاویۀ مورد استفاده در درمان انتخاب می‌شود (این انرژی برابر با بیشینه مقدار مورد استفاده در آن زاویه می‌باشد)؛ سپس مدولاسیون به‌وسیلۀ چرخ مدولاتور و یا فیلترهای شیاردار در نازل انجام می‌گیرد.
(( اینجا فقط تکه ای از متن درج شده است. برای خرید متن کامل فایل پایان نامه با فرمت ورد می توانید به سایت nefo.ir مراجعه نمایید و کلمه کلیدی مورد نظرتان را جستجو نمایید. ))

شکل ۳-۴٫ نمای کلی از یک چرخه در سینکروترون که شامل تزریق پروتون‌های MeV 2 یا MeV 7، شتاب پروتون‌ها تا انرژی دلخواه در زمانی کمتر از ۵/۰ ثانیه، خروج آهستۀ پروتون‌های شتاب داده شده به خط پرتو در زمانی بین ۵-۵/۰ ثانیه و در آخر کاهش سرعت و تخلیۀ پروتون‌های استفاده نشدۀ باقی‌مانده [۴]
یک سینکروترون شامل شبکه‌ای با آهنرباهای خم‌کننده و اجزای متمرکزکنندۀ پرتو می‌باشد. آهنرباهای چهارقطبی جهت متمرکز کردن پرتو و آهنرباهای شش‌قطبی جهت افزایش قابل قبول پهنای انرژی برای پرتو، مورد استفاده قرار می‌گیرند [۴].
در چشمه‌های پروتونی مورد استفاده در شتاب‌دهنده‌های سینکروترونی که براساس یونش عمل می‌کنند، از سیم‌پیچ‌هایی با پیکربندی خاص و یا آهنرباهای ثابت استفاده می‌شود تا الکترون‌ها را محدود نمایند [^[۲۰۴]–^[۲۰۵]–^[۲۰۶]–^[۲۰۷]–^[۲۰۸]–^[۲۰۹]]. چشمۀ پروتونی معمولاً در پتانسیل مثبت قرار دارد تا به پروتون‌ها به‌طرف شتاب‌دهندۀ خطی، شتاب اولیه بدهد. مؤلفۀ میدان الکتریکی در امتداد جهت پرتو، شتاب را فراهم می‌آورد و مؤلفۀ شعاعی آن، پرتو را متمرکز می کند؛ درنهایت می‌توان پروتون‌هایی تا انرژی MeV 3-2 را در شتاب‌دهندۀ خطی به‌دست آورد. البته پروتون‌ها می‌توانند تا انرژی MeV 7 در این شتاب‌دهنده که عملکرد آن براساس نوسانات الکترومغناطیسی است، شتاب داده شوند.
تزریق پروتون در سینکروترون، هم می‌تواند به یک‌باره و در یک نوبت صورت گیرد و هم به‌طور تدریجی انجام شود؛ اما جهت کاهش زمان درمان، مهم است که حلقۀ سینکروترون تا جای ممکن با پروتون‌های زیادی پر گردد. این کار سبب کاهش زمان مرده بین چرخه‌ها نیز می‌شود. نکتۀ دیگر این‌که به‌جای خروج سریع پروتون‌ها در یک نوبت، پرتو باید به‌طور آهسته از شتاب‌دهنده خارج شود تا پرتو با روش‌های اسکن و یا مدولاسیون برد بر روی تومور پهن شود؛ از این‌رو زمان لازم برای آن‌که پروتون‌ها خارج شوند، بین ۵/۰ تا ۵ ثانیه، بسته به انرژی مورد نیاز برای پرتو خروجی، متفاوت است.

