نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 پژوهشکدۀ‏ فیزیک و شتابگرها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‏ای، سازمان انرژی اتمی ایران، صندوق پستی: 3486- 113651، تهران

2 گروه فیزیک، دانشگاه پیام نور،صندوق پستی: 4697 -19395، تهران

چکیده

یکی از روش‏های ارزیابی بر خط برد پروتون در پروتون‌درمانی زمان پرواز گامای آنیTOF است. در این روش طیف زمان‌گیری گامای آنی یا طیف PGT بر مبنای اختلاف زمان ورود پروتون به ماده و زمان آشکارسازی گامای آنی اندازه‌گیری می‌‏شود. در این مطالعه، فانتوم همگن PMMA و فانتوم‏‌های PMMA با لایه‌ای‏ از جنس استخوان یا حفرۀ هوا، با ابزار GEANT4 شبیه‏‌سازی شد. این اهداف با باریکۀ مدادی پروتون با انرژی اولیۀ MeV 150 مورد تابش قرار گرفته‌‏اند و طیف PGT حاصل از آنها توسط آشکارسازهای سوسوزن ثبت شد. سپس یک کد در نرم‌‏افزار متلب برای حل تحلیلی سینماتیک حرکت پروتون در فانتوم تنظیم شد و طیف PGT حاصل از شبیه‌‏سازی با ابزار GEANT4، به عنوان ورودی به این کد نرم افزاری داده شد و طیف مکان گسیل گامای آنی در فانتوم به دست آمد. در این مطالعه، اثر ‏جنس و موقعیت لایه‏‌های ناهمگن بر روی طیف PGT و طیف مکان گسیل گاماهای حاصل از تبدیل PGT، مورد تحقیق قرار گرفت.از مقایسۀ طیف مکان گسیل گامای آنی حاصل از تبدیل طیف PGT، با قدرت توقف حاصل از شبیه‏‌سازی با ابزار GEANT4 ، مشاهده شد تغییر برد و تغییر محل انباشت انرژی حاصل از یک ناهمگنی درPMMA ، نسبت به فانتوم مرجع ارتباط معنا داری دارد. وجود یک لایۀ ناهمگن از جنس استخوان و حفرۀ هوایی با ضخامت  mm10 برد پروتون را نسبت به برد آن در فانتوم مرجع به ترتیب mm  4 و  mm9/6 جا‏به‌جا می‏‌کند و قدرت توقف برای این حالت‏‌ها به ترتیب mm 4/8  و mm  9/9 نسبت به قدرت توقف فانتوم مرجع جابه‌جا می‌‏شود. بنابر‏این طیف PGT منعکس کنندۀ زمان انتقال پروتون در ماده است و امکان تعیین مکان گسیل گاما و امکان تأیید تحویل دز به بدن بیمار را فراهم می‏‌کند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات

عنوان مقاله [English]

verification of proton range in proton therapy using conversion of PGT spectrum to prompt γ-ray emission profile.

نویسندگان [English]

  • Zafar Riazi 1
  • Mahnaz Jeddi charvadeh 2
  • Alireza Jokar 1
  • Seyed Amin Seyyedi 2

1 Physics and Accelerator Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, AEOI, P.O.Box: 11365-3486, Tehran – Iran

2 Department of Physics, Payame Noor University (PNU), P.O.BOX: 1939-4697, Tehran, Iran

چکیده [English]

One of the on-line range verification techniques in proton therapy is time -of-flight (TOF) measurement for prompt gamma. In this technique, the prompt gamma timing spectra is measured using the time difference between passage of the particle bunch through the target entrance of the beam and the arrival time of the corresponding prompt γ-ray at the detector.
In this study, homogeneous PMMA phantom and PMMA phantoms with a slice of bone or air cavity were simulated in GEANT4 simulation. These targets were irradiated with a proton pencil beam with an initial energy of 150 MeV, and the resulting PGT spectra was recorded by scintillation detectors.
Then, a code was programmed in MATLAB software to analytically solve the kinematics of proton movement in the phantom, and the PGT spectrum obtained from GEANT4 was given as an input to this software code and the prompt gamma-ray emission profiles was obtained in the phantom.
In this study, the effect of the type and position of the heterogeneous slice on the PGT spectrum and the prompt gamma-ray emission profiles resulting from the PGT transformation was investigated. From the comparison of the prompt gamma-ray emission profile resulting from PGT spectra conversion, with the energy deposition spectra resulting from GEANT4 simulation, it was observed that the range shift and the shift of energy deposition location resulting from an inhomogeneity in PMMA have a significant relationship compared to the reference phantom.
The presence of an inhomogeneous slice of bone and air cavity with a thickness of 10 mm shifts the range of the proton compared to its range in the reference phantom by 4 mm and 9.6 mm, respectively, and the spectra of energy deposition for these states are respectively 4.8 mm and 9.9 mm shifted relative to the energy deposition spectra of the reference phantom. Therefore, the PGT spectra reflects the proton transit time in the target material and provides the possibility of determining the prompt gamma-ray emission profiles and the possibility of confirming the delivery of the dose to the patient's body.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Proton therapy
  • on-line monitoring of the proton range
  • prompt gamma time of flight
  • PGT
  • GEANT4
  1. J M Verburg, H Shih and J Seco, Med. Biol. 57 (2012) 5459.
  2. H Paganetti, Med. Biol. 57 (2012 (R99.
  3. A C Kraan, Oncol. 5 (2015) 150.
  4. J Krimmer, et al., Instrum. Methods. Phys. Res. A. 878 (2018) 58.
  5. A Kitagawa, et al., Sci. Instrum.77 (2006) 03C105.
  6. E Sheldon and D M Van Patter, Rev. Mod. Phys. 38 )1966(
  7. A Wroska, Phys.: Conf. Ser. 1561 (2020) 012021.
  8. F Hueso-Gonzalez, et al., Med. Biol. 63 (2018) 185019.
  9. M Zarifi, et al., Med. 62 (2019) 20.
  10. C Golnik, et al., Med. Biol. 59 (2014) 5399.
  11. E Testa, et al., Phys. Lett. 93 (2008) 093506.
  12. A K Biegun, et al., Med. Biol. 57 )2012) 6429.
  13. J P Jeyasugiththan and W Stephen, Med. Biol. 60 (2015) 7617.
  14. https://nist.gov.
  15. B Kozlovsky, R J Murphy, and R Ramaty, ApJS. 141 )2002) 523.
  16. J M Verburg, et al., Med. Biol. 58 (2013) L37.
  17. G F Knoll, “Radiation Detection and Measurement “, 3nd Edition, John Wiley & Sons. Michigan, USA (1999).

تحت نظارت وف ایرانی