دانلود پایان نامه ارشد درمورد تحت درمان

دانلود پایان نامه

2-29 است.

شکل 2-29. نمایی از یک سیستم پراکندگی ساده با یک پراکنندۀ مسطح
در یک سیستم پراکندگی از ضخامت‌های مختلف مادۀ پراکننده استفاده می‌شود تا توان پراکندگی، برای پروتون‌هایی با انرژی‌های مختلف حفظ شود. محدودیت اندازۀ میدان و افت تیز دوز موجب می‌شود تا سیستم تک‌پراکننده برای درمان تومورهای چشمی [17-73-74-75-76-77-78] و رادیوجراحی داخل جمجمه [79] مناسب باشد؛ به‌ویژه اگر پراکننده خیلی دورتر از موازی‌ساز نهایی قرار داده شود، نیم‌سایۀ عرضی خیلی تیزی به‌دست می‌آید. اکثر خط‌پرتوهای مربوط به درمان تومورهای چشم، پرتو را با تنها یک پراکننده [73-75-77-78] و یا جاذب‌های پرتو [74-76] پهن می‌کنند ؛ هرچند که در مواردی نیز پراکننده‌های دوم به‌کار گرفته شده‌اند [80].
2-4-2-2- پراکننده‌های منحنی‌شکل
بازدهی بهتر را می‌توان به‌وسیلۀ پراکندگی تعداد بیشتری از پروتون‌های بخش مرکزی به سمت بیرون و به دنبال آن ایجاد توزیع دوز مسطح به‌دست آورد؛ به‌همین منظور پراکنندۀ مسطح به‌عنوان پراکنندۀ اول، پرتو را برای پراکنندۀ منحنی‌شکل که به‌عنوان پراکنندۀ دوم در سیستم مورد استفاده قرار می‌گیرد، پهن می‌کند. پراکنندۀ منحنی‌شکل شکل نهایی توزیع دوز را مسطح می‌نماید. شکل 2-30 نمایی از توزیع دوز عرضی را که به‌وسیلۀ این فرآیند تولید می‌شود، نشان می‌دهد. به چنین سیستمی، سیستم پراکنندگی دوگانه79 گفته می‌شود.

شکل 2-30. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ منحنی‌شکل
از دید ریاضی توزیع دوز عرضی Φ(r) که توسط سیستم پراکندگی دوگانه ایجاد می‌شود را با معادلۀ (224) می‌توان توصیف کرد [4]:
(224)

Φ(r)=1/〖(2πz_FS θ_FS)〗^2 ∫_0^2π▒∫_0^R▒〖exp⁡(-(r^’ ) ⃗^2/(z_FS θ_FS )^2 )×1/(z_CS θ_CS ((r^’ ) ⃗ ))^2 ×exp⁡(-|r ⃗-(r^’ ) ⃗ |^2/(z_CS θ_CS ((r^’ ) ⃗ ))^2 ).r^’ dr^’ dφ〗
در این معادله، ZFS فاصلۀ پراکنندۀ اول تا یک صفحۀ دلخواه، θFS زاویۀ پراکندگی پراکنندۀ مسطح اول، ZCS فاصلۀ پراکنندۀ دوم تا همان صفحۀ دلخواه و θCS زاویۀ پراکندگی پراکنندۀ منحنی‌شکل است. R نیز شعاع پراکنندۀ منحنی‌شکل می‌باشد و فرض می‌شود که تمام پروتون‌های خارج از این شعاع مسدود می‌گردند. جملۀ نمایی اول، شار پرتو برخوردکننده به پراکنندۀ منحنی‌شکل در موقعیت r’ می‌باشد؛ بدون این پراکننده، توزیع دوز، مساوی با این جمله خواهد بود. جملۀ نمایی دوم، عملکرد پراکنندۀ منحنی‌شکل را به‌عنوان پراکنندۀ دوم توصیف می‌کند. برای داشتن توزیع دوز مسطح Φ(r)، حل کردن این معادله و پیدا کردن θCS(r’) برای پراکنندۀ منحنی‌شکل از دید تحلیلی ممکن نیست؛ بنابراین شکل پراکنندۀ منحنی‌شکل با استفاده از روش‌های عددی تعیین می‌گردد. متغیرهای این پراکننده در ترکیب با توان پراکندگی پراکنندۀ اول بهینه می‌شود تا توزیع دوزی با اندازۀ دلخواه، و یکنواختی قابل قبول، به‌دست آید. بازدهی نیز هدف دیگری است که در بهینه‌سازی درنظرگرفته می‌شود. در این سیستم می‌توان بازدهی تا 45% را به‌دست آورد که به‌طور قابل ملاحظه‌ای از سیستمی با یک پراکنندۀ ساده، بیشتر است [4].
در یک پراکنندۀ منحنی‌شکل، ماده‌ای با Z بالا مانند سرب یا آلیاژ برنج با ماده‌ای متعادل‌کننده با Z کمتر مانند پلاستیک ترکیب می‌شود. ضخامت ماده با Z بالا با افزایش فاصله از محور کاهش و ضخامت مادۀ متعادل‌کننده با Z پایین، افزایش می‌یابد. شکل 2-31 یک پراکنندۀ منحنی‌شکل را نشان می‌دهد.