۳-۴- شتاب‌دهنده‌های خطی برپایۀ پروتون‌تراپی

شتاب‌دهنده‌های خطی به‌طور گسترده در پرتودرمانی مورد استفاده قرار می‌گیرند. به‌عنوان مثال به‌وسیلۀ این سیستم‌ها می‌توان الکترون‌ها را تا انرژی MeV 25-6 جهت استفاده در درمان شتاب داد. در مقایسه با الکترون‌ها، شتاب دادن پروتون‌ها یا یون‌های سنگین با شتاب‌دهند‌های خطی بسیار مشکل‌تر است. این امر به‌خاطر آن است که در فرایند شتاب در این سیستم‌ها، الکترون‌ها به سرعت‌های نسبیتی می‌رسند و می‌توان فرض کرد که سرعت آن‌ها ثابت، و نزدیک به سرعت نور است؛ این درحالی است که به‌عنوان مثال پروتون‌های MeV250 در فرایند شتاب، تنها به ۶۱% از سرعت نور می‌رسند؛ از این‌رو شتاب‌دهنده‌های خطی به‌عنوان بخشی از سیستم‌های شتاب‌دهندۀ پروتونی و برای دادن شتاب اولیه به پروتون‌ها استفاده می‌شوند. در پروتون‌تراپی، مسئلۀ مهم برای شتاب‌دهنده‌های خطی، ترکیب زمانی پرتو است. پیشرفت‌های صورت گرفته در این زمینه، جهت بهبود ساختار زمانی با فرکانس بالا (GHz 3) و آهنگ تکرار تا جای ممکن بالا (Hz200-100)، امکان اسکن نقطه‌ای را فراهم می‌آورد. اگر آهنگ تکرار به‌اندازۀ کافی بالا باشد و دقت کافی برای دوز تحویلی در هر پالس به‌دست آورده شود، یک شتاب‌دهندۀ خطی می‌تواند برای اسکن نقطه‌ای سریع در پروتون‌تراپی، مناسب باشد [۴].
همان‌طور که به آن اشاره شد، از آنجایی که بخشی از کار این پایان‌نامه، تحلیل و شبیه‌سازی نازل پروتونی مربوط به HCL می‌باشد، در انتهای این فصل به توضیح مختصری دربارۀ ویژگی‌های این شتاب‌دهنده و کارهای انجام شده به‌وسیلۀ آن می‌پردازیم:

۳-۵- سیکلوترون لابراتوار هاروارد (HCL)

سیکلوترون HCL در سال ۱۹۴۸ ساخته شد. این شتاب‌دهنده تا سال ۱۹۶۱ جهت تحقیقات در فیزیک مورد استفاده قرار گرفت. در آن زمان علاقه‌مندی روبه افزایشی جهت استفاده از پروتون‌ها در پرتودرمانی وجود داشت و HCL تنها آزمایشگاه در ایالات متحده بود که این خدمات را فراهم می‌کرد. پروژه‌های تحقیقاتی در زمینۀ فیزیک و سایر رشته‌ها نیز در HCL دنبال شد و محققانی از صنعت و سایر دانشگاه‌ها از تجهیزات این مجموعه استفاده کردند. این پروژه‌ها شامل فیزیک حالت جامد، توسعه و بررسی آشکارسازهای ذره و نیز در زمینۀ رادیوبیولوژی بودند. یکی دیگر از کارهایی که به‌وسیلۀ این شتاب‌دهنده و تجهیزات آن صورت گرفت، طراحی سیستم‌های تحویل پرتو است که شامل شتاب‌دهنده، سیستم انتقال پرتو، گانتری^[۲۱۰]، نازل‌های پروتون، مدولاتورهای برد و ابزارهای متعادل کنندۀ برد می‌باشند. به‌طور کلی کارهای انجام شده به‌وسیلۀ HCL عبارتند از:
طراحی تجهیزات درمانی جهت استفاده از پروتون
محاسبات دوزیمتری و بررسی اثرات تابشی و زیست‌تابشی پروتون
تولید ایزوتوپ
توسعه و بررسی آشکارساز ذره
فیزیک هسته‌ای
فناوری پرتوپزشکی

