بررسی اثر میدان مغناطیسی بر توزیع دز در یون درمانی با هلیوم به روش MR-Guided Therapy با استفاده از کد مونت کارلوی فلوکا

نوع مقاله : مقاله کنفرانسی

نویسنده

پژوهشکده کاربرد پرتوها، پژوهشگاه علوم و فنون هسته‌ای، کرج، البرز، ایران

چکیده

امروزه جهت بهبود صحت درمان در پرتودرمانی، تلاش‌های بسیاری برای استفاده از تصویر‌برداری همزمان تشدید مغناطیسی به‌دلیل مزایایی چـون ایجاد تمایز بافت نرم مناسب و پرتوهای غیریونیزان آن وجود دارد. از سوی دیگر، پرتودرمانی با یون هلیوم به‌دلیل مزایایی چون پراکندگی جانبی کمتر نسبت به پروتون و دنباله پاره‌های هسته‌ای کمتر نسبت به باریکه‌های کربنی، در حال توسعه است. ایده‌ی استفاده از هـدایت تصویر تشدید مغناطیسی  در درمان با یون هلیوم،  چالش‌هایی را  به‌ همراه  دارد که آشفتگی دز در بدن بیمار  از جمله  این چالش‌هاست‌.  برای  ارزیابی   تغییرات معادل دز یون هلیوم در یک میدان مغناطیسی عمود بر محور باریکه و با انگیزه استفاده در توسعه بالقوه هلیوم درمانی با هدایت تصویر تشدید مغناطیسی (MRI) در آینده،  یک باریکه درمانی  هلیوم و  نیز یک فانتوم آب  همگن با استفاده  از کد مونت  کارلو  فلوکا  شبیه‌سازی  و اغتشاشات دز معادل در راستای محور مرکزی هم‌چنین میزان انحراف و عقب‌گرد باریکه‌های یون هلیوم اولیه در عمق براگ در انرژی‌های مختلف و در حضور میدان‌های مغناطیسی محاسبه شد. درصد تغییرات دز در راستای محور مرکزی در اثر اعمال میدان مغناطیسی در انرژی‌های کمینه، متوسط و بیشینه محاسبه و نشان داده شد که بیشینه تغییرات دز در انرژی MeV/n 5/220 و در عمق cm 9/30  فانتوم  اتفاق  می‌افتد.  هم‌چنین بیشینه عقب‌گرد و انحراف باریکه‌های هلیومی در حضور میدان مغناطیسی 3 تسلا و در انرژیMeV 5/220 به‌ترتیب برابر mm 2/5 و mm 7/4 به‌دست آمد. صحت شبیه‌سازی از طریق راستی‌آزمایی منحنی‌های دز عمقی باریکه‌های یونی هلیوم در یک فانتوم آب با داده‌های تجربی، ارزیابی شد. حداکثر اختلاف مقدار شبیه‌سازی شده با مقدار اندازه‌گیری شده در پیش‌بینی محل قله براگ باریکه‌های هلیومی در آب، در حالت عدم حضور میدان مغناطیسی برابرmm 962/0 بود که نشان از صحت محاسبات مونت‌کارلو انجام‌ شده دارد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Calculation of magnetic field effects on dose distribution in MR-guided Helium Ion-therapy using FLUKA Monte Carlo simulation code.

نویسنده [English]

  • Nahid Hajiloo
Radiation Application Research School, Nuclear Science and Technology Research Institute, Karaj, Alborz, Iran
چکیده [English]

Nowadays, in one hand, the potential clinical application of helium ion beams is being discussed in the literature. In other hand, MR-guided radiotherapy has been welcomed by the radiotherapy oncology community so far. The idea of ​​combining an MRI system with a helium-ion beam delivery gantry has challenges, one of which is the dose changes in the patient's body that occur due to the deviation of the initial beam under a magnetic field. In order to quantitatively evaluate these dose changes, in this study, variation in the depth- and transverse dose profile curves inside a water phantom at therapeutic energies under magnetic fields of 0.35, 1.5 and 3 T were calculated using the FLUKA Monte Carlo code. The percentage of dose fluctuation in the direction of the central axis due to the application of magnetic field at minimum, medium and maximum energies was calculated and it was shown that the maximum dose changes occur at 220.5 MeV / n energy and at a depth of 30.9 cm phantom. Also, the maximum longitudinal retraction and deflection of helium beams in the presence of 3 Tesla magnetic field and at 220 MeV energy were 5.2 mm and 4.7 mm, respectively. To evaluate the accuracy of the simulations, depth-dose curves of helium ion beams in a water phantom were compared with the experimental data without the magnetic field influence. The maximum difference between the simulated and the measured values was 0.962 mm which is less than the permissible limit for predicting the Bragg peak of the ion beam for clinical dosimetry purposes.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Helium ion therapy
  • magnetic field
  • FLUKA Monte Carlo code
  • dose distribution
  1. R. R. Wilson. Radiological use of fast protons. Radiology 47 (1946) 487-491.
  2. D. Schardt, T. Elsässer, and D. Schulz. Heavy-ion tumor therapy: physical and radiobiological Benefits. Rev. Mod. Phys. 82 (2010) 383–425.
  3. M. Jermann. Particle therapy patient statistics https://ptcog.ch/archive/patient_ statistics/ Patient statistics-update Dec2015.pdf (2016).
  4. O. Sokol, E. Scifoni, W. Tinganelli, W. Kraft-Weyrather, J. Wiedemann, A. Maier, D. Boscolo, T. Friedrich, S. Brons, M. Durante, M. Krämer. Oxygen beams for therapy: advanced biological treatment planning and experimental verification. Phys. Med. Biol. 62 (2017) 7798–7813.
  5. T. Tessonnier, A. Mairani, W. Chen, P. Sala, F. Cerutti, A. Ferrari, T. Haberer, J. Debus, K. Parodi. Proton and helium ion radiotherapy for meningioma tumors: a Monte Carlo-based treatment planning comparison. Radiat. Oncol. 13 (2018) 2.
  6. A. Ferrari, P. R. Sala, A. Fasso, J. Ranft, J. FLUKA: A Multi-Particle Transport Code. Stanford University Press, Stanford, 2011.
  7. F. Sommerer, K. Parodi, A. Ferrari, K. Poljanc, W. Enghardt, H. Aiginger. Investigating the accuracy of the FLUKA code for transport of therapeutic ion beams in matter. Phys. Med. Biol. 51 (2006) 4385-98.
  8. M. Akbari, A. Karimian. Monte Carlo assessment of beam deflection and depth dose equivalent variation of a carbon-ion beam in a perpendicular magnetic field. Physica Medica. 61 (2019) 33-43.