محاسبه دوز جذبی از پرتوهای پراکنده مری و تیروئید از

 پروتون­تراپی تومورهای چشم با استفاده از کد

شبیه­ سازی MCNPX

شکوه صفائیان¹، مهدی صالحی باروق^1*، سید پژمان شیرمردی²

1- گروه مهندسی هسته ای، مهندسی پرتو پزشکی، واحد تهران مرکزی، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.

2- سازمان انرژی اتمی ایران، پژوهشگاه علوم و فنون هسته ای، پژوهشکده کاربرد پرتوها، تهران، ایران

چکیده

سابقه و هدف: پروتون درمانی پیشرفته­ترین روش درمان تله­تراپی است. پروتون بیش­ترین انرژی خود را در موقعیتی به نام پیک براگ تخلیه می­کنند. بنابراین برای درمان سرطان، تومور باید در مکان پیک براگ گسترده شده قرار بگیرد. فوتون­ها و نوترون­های پراکنده یک چالش در پرتودرمانی پروتون است. هدف این مطالعه محاسبه دوز فوتون­ها و نوترون­های پراکنده از چشم در پروتون درمانی است.

مواد و روش: در این مطالعه شبیه­سازی براساس کد MCNPX انجام شده است. برای این، تومور کروی با قطر 6/0 سانتی­متر در فانتوم چشم در عمق 5/2 میلی­متری سطح چشم نظر گرفته شده و قله براگ به­طور دقیق در انتهای تومور تشکیل شده است. فانتوم چشم با پروتونی با انرژی MeV 50 تابش­دهی شده است.

نتیجه­گیری: نتایج نشان می­دهد که دوز پراکنده نوترون­ها و فوتون­ها به­علت پروتون درمانی در بافت چشم به­ترتیب14- e 817/8و 13- e 653/1 گری است و دوز مری و تیروئید به­ترتیب برای نوترون­های پراکنده 07- e 037/1 و 08- e 89/2 گری و برای فوتون­ها 08- e 11/5 و 07- e 58/1 گری است.

بحث: نتایج نشان می­دهد که در مری و تیروئید دوز پراکنده ناچیزی دریافت شده است. دوز پراکنده تیروئید نسبت­به مری بیش­تر است که به­خاطر نزدیکی این بافت به محل تابش­دهی است. نتایج نشان داد که کم­تر از 1% کل دوز پروتون به سایر بافت­ها پراکنده شده است.

واژه­های کلیدی: پروتون درمانی، تومورهای چشمی، دوز دریافتی، کد MCNPX، شبیه­سازی

مقدمه

شکل 1:  شماتیکی از مدل طراحی شده

شکل2: نمای از تصویر سه بعدی چشم طراحی شده

با شبیه­سازی فانتوم چشم و تابش­دهی فانتوم با پروتون­هایی با انرژی MeV 50، منحنی براگ به­دست می­آید که در نمودار 1 نشان داده شده است.

نمودار 1: منحنی براگ باریکه پروتون با انرژی MeV 50 (برای یک میلیون ذره)

ملانوما رایج­ترین تومور داخل چشمی است که احتمال آن در سنین بالا بیش­تر است. تومورهای ملانوم به­دلیل وجود ملانوسیت در شبکیه چشم با احتمال 70 درصد در این قسمت به­وجود آمده و رشد می­کنند (21). در این مقاله نیز تومور در بافت داخلی چشم در نظر گرفته شده است و در صورت تغییر مکان تومور و تغییر موقعیت چشمه میزان دوز دریافتی کل در بافت­های مختلف چشم تغییر خواهد کرد در این مقاله موقعیت چشمه به گونه­ای طراحی شده است که تومور بیش­ترین دوز و بافت­های سالم اطراف چشم کم­ترین دوز را دریافت کنند. با استفاده از کارت مش تالی می­توان کانتور انرژی تخلیه شده پروتون­های با انرژیMeV  50 را به­دست آورد که در شکل 3 نمایش داده شده است. در شکل 3 مشاهده می­شود که تمرکز دوز در ناحیه تومور بیش­تر از نواحی قبل و بعد از تومور است. پس از تابش­دهی تومور با پروتون­هایMeV  50 کل دوز دریافتی ناشی از پروتون­ها و ذرات ثانویه در بافت­های مختلف چشم محاسبه شده است. که در نمودار 2 به­صورت نمودار قابل مشاهده است. نتایج حاصل نشان می­دهد که تومور بیش­ترین دوز را دریافت کرده در صورتی­که بافت­های سالم چشم کم­ترین میزان دوز را دریافت کرده است.