۳-۵-۱- مشخصات فنی سیکلوترون HCL

سیکلوترون HCL، یک سینکروسیکلوترون با انرژی اولیۀ MeV 160 می‌باشد. چهار خط پرتو خارجی، برای این شتاب‌دهنده تعبیه شده که آخرین خط پرتو در سال ۱۹۸۷ نصب شده است. مشخصات پرتو خروجی می‌تواند به‌وسیلۀ سیستم‌های کنترلی که بیرون منطقۀ تابش قرار داده می‌شود، تنظیم شود. بیشینه انرژی تولیدی برای پروتون‌های شتاب داده شده به‌وسیلۀ این شتاب‌دهنده، MeV 160 می‌باشد که متناظر با عمق نفوذ cm 17 در آب است. کاهنده‌های انرژی که در خط پرتو خارجی نصب می‌شوند، انرژی پروتون را به میزان مورد نیاز تا حدود MeV 20 کاهش می‌دهند. تفکیک‌پذیری انرژی برای انرژی‌های بالای MeV100 بین MeV 2 تا MeV 5 و برای انرژی‌های کمتر، MeV 10 است. برای پرتو خارجی، پروتون‌ها هر ۵ میلی‌ثانیه، به‌مدت ۲۰۰ میکروثانیه از شتاب‌دهنده خارج می‌شوند. جریان داخلی پرتو حدود ۵/۰ میکروآمپر است و جریان خارجی پرتو بین ۰۰۵/۰ میکروآمپر ( پروتون در ثانیه) تا حدود چند پروتون در هر ثانیه متغیر است. قطر پرتو نیز می‌تواند از کمتر از ۱/۰ سانتیمتر تا حدود ۳۰ سانتیمتر، تنظیم شود[^[۲۱۱]].

۳-۵-۲- سیستم شکل‌دهندۀ پرتو پروتونی برای HCL جهت درمان تومورهای چشمی

در سال ۱۹۷۵ خط‌ پرتو پروتون جهت درمان تومورهای چشمی، به‌ویژه ملانومای مشیمیه برای HCL نصب شد [^[۲۱۲]]. پرتو خروجی از شتاب‌دهنده در مسیر خود در نازل، از چرخ مدولاتور برد، موازی‌سازهایی از جنس آلیاژ برنج، ستون‌های قابل تنظیم و ثابت از جنس پلی‌کربنات به‌نام لگزان (C₁₆H₁₄O₃) به‌عنوان کاهندۀ انرژی و انتقال‌دهندۀ برد، یک جفت آشکارساز یونی و در نهایت موازی‌ساز مخروطی شکل^[۲۱۳] و موازی‌ساز مخصوص بیمار عبور می‌کند و به هدف تحت درمان می‌رسد [۱۷]. شکل ۳-۵، نمایی از نازل نصب شده در HCL برای درمان تومورهای چشمی را نشان می‌دهد [^[۲۱۴]].
شکل ۳-۵٫ نمای کلی از نازل HCL که برای درمان تومورهای چشمی به‌کار گرفته شده است و به‌ترتیب شامل چرخ مدولاتور برد (K)، موازی‌ساز اول (F)، انتقال‌دهندۀ برد با ضخامت متغیر (L)، کاهندۀ انرژی با ضخامت ثابت (G)، موازی‌ساز دوم (H)، آشکارساز نظارت (B)، صفحات آشکارساز یونی (J)، محفظۀ خالی ©، موازی‌ساز مخروطی شکل (D) و موازی‌ساز مخصوص بیمار (E) می‌باشد [۱۱۴].
در فصل چهارم، پس از تحلیل و دست‌یابی به محدودۀ انرژی مورد نیاز برای پرتو پروتون جهت درمان تومور چشم، به شبیه‌سازی و تحلیل خط پرتو چشمی مربوط به HCL پرداخته می‌شود؛ سپس محاسبات دوزیمتری برای برآورد دوز تخلیه شده در فانتوم انجام می‌گیرد و اثر تعریف بافت واقعی تومور بر نتایج دوزیمتری برای روش‌های مختلف در پروتون‌تراپی مطالعه می‌شود. همچنین یک روش ریاضی برای ساختن SOBP ارائه می‌گردد و در انتها نیز برای بررسی میزان تولید نوترون‌های ثانویه در ‌پروتون‌تراپی، دوز نوترون برای سیستم شبیه‌سازی شده، محاسبه می‌شود.
فصل چهارم:
شبیه‌سازی نازل و محاسبات دوزیمتری در پروتون‌تراپی تومورهای چشمی

