محاسبه دز جذبی ناشی از نوترون‌های ثانویه در روش اسکن نقطه‌ای پروتون‌درمانی با استفاده از نرم‌افزار شبیه‌ساز GATE

نویسندگان

گروه مهندسی هسته‌ای، دانشکده مهندسی انرژی، دانشگاه صنعتی شریف، تهران

چکیده

در طول فرآیند پروتون‌درمانی، در اثر برهم‌کنش‌های هسته‌ای پروتون با مواد موجود در خط انتقال پرتو، نوترون‌های ثانویه تولید می‌شوند. در این مطالعه با استفاده از شبیه‌سازی مونت‌کارلو، دز جذبی ناشی از نوترون‌های ثانویه تولید شده در یک فانتوم RW3 تخمین زده و با مقادیر اندازه‌گیری شده مقایسه شده است. برای این منظور، دز ایجاد شده توسط نوترون‌های تولیدی از برخورد پرتوهای پروتونی با انرژی 100، 150، 200 و 220 مگا الکترون‌ولت با فانتوم، توسط آشکارسازهای کره بونر و شمارگر تناسبی معادل بافت برای موقعیت‌های مختلف در اطراف فانتوم، به‌عنوان تابعی از انرژی، طول ناحیه گسترش قله براگ و ابعاد میدان درمانی بررسی شد. با افزایش انرژی پرتوهای پروتونی از 100 تا 220 مگا الکترون‌ولت، دز ناشی از نوترون‌های تولیدی بسته به موقعیت آشکارساز در اطراف فانتوم تا 50 برابر افزایش مشاهده شد. تأثیر افزایش ابعاد میدان از 2 در 2 به 20 در 20 سانتی‌مترمربع باعث افزایش مقدار دز تا مرتبه 40 برابر برای یک انرژی خاص شد. هم‌چنین با افزایش طول ناحیه گسترش قله براگ تا 5 سانتی‌متر، یک افزایش شدید در مقدار دز مشاهده شد. بعد از 5 سانتی‌متر، روند افزایشی متوقف ‌شده و مقدار دز ناشی از نوترون‌های ثانویه از افزایش طول ناحیه گسترش قله براگ تأثیر نگرفت.
 

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Calculation of secondary neutron absorbed dose in spot scanning proton therapy method using GATE simulator

نویسندگان [English]

  • ali asadi
  • Seyed abolfazl hosseini
  • naser vosoughi
چکیده [English]