شکل 2-31. نمایی از یک پراکنندۀ منحنی‌شکل که ترکیبی از سرب و لگزان در کنار یک‌دیگر است.
2-4-2-3- پراکننده‌های دوحلقه‌ای
پراکننده‌های دوحلقه‌ای شامل یک دیسک مرکزی از جنس ماده‌ای با Z بالا مانند سرب یا تنگستن و یک حلقه در اطراف آن از جنس ماده‌ای با Z کمتر مانند آلومینیوم یا لوسیت می‌باشد. شکل 2-32، نمایی از توزیع دوز عرضی را که توسط این سیستم ایجاد می‌شود، نشان می‌دهد.

شکل 2-32. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از پراکنندۀ دوحلقه‌ای
در این سیستم ابتدا یک پراکنندۀ مسطح، پرتو را برای پراکنندۀ دوحلقه‌ای پهن می‌کند. دیسک مرکزی این پراکننده، توزیع گاوسی‌شکل را ایجاد می‌نماید و حلقه‌های اطراف آن نیز شکلی حلقه‌ای مانند را تولید می‌کند. با ترکیب این دو شکل، توزیع دوز یکنواختی در تومور تولید می‌شود [4]. شکل 2- توزیع دوز مربوط به هر کدام از بخش‌های داخلی و بیرونی این پراکننده را نشان می‌دهد [81]. البته باید متذکر شد که به‌خاطر ماهیت دوتایی این نوع پراکننده، توزیع دوز به طور کامل صاف نیست.
شکل 2-33. نمایش توزیع دوز ایجاد شده توسط هر بخش از پراکنندۀ دو حلقه‌ای و برهم‌نهی آن‌ها [81]
2-4-2-4- حلقه‌های مسدودکننده
امروزه اکثر سیستم‌های پراکندگی دوگانه از پراکننده‌های منحنی‌شکل یا دوحلقه‌ای استفاده می‌کنند؛ اما حلقه‌های مسدودکننده نیز می‌توانند به‌کار گرفته شوند و شکل توزیع دوز را مسطح نمایند [82]. شکل 2-33 نمایی از توزیع دوز عرضی را که به‌وسیلۀ این سیستم ایجاد می‌شود، نشان می‌دهد.

شکل 2-33. نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با استفاده از حلقه‌های مسدودکننده
این حلقه‌ها به‌جای پراکنده کردن پروتون‌های مرکزی به‌سمت بیرون، آن‌ها را مسدود می‌نمایند؛ درنتیجه حفرۀ ایجاد شده در توزیع شار به‌وسیلۀ پراکندگی که توسط پراکنندۀ مسطح صورت می‌گیرد، پر می‌شود. با چنین فرآیندی می‌توان میدان‌های تابشی با اندازۀ بزرگ‌تر را به‌وسیلۀ مس
دود کردن بخش مرکزی و با اضافه کردن یک یا تعداد بیشتری از حلقه‌های مسدودکننده، به‌دست آورد [4]. شکل 2-34 نحوۀ توزیع دوز توسط هر کدام از پراکننده‌ها در چنین سیستمی و توزیع دوز نهایی را نشان می‌دهد [82].