۴-۱- مقدمه

همان‌طور که قبلاً هم به آن اشاره شد، موقعیت پیک براگ در منطقۀ تحت درمان، متناسب با انرژی پرتو فرودی می‌باشد؛ به این معنا که هر چه انرژی پروتون بیشتر باشد، ذره در عمق بیشتری از هدف نفوذ می‌کند و پیک براگ در بخش‌های عمقی‌تری از هدف تشکیل می‌شود و با کاهش انرژی، پیک در قسمت‌های سطحی‌تر قرار می‌گیرد؛ از این رو لازم است که عمق منطقۀ تحت درمان و نیز انرژی متناظر با برد مورد نیاز برای پروتون‌‌های مورد استفاده در درمان به‌درستی تعیین شود. در ابتدای این فصل به‌وسیلۀ پروتون‌های تک انرژی، محدودۀ تغییرات انرژی پروتون جهت تحت پوشش قرار دادن یک تومور چشمی به دست آورده می‌شود. برای دست‌یابی به این هدف، از روش اسکن پرتو جهت تحویل دوز مورد نیاز در درمان استفاده شده است. این روش به‌طور ایده‌آل، محدودۀ انرژی پروتون‌ها برای درمان تومور را به‌دست می‌دهد و می‌توان براساس آن، سیستم‌های‌ شکل‌دهندۀ پرتو (سیستم‌های کنش‌پذیر) را طراحی کرد؛ به‌گونه‌ای که پرتو اولیه با انرژی‌های بالاتر به انرژی مورد نیاز جهت درمان برسد.

۴-۲- استفاده از روش اسکن پرتو پروتون جهت تحویل دوز به تومور چشمی

جهت تعیین انرژی و بررسی نحوۀ تخلیۀ دوز پرتو باریک پروتون ، ابتدا فانتومی شبیه‌سازی می‌شود. از آنجایی که پروتون‌ها پراکندگی کمی در بافت دارند و دوز جانبی به‌ویژه در روش اسکن پرتو، بسیار ناچیز است و درعمل دوز رسیده به مناطقی مانند عنبیه، لنز و عصب بینایی، بسیار کم می‌باشد و همچنین پیک براگ با حداقل میزان پهن‌شدگی در بافت تشکیل می‌گردد، از این‌رو لزومی به شبیه‌سازی کامل چشم جهت اندازه‌گیری پیک براگ نیست و به‌جای تعریف کامل چشم، می‌توان آن را به دو ناحیه تقسیم کرد. بر این اساس، مطابق با شکل ۴-۱، فانتوم شبیه‌سازی شده، کره‌ای به شعاع ۲/۱ سانتیمتر، به‌عنوان کرۀ چشم انسان درنظرگرفته می‌شود که توموری در گوشۀ آن واقع شده است. این تومور بخشی از کره‌ای به شعاع ۱ سانتیمتر است که داخل چشم قرار دارد. هندسۀ تومور، براساس اغلب ملانوماهای مشیمیه طراحی شده است. در این فانتوم، تومور با ترکیبات واقعی، و مابقی کرۀ چشم با ترکیبات مربوط به زجاجیه که ماده‌ای ضخیم و شفاف است و مرکز چشم را می‌پوشاند، پر می‌شود. زجاجیه عمدتاً از آب تشکیل شده و حدود از حجم چشم را در برمی‌گیرد. جدول ۴-۱ عناصر سازندۀ ترکیبات به‌کار گرفته شده در فانتوم و مقادیر آن را نشان می‌دهد [۱۱۹]. از آنجایی که ترکیبات مربوط به بافت‌ مورد استفاده در فانتوم، تفاوت چندانی با آب ندارد، می‌توان کل فانتوم شبیه‌سازی شده را محتوای آب درنظرگرفت که اصطلاحاً به آن فانتوم آب می‌گویند. (در مطالعات مربوط به شبیه‌سازی درمان، مرسوم است که از فانتوم حاوی آب، برای بررسی برهم‌کنش‌های مربوط به ترابرد پرتو پروتونی و محاسبات دوزیمتری در تومورهای چشمی استفاده شود [^[۲۱۵]–^[۲۱۶]].) در این شبیه‌سازی، دو فانتوم یکی محتوای آب و دیگری حاوی ترکیبات واقعی تومور طراحی شده است.
شکل ۴-۱٫ نمای کلی از فانتوم شبیه‌سازی شده و مورد استفاده در محاسبات دوزیمتری در روش اسکن مغناطیسی پرتو
جدول ۴‑۱٫ عناصر سازندۀ ترکیبات به‌کار گرفته شده در فانتوم چشم در روش اسکن مغناطیسی پرتو [۱۱۹]

ترکیبات مواد

زجاجیه

تومور

آب