شکل3: کانتور انرژی قرار گرفته در واحد حجم محیط برای پروتون­های با انرژی MeV 50

نمودار 2: دوز دریافتی کل (مجموع دوز پروتون­ها و ذرات ثانویه) در بافت­های مختلف چشم برای پروتون­های با انرژی MeV 50

هدف از این شبیه­سازی محاسبه دوز پراکنده ناشی از پروتون درمانی برای اندام­های تیروئید و مری است. در اثر اندرکنش غیر الاستیک پروتون­ها با عناصر سازنده چشم، ذرات ثانویه از جمله نوترون و فوتون­ها تولید می­شوند. مقدار دوز دریافتی توسط اجزای مختلف چشم در هندسه اصلی چشم بررسی شده است. پس از انجام محاسبه­ها لازم­به منظور رسیدن به این هدف چشمه طراحی شده در فانتوم MIRD در کد MCNPX اجرا می­شود چشمه پروتونی شبیه­سازی شده در بازه انرژی توزیعی از 50 تا 70 مگا الکترون ولت مورد تابش­دهی قرار گرفته و ذرات ثانویه ناشی از این تابش توسط کد MCNPX با تالیF6  برحسب گری محاسبه شده است. دوز دریافتی کل که مجموع دوز ناشی از پروتون. ذرات ثانویه فوتون و نوترون در بافت­های مختلف چشم است از تابش­دهی تومور با انرژی 50 مگا الکترون ولت توسط چشمه در کد MCNPX با تالی انرژی به­دست آورده می­شود، نتایج حاصل در جدول 3 و نمودار 3 ذکر شده است. نتایج حاصل بدون در نظر گرفتن فوتون­های نابودی است. پس از مشاهده نتایج دوز پراکنده­ای که تیروئید و مری دریافت نمودن ناچیز و قابل چشم­پوشی است. پروتون درمانی نسبت­به درمان­های قبلی دوز پراکنده کم­تری به بافت­های سالم می­رساند و کیفیت درمان را بهبود می­بخشد.

جدول 3: مقدار دوز پراکنده ناشی از پروتون درمانی چشم در بافت­های مختلف بدن

نمودار3: مقایسه دوز پراکنده نوترون و فوتون بافت­های  مری و تیروئید بر اثر پروتون درمانی چشم

بحث

 در این مقاله ساختار چشم با استفاده از کد شبیه­سازی شده است. برای بالا بردن دقت شبیه­سازی هندسه مورد نظر مش­بندی شده است. منحنی براگ به­دست آمده در انرژی 50 مگا الکترون ولت در شکل 2 نشان داده شده است، همان­گونه که از این شکل دیده می­شود در این انرژی قله براگ در انتهای تومور قرار گرفته است. مشاهده می­شود که با این هندسه و انرژی، قله براگ گسترده شده کل حجم تومور را پوشش می­دهد. براساس شبیه­سازی انجام شده با استفاده از کد شبیه­سازی MCNPX در فانتوم چشم انسان چشمه­ای پروتونی با انرژی MeV 50 برای درمان ملانومای چشمی استفاده شده است. هدف از انجام این تحقیق به­دست آوردن دوز پراکنده مری و تیروئید در اثر پروتون درمانی تومورهای چشمی بوده است. پروتون­ها نسبت­به سایر ذرات باردار انرژی خود را در یک نقطه تخلیه می­کنند که این ویژگی به پزشک اجازه می­دهد که پروتونی با انرژی مناسب انتخاب کنند و پیک براگ حاصل را در منطقه تومور تخلیه کنند. دوز ناشی از فوتون­ها و نوترون­های ثانویه نیز محاسبه شده است. با استفاده از فانتوم MIRD دوز پراکنده ناشی از پروتون درمانی چشم به بافت­های مری و تیروئید مورد بررسی قرار گرفته است. نتایج نشان می­دهد که در مری و تیروئید دوز پراکنده ناچیزی دریافت شده است. پس از تابش­دهی و مشاهده نتایج و مقایسه با فوتون درمانی، صرف­نظر از هزینه­های بالای پروتون درمانی، درمان با پروتون باعث بهبودی قابل توجهی خواهد شد و اثرهای منفی مثل پراکندگی­های ناشی از برهم­کنش ذرات با بافت در این نوع تابش­دهی بسیار ناچیز است. پس از اتمام کار و به­دست آوردن نتایج مشاهده می­شود کم­تر از 1% دوز پروتون به سایر بافت­ها رسیده است و نگرانی­های ناشی از تولید نوترون­ها و فوتون­های ثانویه در اثر برهم­کنش پروتون­ها در بافت تا حدودی قابل چشم­پوشی است. در صورتی­که طراحی درمان مناسبی صورت بگیرد، بهترین درمان حاصل می­شود. درمان سرطان به روش پرتودرمانی دارای عوارض شدیدی مثل درد، مشکل در بلع غذا و مشکل در نفس کشیدن و اسهال و استفراغ است. پروتون درمانی در مقایسه با دیگر روش­های پرتو درمانی عوارض جانبی ذکر شده را برای بیماران کاهش می­دهد.