شکل 2-34. توزیع دوز ایجاد شده توسط حلقه‌های مسدودکننده در سیستم پراکندگی دوگانه [82]
بهینه‌سازی قطر حلقه‌ها و توان پراکنندۀ اول به توزیع دوز مسطح منجر می‌شود. در این نوع از پراکننده‌ها بازده به‌طور قابل‌توجهی نسبت به پراکننده‌های منحنی‌شکل کمتر است؛ همچنین اتلاف انرژی در آن‌ها کوچک‌تر است که به دلیل نازک بودن ضخامت پراکنندۀ دوم می‌باشد [4].
2-5- تحویل پرتو با استفاده از سیستم اسکن مغناطیسی
به‌دلیل اینکه پروتون‌ها در میدان مغناطیسی منحرف می‌شوند، به‌جای استفاده از پهن‌شدگی پرتو، می‌توان پرتو باریک و تک انرژی پروتون را به‌طور مغناطیسی در عرض حجم هدف و عمود بر جهت پرتو اسکن کرد. این‌ روش شباهت نزدیکی به اسکن پرتو الکترون در سیستم تلویزیون دارد. اسکن عمق هدف نیز به‌وسیلۀ تغییر انرژی پرتو فرودی انجام می‌گیرد. در روش اسکن، به ابزار و تجهیزات دیگر نظیر موازی‌ساز و یا پراکننده، نیازی نیست که این موضوع یکی از مزایای این روش محسوب می‌شود. به‌طورکلی اسکن پرتو به طریقۀ زیر انجام می‌گیرد:
ابتدا اسکن با عمیق‌ترین لایه و با بالاترین انرژی شروع می‌شود؛ سپس انرژی پرتو کاهش می‌یابد تا لایۀ بعدی اسکن شود و به‌همین ترتیب ادامه می‌یابد تا کل هدف، تحت تابش قرار گیرد. لایه‌های عمقی وابسته به انحنای سطح انتهایی هدف، مقادیر مختلف دوز را به بافت‌های اطراف می‌دهند؛ بنابراین برای توزیع دوز یکنواخت در هدف تحت درمان، باید شدت در هر لایه مدوله شود؛ از این‌رو به‌منظور کاهش خطا در تحویل دوز، هر لایه ممکن است چندین بار اسکن شود[83]. روش‌های مختلفی در روش اسکن ذره وجود دارد که در ادامه توضیح داده می‌شوند.
در روش اسکن نقطه‌ای جداگانه80، دوز از قبل تعیین شده در یک موقعیت ساکن و ایستا (تجهیزات مربوط به تولید میدان، ثابت است.) به یک نقطۀ مشخص داده می‌شود [84]؛ سپس پرتو قطع، و میدان عوض می‌شود تا نقطۀ بعدی را هدف‌گیری کند و دوز را به آن تحویل دهد؛ این‌ روند به‌همین ترتیب ادامه می‌یابد. در این ‌رویکرد ابتدا اسکن مغناطیسی برای ایجاد یک خط دوز انجام می‌گیرد؛ سپس عمق به‌وسیلۀ کاهش انرژی، تغییر و خط دوز دیگری در عمق سطحی‌تر ایجاد می‌شود. این عمل تا زمانی که دوز به تمام عمق‌های مناسب و مورد نظر داده شود، تکرار می‌شود [83].
روش راستر81 به‌طور عملی برای یون‌های سنگین انجام می‌گیرد [85] و مشابه روش قبل می‌باشد؛ با این تفاوت که در حین حرکت سیستم به موقعیت بعدی، پرتو قطع نمی‌شود. به‌طور عملی تا وقتی که زمان اسکن از یک نقطه به نقطۀ دیگر در مقایسه با زمان درمان هر نقطه، کوچک باشد، توزیع دوز در هر دو روش با هم برابر است [83].
در روش اسکن نقطه‌ای فعال82، پرتو به‌طور کامل و پیوسته در عرض حجم هدف اسکن می‌شود. شدت یا ترجیحاً شار مدولاسیون از طریق مدوله کردن پرتو خروجی منبع و یا سرعت اسکن و یا هر دو با هم ایجاد می‌شود [83].