During the proton therapy process, secondary neutrons are produced by the nuclear interactions of protons with the materials in the beam transmission line. In this study, the dose due to the secondary neutrons produced in an RW3 phantom was estimated using Monte Carlo simulation and was compared with the measured values. To do this, the neutron dose due to the collision of proton beams with energies of 100, 150, 200 and 220 MeV with the phantom, was investigated by Bonner sphere detectors and a tissue-equivalent proportional counter for different positions around the phantom vs. proton energy, length spread-out Bragg peak and the dimensions of the treatment field. With increasing energy from 100 to 220 MeV, depending on the position of the detector around the phantom, the dose due to neutron was increased up to 40 times. The effect of increasing the field dimensions from 2×2 to 20×20 cm leads to increase the induced dose up to 40 times for a specific energy. Also, with increasing the length of the spread-out Bragg peak up to 5 cm, a sharp increase in the dose was observed; after 5 cm, the increasing trend stopped and the dose amount did not affect the increase in the length of the Bragg peak spread area.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Proton therapy
  • Secondary neutron
  • Monte Carlo
  • Spot scanning
[1] U. Schneider and R. Hälg. The impact of neutrons in clinical proton therapy. Frontiers in Oncology, (2015). 5, 235. [4] A. Pérez‐Andújar, R. Zhang and W. Newhauser. Monte Carlo and analytical model predictions of leakage neutron exposures from passively scattered proton therapy. Medical physics, 40(12) (2013) 121714. [5] Y. Zheng, W. Newhauser, J. Fontenot, P. Taddei and R. Mohan. Monte Carlo study of neutron dose equivalent during passive scattering proton therapy. Physics in Medicine & Biology, 52(15) (2007) 4481. [6] F. Biltekin, M. Yeginer and G. Ozyigit. Investigating in-field and out-of-field neutron contamination in high-energy medical linear accelerators based on the treatment factors of field size, depth, beam modifiers and beam type. Physica Medica, 31(5) (2015) 517-523. [7] A.B. Chilton, J.K. Shultis and R.E. Faw. Principles of radiation shielding. (1984). [8] W.D. Newhauser and R. Zhang. The physics of proton therapy. Physics in Medicine & Biology, 60(8) (2015) R155. [9] P.J. Binns and J.H. Hough. Secondary dose exposures during 200 MeV proton therapy. Radiation protection dosimetry, 70(1-4) (1997) 441-444. [10] S. Agosteo, C. Birattari, M. Caravaggio, M. Silari and G. Tosi, G. Secondary neutron and photon dose in proton therapy. Radiotherapy and oncology, 48(3) (1998) 293-305. [11] G.F. Garcia-Fernandez, E. Gallego, J.M. Gomez-Ros, H.R. Vega-Carrillo, R. Garcia-Baonza, L.E. Cevallos-Robalino and K.A. Guzman-Garcia. Neutron dosimetry and shielding verification in commissioning of Compact Proton Therapy Centers (CPTC) using MCNP6. 2 Monte Carlo code. Applied Radiation and Isotopes, 169(2021) 109279. [12] N. Mojżeszek, J. Farah, M. Kłodowska, O. Ploc, L. Stolarczyk, M.P.R. Waligórski and P. Olko. Measurement of stray neutron doses inside the treatment room from a proton pencil beam scanning system. Physica Medica, 34(2017) 80-84. [13] F. Trompier, S. Delacroix, I. Vabre, F. Joussard, F. and J. Proust. Secondary exposure for 73 and 200 MeV proton therapy. Radiation protection dosimetry, 125(1-4) (2007) 349-354. [14] J. Lillhök, P. Beck, J.F. Bottollier-Depois, M. Latocha, L. Lindborg, H. Roos and F. Wissmann. A comparison of ambient dose equivalent meters and dose calculations at constant flight conditions. Radiation measurements, 42(3) (2007) 323-333. [15] J. Farah, M. De Saint-Hubert, N. Mojżeszek, S. Chiriotti, M. Gryzinski, O. Ploc, F. Trompier, K. Turek, F. Vanhavere and P. Olko. Performance tests and comparison of microdosimetric measurements with four tissue-equivalent proportional counters in scanning proton therapy. Radiation Measurements, 96(2017) 42-52. [16] J. Farah, V. Mares, M. Romero‐Expósito, S. Trinkl, C. Domingo, V. Dufek, M. Klodowska and R.M. Harrison. Measurement of stray radiation within a scanning proton therapy facility: EURADOS WG9 intercomparison exercise of active dosimetry systems. Medical physics, 42(5) (2015) 2572-2584. [17] D. Strulab, G. Santin, D. Lazaro, V. Breton and C. Morel. GATE (Geant4 Application for Tomographic Emission): a PET/SPECT general-purpose simulation platform. Nuclear Physics B-Proceedings Supplements, 125(2003) 75-79. [18] B. Burgkhardt, G. Fieg, A. Klett, A. Plewnia and B.R.L. Siebert. The neutron fluence and H*(10) response of the new LB 6411 rem counter. Radiation Protection Dosimetry, 70(1-4) (1997) 361-364. [19] C.A.O Jing, J.I.A.N.G. Xiaofei, J.I.A.N.G Chunyu, C. Hongrui and Y. Zejie. Calculation of response function for bonner sphere spectrometer based on Geant4. Plasma Science and Technology, 17(1) (2015) 80. [20] D.M.H. Cunningham and K. Bontcheva. Text Processing with GATE (Version 6) (pp. 8-1). University of Sheffield D. (2011). [21] R. Serber. Nuclear reactions at high energies. Physical Review, 72(11) (1947) 1114. [22] C. Schneider, W. Newhauser and J. Farah. An analytical model of leakage neutron equivalent dose for passively-scattered proton radiotherapy and validation with measurements. Cancers, 7(2) (2015) 795-810.