Geri Dön

Simulation of a toroidal gantry for proton therapy by fluka

Proton terapide kullanılacak toroidal gentrinin fluka ile benzetimi

PDF İndir

  1. Tez No: 900092
  2. Yazar: MOSLEH ALI MOHAMMAD
  3. Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET BEKTAŞOĞLU
  4. Tez Türü: Doktora
  5. Konular: Fizik ve Fizik Mühendisliği, Physics and Physics Engineering
  6. Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
  7. Yıl: 2024
  8. Dil: İngilizce
  9. Üniversite: Sakarya Üniversitesi
  10. Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
  11. Ana Bilim Dalı: Fizik Ana Bilim Dalı
  12. Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
  13. Sayfa Sayısı: 113

Özet

Radyasyon, uzayda veya madde içerisinde elektromanyetik dalga veya parçacık olarak enerji yayımı veya aktarımıdır. Radyasyon, enerjisine bağlı olarak iyonizan ve iyonizan olmayan olmak üzere iki ana kategoriye ayrılır. Günümüzde radyasyon tıp, endüstri, tarım ve elektrik üretimi gibi birçok alanda insanlığın hizmetindedir. İyonizan radyasyonun kanser tedavisinden kullanılması radyoterapi olarak isimlendirilir. Geleneksel radyoterepide yüksek enerjili fotonlardan yararlanılırken, günümüzde fotonların kullanıldığı terapinin yanı sıra proton ve karbon iyonları gibi yüklü parçacıklar aracılığıyla tümörlü hücrelerin ortadan kaldırılması uygulamaları artmaktadır. Genel olarak hadron terapi adı verilen bu tedavi yönteminde demet olarak proton kullanılması halinde uygulama proton terapi olarak isimlendirilir. Öte yandan, bu tür terapide kullanılan sistemler geleneksel radyoterapikilerle karşılaştırıldığında daha karmaşık, büyük ve pahalı olabilmekte, bu da böyle sistemlerin her merkezde kullanılabilme olanağını ortadan kaldırmaktadır. Hadron terapide hadronların karakteristik derin-doz dağılımlarından faydalınılır. Yüksek enerjili fotonların kullanıldığı geleneksel radyoterapide fotonlar maddeyle etkileşim mekanizmaları sebebiyle tümörlü dokuların yanı sıra sağlıklı dokulara da zarar verebilirler. Hadronlar ise madde içerisinde ilerlerken ortama az miktarda enerji aktarımı yaparlar. Bu parçacıkların madde içindeki yolculukları sona ermek üzere iken ortama enerji aktarımı maksimum düzeye çıkar ve bu da madde içerisindeki derinliğe bağlı hadron enerji depolanması eğrisinde Bragg piki adı verilen bir tepe oluşturur. Bu kesin enerji depolanması sürecinde tümörlü hedef dokulara aktarılan enerji en üst düzeydeyken çevredeki dokulara verilen zarar en az mertebede olur. Hadron terapinin kanser tedavisinde kullanımının yukarıda bahsedilen üstünlüklerine rağmen bazı dezavantajları mevcuttur. Bunların arasında tedavi merkezlerindeki hadron hızlandırıcı ünitesi ile hadronların hedefe yönlendirilmesi ve hedefin çeşitli yönlerden bombardıman edilmesi için kullanılan sistemlerin (gentri) geleneksel radyoterapidekilere kıyasla çok daha büyük, karmaşık, ağır ve pahalı olması sayılabilir. Bu tür sebeplerden dolayı dünya genelinde hadron terapiden yararlanarak kanser tedavisi uygulayan merkezlerin sayısı geleneksel radyoterapi kullanan merkezlerin sayısına göre oldukça azdır. Proton terapi merkezleri ile karbon gibi ağır iyon kullanan merkezler karşılaştırıldığında ise proton terapi merkezlerinin sayısının çok daha fazla olduğu söylenebilir. Proton terapide kullanılan gentriler ağır iyon demetleri için kullanılanlarla karşılaştırıldığında daha küçük hacimli ve hafiftirler. Ancak yine de çapları metrelerce ve kütleleri 100 tonun üzerinde olabilmektedir. Bu gentrilerin boyutlarının küçültülmesi ve/veya kütlelerinin azaltılması yukarıda bahsedilen bir takım olumsuzlukların ortadan kaldırılmasına olanak sağlayacağı açıktır. Bu