Rasouli و همکارانش اثرهای عناصر ترکیبی در محاسبه توزیع دوز در پروتون درمانی تومورهای چشمی به­روش مونت­کارلو را در سال 2015 انجام دادند و به نتایج خوبی دست پیدا کردند (22).

استفاده از کد مونت کارلویی فلوکا برای شبیه سازی توزیع دوز پروتون برای فانتوم های آب و مغز توسط Mirzaei و همکارانش در سال 1394 انجام شده است (23).

در سال 2016، Mahdipour و همکارش نیز تحقیقی برای یون درمانی ملانومای چشمی با شبیه­سازی چشم انسان با استفاده از کد  GEANT4انجام دادند. در این تحقیق پیک براگ گسترده شده برای پروتون، آلفا و کربن به­دست آمده و منحنی شار ذرات ثانویه شامل نوترون، فوتون و پوزیترون نیز مورد بررسی قرار گرفته بود. نتایج نشان می­دهد که تیز بودن شدید قله براگ کربن و پهن­شدگی عرضی کم آن، باعث مزیت استفاده از این پرتو در هادرون درمانی شده است، اما معایبی مانند زیاد بودن چگالی نوترون ثانویه را نیز به همراه دارد. با این حال، استفاده از باریکه پروتونی یک انتخاب خوب برای درمان تومورهای بزرگ است (24).

محاسبه دوز جذبی پراکنده ناشی از پروتون درمانی چشم برای نخستین بار در دنیا ارائه شده است اما پروتون درمانی در سه مقاله بالا و دیگر تحقیق­ها برای اندام­ها و بافت­های مختلف بدن صورت گرفته است اما پیک براگ گسترده شده و دوز ناشی از پراکندگی نوترون­ها و فوتون­ها در اکثر تحقیق­ها به­دست آمده است، علت تفاوت با مقاله فعلی تفاوت در نوع کد مونت کارلویی و موقعیت چشمه و این که تفاوت در انرژی چشمه تابش­دهی شده است.

برای مقایسه نتایج از مقاله­ای که در سال 2016، Mahdipour و همکاران برای درمان ملانومای چشمی با شبیه­سازی چشم انسان با استفاده از کد GEANT4 انجام دادند، استفاده شده است. در این  تحقیق پیک براگ گسترده شده برای پروتون، آلفا و کربن به­دست آمده و دوز جذبی پروتون در فانتوم برای پروتون با انرژی 47.8 مگا الکترون ولت و آلفا با  انرژی1/190 مگا الکترون ولت و کربن با انرژی 1060 مگا الکترون ولت به­دست آمده است. نتایج نشان می­دهد که تیز بودن شدید قله براگ کربن و پهن شدگی عرضی کم آن، باعث مزیت استفاده از این پرتو در هادرون درمانی شده است، اما معایبی مانند زیاد بودن چگالی نوترون ثانویه را نیز به­همراه دارد. با این حال، استفاده از باریکه پروتونی یک انتخاب خوب برای درمان تومورهای بزرگ است. بخش­های قابل مقایسه با این تحقیق دوز پروتون در فانتوم چشم شبیه­سازی شده برای باریکه پروتون با انرژی 50 مگا الکترون ولت است. تفاوت­هایی که در مقدار دوز دریافتی مشاهده می­شود به­خاطر تفاوت انرژی و موقعیت چشمه پروتون و  نوع کدی است که فانتوم با آن شبیه­سازی شده است. نشان داده شده که دوز دریافتی در هر دو شبیه­سازی در بافت­های لنز، زلالیه، قرنیه، زجاجیه نزدیک بهم است. در پروتون با  انرژی 50 مگا الکترون ولت دوز دریافتی لنز ^11-10 06/4، زجاجیه ^10-10 68/4، زلالیه ^10-10 66/4، قرنیه ^10-10 44/5 و در پروتون با انرژی 8/47  مگا الکترون ولت دوز دریافتی لنز، زلالیه، زجاجیه به­طور یکسان^11-10 43/23، قرنیه^12-10 6891/20 است.