یکی از مزایای روش اسکن پرتو آن است که شکل‌های دلخواه برای دوز بالا و یکنواخت را می‌توان با یک پرتو به دست آورد؛ در صورتی‌که با روش پهن‌شدگی پرتو83، SOBP در عرض میدان تابشی، ثابت است و از این‌رو مقدار غیرضروری دوز به بافت می‌رسد [83]. مزیت دیگر این‌ روش آن است که به‌علت عدم استفاده از پراکننده‌ها، پرتو پروتونی، واکنش‌های هسته‌ای کمتری در خارج از بدن بیمار دارد؛ از این‌رو آلودگی نوترون نیز کمتر خواهد بود. انعطاف‌پذیری زیاد این‌ روش می‌تواند به‌طور کامل در روش IMPT به‌کار گرفته شود که این مسئله بزرگ‌ترین مزیت روش اسکن پرتو می‌باشد. دشواری که از نظر فنی برای تولید پرتوهای خیلی باریک وجود دارد، منجر به کم شدن دوز عرضی بهینه می‌شود که این یکی از اشکالات موجود در روش اسکن می‌باشد؛ همچنین اسکن پرتو می‌تواند نسبت به حرکت اندام بدن در مقایسه با روش پراکندگی کنش‌پذیر، حساس‌تر باشد [86-87].
در نوع دیگری از سیستم‌های اسکن پرتو84، پرتو نسبتاً پهن (قطر در مرتبۀ 5 سانتیمتر)، به‌طور مغناطیسی در عرض حجم هدف اسکن می‌شود. در این‌ روش، چون نیم‌سایۀ پهنی ناشی از میدان تابشی ایجاد می‌گردد، موازی‌ساز مورد نیاز است. مزیت عمدۀ این ‌روش آن است که میدان تابشی بزرگ‌تری نسبت به روش پراکندگی کنش‌پذیر، به‌آسانی، در دسترس است [83].
به‌طورکلی، سه روش اصلی برای ایجاد توزیع دوز در روش اسکن پرتو وجود دارد [4]:
اسکن یکنواخت85
دوز یکنواخت با یک میدان (SFUD)86
دوز یکنواخت با چند میدان (MFUD)87 یا پروتون‌تراپی با شدت مدوله شده (IMPT)
در روش اسکن یکنواخت، طرح اسکن ثابت است و از پرتو پروتون با شدت ثابت برای لایه‌های مختلف حجم هدف استفاده می‌شود. نسبت شدت میدان در لایه‌های مختلف یکسان است و توزیع دوز ایجاد شده دقیقاً مشابه حالت پرتو پراکنده شده می‌باشد؛ با این تفاوت که حداکثر اندازۀ میدان محدودیتی ندارد. پارامترهای مهم در این‌ روش همانند روش پراکندگی، پهنای مدولاسیون و برد پرتو می‌باشند [4].
در روش SFUD، شدت پرتو و طرح اسکن تغییر می‌کند؛ ولی توزیع دوز ناشی از هر میدان در حجم هدف یکسان است. در MFUD یا IMPT نیز توزیع دوز یکنواخت در حجم هدف، با استفاده از چند میدان تابشی مختلف ایجاد می‌شود؛ بنابراین
در هر دو روش SFUD و MFUD، پارامترهای مهم، مشخصات تک‌تک پیک‌های براگ استفاده شده در درمان هستند. این مشخصات شامل انرژی پروتون، جهت پرتودهی و تعداد پروتون‌ها (معمولاً برحسب گیگاپروتون) می‌باشند. در این ‌روش‌ها، کیفیت توزیع دوز به کیفیت پرتو اولیه بستگی دارد [4] و شدت پرتو فرودی پروتون به اندازۀ میدان تابشی و نوع دستگاه شتاب‌دهنده و قابلیت‌های آن وابسته است.
2-6- کمیت‌های فیزیکی پایه در پروتون‌تراپی
در این بخش به‌طور مختصر کمیت‌های فیزیکی پایه‌ای را که برای پروتون‌ها در پروتون‌تراپی مورد استفاده قرار می‌گیرد، شرح می‌دهیم:
2-6-1- سینماتیک پروتون
در انرژی‌های بالا، پروتون مشابه کوارک رفتار می‌کند. در محدودۀ انرژی MeV300-3، پروتون به‌عنوان یک ذرۀ پایه بدون هیچ درجۀ آزادی درونی، دارای انرژی سکون MeV 27/938 و بار C 〖×10〗^(-19) 602/1+ می‌باشد. در تئوری‌های مربوط به توقف و پراکندگی، گاهی محاسبۀ سرعت یا تکانۀ پروتون مورد نیاز است. از طرفی پروتون‌های مورد استفاده در پرتودرمانی با محدودۀ انرژی ذکر شده، نسبیتی هستند و سرعت آن‌ها

دیدگاهتان را بنویسید