amaçla mevcut gentrilere alternatifler geliştilmeye çalışılmaktadır. Bunlardan bir tanesi de süperiletkenler aracılığıyla daha küçük ebat ve kütleye sahip olacak şekilde tasarlanmış GaToroid adı verilen gentridir. Bu sistem büyüklük, kütle ve fiyat açısından muadillerine göre avantajlı olmanın yanı sıra sabit yapısı aracılığıyla hastayı döndürmeden hedefi farklı açılardan bombardıman etme olanağı sağlayacak şekilde planlanmıştır. Toroidal tasarım ile birlikte süperiletken teknolojinin kullanılması hadron terapide kullanılan gentrilerin büyüklük ve kütle açısından giderek daha avantajlı hale gelmesini sağlar. Bunlara örnek olarak GaToroid adı verilen yeni geliştirilmiş bir gentri verilebilir. GaToroid kütle ve fiyat açısından muadillerine göre avantajlı olmanın yanı sıra sabit yapısı aracılığıyla karmaşık döndürme mekanizmalarına veya hastayı döndürmeye gerek kalmadan hedefin farklı açılardan bombardıman edilmesine olanak sağlayacak şekilde planlanmıştır. Toroidal mıknatıslarla çevrelenmiş bir merkez içine GaToroid ekseni boyunca yerleştirilmiş bir hasta, farklı yönlerden ve farklı enerjilerle gelen yüklü parçacıklar tarafından bombardıman edilir ve bunların değişken manyetik alan aracılığıyla hedef bölgeye odaklanmaları sağlanır. Bu tez çalışmasında yukarıda bahsi edilen yeni tür gentry GaToroid, bir Monte Carlo benzetim programı olan FLUKA ile incelenmiştir. Tezdeki akış ana hatlarıyla aşağıda verilmektedir. Tezin ilk bölümünde foton, yüklü parçacıklar ve nötron gibi radyasyon çeşitlerinin maddeyle etkileşim türleri özetlenmiş, durdurma gücü (stopping power), menzil (range), lineer enerji transferi (LET) gibi terimler hakkında genel terorik bilgi verilmiştir. İkinci bölüm hadron terapide kullanılan hızlandırıcı çeşitleri ve demet kontrol sistemleri ile çalışmasının konusunu oluşturan GaToroid isimli gentri konusunda bilgi içermektedir. Üçüncü bölüme toroidal koordinatlardan bahsedilerek giriş yapılmıştır. Bu çalışmadaki temel amaçlardan biri farklı enerjilere sahip protonların GaToroid içinde saptırılarak tümörlü bölgeyi temsil eden bir noktaya odaklandırılmasının sağlanmasıdır. Bunun için gentri içinde enerjileri farklı protonların farklı şekilde sapmasına olanak sağlayacak sabit olmayan bir manyetik alana ihtiyaç duyulur. Bu bölümün geri kalan kısmında yukarıda sözü edilen türdeki bir manyetik alan bilgisine ulaşmak amacıyla kullanılan teknik özetlenmiştir. Tezin dördüncü bölümünde GaToroid'in özellikleriyle beraber, FLUKA benzetim programı ve Flair arayüzü hakkında genel bilgi yer almaktadır. Tıp, kozmik ışınlar ve zırhlama gibi birçok kullanım alanına sahip FLUKA, radyasyonun madde içerisindeki etkileşim ve taşınımını simüle eder. Bu kısımda ayrıca GaToroid ile aynı ölçülere sahip bir kopyasının Flair programıyla tasarlanmasının ara aşamaları genel hatlarıyla verilmiştir. FLUKA programında kullanılan kartlar ve manyetik alan tanımlaması konusunda bilgi yine bu bölümde bulunmaktadır. Tezin sonuçlar kısmında toroidal gentri için hesaplanan manyetik alanın proton demeti üzerine etkisi analiz edilmiştir. Farklı enerjilerindeki protonların izomerkez adı verilen tedavi noktasına odaklanabilmesi hızlandırıcıdan gelen proton demetlerinin GaToroid'e giriş açıları tespit edilmiştir. Son olarak da toroidal gentrinin performans değerlendirmesi doz dağılımı, lineer enerji transferi ve enerji depolanması gibi niceliklerlerin analiziyle yapılmıştır. Son bölümde ise bu çalışmadan elde edilen ana bulgular sunulmuş, toroidal gentrinin klinik uygulamalarda kullanım potansiyeli tartışılmış ve gelecekte bu konuda yapılabilecek çalışmalar konusunda kısa bilgi verilmiştir

Özet (Çeviri)

