23618

NUC2 212

كارشناسي ارشد

مهندسي هسته اي - كاربرد پرتوها

فيزيك

آذر ماه 1402

130 ص.

محمدرضا عبدي

جينت4 , شبيه‌سازي مونت‌كارلو , كوليماتور , منبع اشعه گاما , رتودرماني , پرتودهي

در سال‌هاي اخير توجه زيادي به پرتودهي‌هاي با ميدان پرتوي كوچك و همچنين باريكه‌هاي ميكرومتري شده است، زيرا فرصت ويژه‌اي براي مطالعه رفتار يك سلول و يا گروهي از سلول‌ها و همچنين كاربرد در پرتودرماني ميكروبيم (ريزباريكه) در اختيار محققان قرار مي‌دهند. سينكروترون‌ها رايج‌ترين منبع تابش براي پرتودرماني با باريكه‌هاي ميكرومتري هستند، در عين حال دسترسي به آن‌ها در سراسر دنيا محدود مي‌باشد. هدف از اين پايان‌نامه، طراحي يك چشمه پرتوي گاما به همراه كوليماتوري با شكل ويژه براي شكل‌دهي باريكه پرتوي فوتوني با پهناي كمتر از ميلي‌متر است كه بتواند با حفظ دقت مكاني بالا، يك آهنگ دز بالاي مورد نياز براي پرتودهي نمونه‌هاي سلولي را فراهم كند. در اين پايان‌نامه، با استفاده از يك ابزار شبيه‌ساز به روش مونت‌كارلو به نام GEANT4 و افزونه آن يعني GEANT4-DNA يك كوليماتور به شكل نيمكره حاوي روزنه‌هايي با اندازه‌هاي مختلف (در گسترهµm 15 تاµm 500) شبيهسازي شد تا به منظور امكان‌سنجي توليد ريزباريكه (ميكروبيم) از چشمه‌هاي ايريديوم-192 با اكتيويته بالا مورد استفاده قرار بگيرد. دو ماده سرب و تنگستن براي كوليماتور و همچنين سه حالت چينش چشمه‌ها (تك‌چشمه، سه‌چشمه و پنج‌چشمه) مورد مقايسه قرار گرفت. آهنگ دز در سلول‌هاي آشكارساز براي تمامي حالت‌ها محاسبه گرديد. مهم‌ترين چالش در توليد نتايج قابل اعتماد در اين پژوهش، كوچك بودن روزنه عبور فوتون‌ها در بدنه كوليماتور بود كه در حقيقت، مشكلي با طبيعت متناقض را مطرح مي‌نمود. از سويي بايد روزنه به قدر كافي كوچك مي‌بود كه امكان توليد باريكه با پهناي كمتر از ميليمتر را فراهم مي‌نمود و از سوي ديگر تعداد ذرات رسيده به سلول‌هاي دزيمتر براي فراهم نمودن امكان دستيابي به خطاي آماري قابل قبول در محاسبات مونت‌كارلو بايستي به اندازه كافي بزرگ مي‌بود. خوشبختانه با استفاده از روش‌هاي مختلف كاهش واريانس مانند تكثير ذرات و رولت روسي، شبيه‌سازي‌ها با موفقيت و با خطاي محاسباتي پايين انجام گرفت. براي رسيدن به امكان نتيجه‌گيري، بيش از 300 ران مختلف به وسيله كد GEANT4انجام شد. نتايج نشان دادند كه اندازه روزنه µm 40 و µm 50 داراي پهناي باريكه مناسب (بين µm 230 تا µm 300 بسته به جنس كوليماتور و تعداد چشمه‌ها) و نسبت دز قله به درّه مطلوب مي‌باشند. جنس تنگستن نسبت به ماده سرب در غالب موارد برتري نشان مي‌دهد. آهنگ دز با افزايش چشمه‌ها به تناسب افزايش پيدا مي‌كند كه بسته به كاربرد مورد نظر مي‌توان ميزان فعاليت چشمه‌ها و تعداد آن‌ها را تنظيم نمود. چنين سامانه‌اي قابليت تجاري‌سازي در داخل و خارج از كشور را داشته و طبق تحقيقات اوليه مشابهي در حال حاضر ندارد. بنابراين، نتايج اين پايان‌نامه مي‌تواند مسير را براي ساخت اين كوليماتور و متعاقبا سيستم كامل پرتودهي ميكروبيم هموار سازد. در پايان، پيشنهاداتي نيز براي ادامه مسير ارائه شده است.

GEANT4 , Monte Carlo simulation , Collimator , Gamma-ray source , radiation therapy , Irradiation

Design of gamma ray collimator to generate micron dimensional photon field for preclinical studies in radiation therapy

مهندسي هسته‌اي

In recent years, a lot of attention has been paid to radiations with a small radiation field as well as micrometer beams, because they provide researchers with a special opportunity to study the behavior of a cell or a group of cells, as well as the use in microbeam (microbeam) radiation therapy. Synchrotrons are the most common source of radiation for radiotherapy with micrometer beams, yet their availability is limited worldwide. The aim of this thesis is to design a gamma ray source with a specially shaped collimator to form a photon beam with a width of less than a millimeter, which can provide a high dose rate required for the irradiation of cell samples while maintaining high spatial accuracy. In this thesis, using the GEANT4 Monte Carlo simulation toolkit and its extension, the GEANT4-DNA, a hemispherical collimator containing apertures of different sizes (in the range of 15 to 500 μm) was simulated in order to enable the production of tiny beams (microbeam) from iridium-192 sources with high activity. Two materials, lead and tungsten, were compared for the collimator, as well as three types of sources (single-source, triple-source, and penta-source). The dose rate in detector cells was calculated for all cases. The most important challenge in producing reliable results in this research was the smallness of the photon passage slit in the collimator body, which actually posed a problem with a contradictory nature. On one hand, the slit should be small enough to allow the production of a beam with a width of less than a millimeter, and on the other hand, the number of particles reaching the dosimeter cells should be large enough to allow an acceptable statistical error in Monte Carlo calculations. Fortunately, by using different variance reduction methods such as particle propagation and Russian Roulette, the simulations were successfully performed with very low calculation errors. To reach the possibility of conclusion, more than 300 different runs were performed by GEANT4 code. The results showed that the slit size of 40 µm and 50 µm has a suitable beam width (between 230 µm and 300 µm depending on the type of collimator and the number of sources) and the peak to valley dose ratio is favorable. Tungsten is superior to lead in most cases. The dose rate increases proportionally with the increase of the sources, depending on the desired application, the amount of activity of the sources and their number can be adjusted. Such a system has the ability to be commercialized inside and outside the country, and according to preliminary research, it does not have a similar system at the moment. Therefore, the results of this thesis can pave the way for the construction of this collimator and subsequently the complete microbeam irradiation system. At the end, some suggestions are also provided to continue the path.

5

فرهاد مرادي

خديجه رضايي