نتیجه­گیری

دوز نوترون­ها و فوتون­های ثانویه در ناحیه تومور به­ترتیب برابر با ^14-10 75846/2 و ^14-10 27633/8 محاسبه شده است. مشاهده می­شود که شار فوتون­ها در ناحیه تومور بیش­تر از شار نوترون­ها است. هم­چنین دوز کل نیز محاسبه شده است، مقادیر دوز دریافتی کل (مجموع دوز پروتون­ها، نوترون­ها و فوتون­ها) برای بافت­های لنز، زجاجیه، زلالیه، قرنیه، لایه اطراف چشم و تومور به­ترتیب برابرند با ^11-10 59/4، ^10-10 68/4، ^10-10 65/4، ^10-10 54/5، ^10-10 90/2، ^9-10 31/6 مشاهده می­شود که پس از تومور، زجاجیه، زلالیه و قرنیه بیش­ترین دوز را دریافت می­کنند که به­دلیل نزدیکی این بافت­ها به ناحیه تومور است. نتایج محاسبه دوز پراکنده نوترون­ها و فوتون­ها برای بافت مری و تیروئید در جدول 3 ذکر شده است که دوز پراکنده تیروئید نسبت­به مری بیش­تر است که به­خاطر نزدیکی این بافت به محل تابش­دهی است. با توجه­به موقعیت تومور می­توان طراحی درمان­های مختلفی را برای به­دست آوردن مطلوب­ترین درمان به­دست آورد به­گونه­ای که تومور بیش­ترین دوز و بافت­های سالم اطراف آن کم­ترین دوز را دریافت کنند، که در مقاله انجام شده با توجه­به موقعیت تومور مطلوب­ترین طراحی درمان حاصل شده است. مزیت اصلی پروتون­تراپی نسبت­به فوتون­تراپی توزیع جای گزیده دوز آن است. این امر باعث می­شود بافت­های سالم اطراف تومور با کم­ترین میزان آسیب مواجه شوند این ویژگی پروتون درمانی را به­عنوان یک انتخاب مناسب برای درمان­های تومورهای نزدیک بافت­های حساس نظیر نخاع، چشم، تیروئید و مغز می­سازد. استفاده گسترده پروتون در درمان، در مقایسه به­عنوان مثال، فوتون درمانی با شدت مدوله شده، کند بوده است. دلایل متعددی برای کندی پروتون درمانی، از جمله مشکل فنی، هزینه، و ... وجود دارد. هزینه دستگاه­های مورد نیاز پروتون درمانی در مقایسه با دستگاه­های مورد نیاز فوتون درمانی بسیار بیش­تر است. با وجود این موانع، پیشرفت­های زیادی حاصل شده است. در سال­های اخیر، استفاده از پروتون­ها بیش از فوتون­ها در ارائه بسیار همگن و یکنواخت دوز به یک تومور تا حد زیادی پیشرفت در درمان با فوتون را کاهش داده است. براساس مطالعه­های صورت گرفته عوارض مربوط به درمان، از جمله سرطان­های ثانویه، بیماری­های قلبی و عروقی، عوارض باروری، دیگر اثرهای اخیر در بازماندگان سرطان در طولانی مدت بسیار نگران کننده است. به این دلایل، بهره­برداری از قابلیت­های ذاتی حفظ بافت سالم در پروتون درمانی به­منظور کاهش عوارض مربوط به درمان بیماران و سیستم بهداشت و درمان، در حال افزایش است.