Proton therapy, a rapidly evolving cancer treatment, utilizes high-energy protons to precisely target tumors. This approach minimizes damage to healthy tissue compared to conventional x-ray therapy due to the Bragg Peak phenomenon, where protons deposit most of their energy at a specific depth. This research investigates a novel design for a proton therapy gantry using FLUKA, a powerful software program for simulating particle transport. The study begins by providing a foundational understanding of hadron therapy, encompassing the treatment process, accelerator types, and the beam delivery systems involved. Following this introduction, it delves into the core principles of radiation physics relevant to proton therapy. This includes understanding how photons and charged particles interact with matter, how stopping power influences beam penetration, how dose is calculated to determine treatment effectiveness, and the significance of the Bragg Peak for targeted therapy. The core of the research focuses on simulating a toroidal gantry design for proton therapy using FLUKA. This distinctive gantry design employs a donut-shaped magnetic field to steer the proton beam. The simulation process involves constructions of a detailed geometrical model of the treatment setup, including the toroidal gantry, patient, etc., within FLUKA. Furthermore, the specific parameters of the proton beam, such as energy, initial direction, and intensity, are defined. A critical aspect of the work is the method developed to calculate the multipolar moments of the toroidal magnetic field, which is then integrated into the simulation tool to assess the field's impact on the proton beam. The analysis of the simulation results encompasses several key aspects. First, the calculated magnetic field is compared to the designed field to ensure its accuracy and stability, which are critical for precise beam control. Second, the simulation evaluates how the magnetic field deflects the proton beam and how launch angles need to be adjusted to ensure the beam converges at the precise location within the patient targeted for treatment (isocenter). Furthermore, the simulation calculates the distribution of the deposited dose within the patient and analyzes the LET (Linear Energy Transfer), which describes the amount of energy deposited by the protons per unit track length. This information is crucial for understanding the biological effects of radiation on tumor cells. Finally, the simulation assesses the overall performance of the toroidal gantry design by evaluating factors like energy deposition patterns within the tumor and surrounding tissues. This analysis helps determine the accuracy of beam targeting and the potential for achieving highly conformal dose delivery, minimizing damage to healthy tissue. In conclusion, this research utilized FLUKA software to simulate a novel toroidal gantry design for proton therapy. The study explored the fundamental principles of hadron therapy and radiation physics and analyzed the magnetic field, proton beam deflection, dose distribution, and treatment accuracy within the simulated toroidal gantry. The findings from this research can pave the way for further development and exploration of this innovative design for improved precision and effectiveness in proton therapy. Future research directions could involve exploring the potential clinical applications of the toroidal gantry design and conducting further investigations to optimize its performance for enhanced patient outcomes.

Benzer Tezler

  1. Tez No

    478663

    Numerical simulation of multiphase flows under electrohydrodynamics effects

    Elektrohidrodinamik etkiler altında çok fazlı akımların sayısal simülasyonu

    AMIN RAHMAT

    Doktora

    İngilizce

    İngilizce

    2017

    Mekatronik MühendisliğiSabancı Üniversitesi

    Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. MEHMET YILDIZ

  2. Tez No

    329372

    Mekanik preslerde kullanılmaya uygun bir sürekli değişken aktarma organının tasarımı ve analizi

    Design and analysis of a continuously variable transmission appropriate for using in mechanical presses

    AHMET YILDIZ

    Yüksek Lisans

    Türkçe

    Türkçe

    2013

    Makine MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. OSMAN KOPMAZ

  3. Tez No

    312242

    Zaman-frekans dağılımları ve kesirli Fourier dönüşümü ile yeni haberleşme ve uyarlanır sistem tasarımları

    New communication and adaptive system designs by time-frequency distributions and fractional Fourier transform

    SULTAN ALDIRMAZ

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2012

    Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik Üniversitesi

    Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    DOÇ. DR. LÜTFİYE DURAK ATA

  4. Tez No

    860370

    Yeni bir plazma cihazı tasarımı ve imalatı

    Design and implementation of a new plasma device

    BEKİR DURSUN

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2024

    Mühendislik BilimleriGazi Üniversitesi

    Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. EROL KURT

  5. Tez No

    302443

    Nano-kristal toroid manyetik çekirdeklerde histeresis eğrisinin modellenmesi

    Modelling of the hysteresis curve of nanocrystalline magnetic toroidal cores

    MUHAMMED CÜNEYT HACIİSMAİLOĞLU

    Doktora

    Türkçe

    Türkçe

    2011

    Fizik ve Fizik MühendisliğiUludağ Üniversitesi

    Fizik Ana Bilim Dalı

    PROF. DR. NAİM DEREBAŞI

Geri Dön