Calculation of correlation between gamma radiation intensity and Bragg peak position

Terapia protonowa jest nowoczesną metodą leczenia nowotworów wprowadzaną na całym świecie, w tym w Instytucie Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk (IFJ PAN) w Krakowie. Polega ona na niszczeniu tkanek nowotworowych przy pomocy wiązki jonowej. Wiele jej aspektów nadal jednak wymaga ulepszenia, m. in. metody dozymetrii oraz przewidywania efektów ubocznych terapii. Te efekty pojawiają się, gdyż w trakcie terapii napromieniamy zarówno tkanki zdrowe jak i chore, a w trakcie oddziaływania wiązki jonowej z materią powstaje dodatkowo wtórne promieniowanie gamma oraz neutronowe. Wtórne promieniowanie gamma w kontekście terapii protonowej ma szczególne znaczenie poprzez konieczność wprowadzenia korekty w dawce zdeponowanej oraz dodatkowemu napromienieniu zdrowych tkanek. Jednakże na jego podstawie można przewidzieć dokładne położenie piku Bragga, czyli kluczowego miejsca, w którym występuje największa jonizacja i przekaz energii z wiązki protonów do tkanki. W celu obliczenia korelacji między wtórnym promieniowaniem gamma a położeniem piku Bragga w tarczy przeprowadzono szereg obliczeń teoretycznych. Obliczenia wykonano dla tarcz PMMA i modelu ludzkiej tkanki mięśnia szkieletowego, w zakresie energetycznym obejmującym energie dwóch cyklotronów znajdujących się na terenie IFJ PAN (do 230 MeV). W programie SRIM obliczono straty energii dla wiązki protonów w funkcji głębokości penetracji w tarczy. W programie TALYS obliczono zależność energetyczną przekrojów czynnych na produkcję kwantów gamma w oddziaływaniu protonów z różnymi jądrami. Ponadto, napisano program G&N, który pozwolił przeprowadzić analizę otrzymanych wyników i otrzymać zależności: natężenia i energii wtórnych kwantów gamma od głębokości penetracji wiązki protonów w tarczach. Na podstawie analizy wyników stwierdzono, iż w szczególności istnieje zależność między położeniem piku Bragga, a intensywnością emisji kwantu gamma o energii 4,439 MeV charakterystycznego dla 12C. Zidentyfikowano też energie kwantów gamma mogące służyć jako informacja pomocnicza w wyznaczaniu położenia maksimum Bragga oraz scharakteryzowano tło promieniowania gamma powstające podczas oddziaływania wiązki z tarczą biologiczną. Podsumowując, wyznaczono ilościowo i jakościowo korelację między położeniem piku Bragga, a intensywnością emisji wtórnego promieniowania gamma. Zaproponowana metoda teoretycznych obliczeń jest skuteczna, ale wymaga zwiększenia dokładności obliczeń.

The proton therapy is a novel tool in cancer treatment, which is currently being introduced around the World, including the Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) in Cracow. It is based on application of proton beam to cancer tissue destruction. Many of its aspects still requires improvements, such as dosimetry procedures and side effects prediction. Those effects appear because during therapy both healthy and tumor tissues are being irradiated. What is more, secondary neutron and gamma radiation is created while beam interacts with matter. Secondary gamma radiation is important in context of proton therapy, since in addition to necessity of deposited dose correction and extra irradiation of healthy tissues. What is more, based on secondary gamma radiation characterization, position of Bragg peak can be derived. Bragg peak is a key region in irradiated matter where the largest ionization as well as energy transfer from proton beam into target occurs. A number of theoretical calculations have been performed in order to find correlation of secondary gamma intensity and Bragg peak positions. Selected targets PMMA and human skeletal muscle tissue were considered and energy range was adjusted to proton energies used in two cyclotrons in IFJ PAN (to 230 MeV). Using SRIM software energy losses as function of ion range for proton beam were calculated. Using TALYS package, the energy dependence of the cross section for gamma emission in the proton interaction with various targets have been calculated. In order to analyze obtained data, the G&N program was written and relations between intensity and energy of secondary gamma radiation as a function of proton penetration depth in targets were determined. In performed analysis, it was found that there is a relationship between the position of the Bragg peak, and the intensity of gamma emission peak for energy 4.439 MeV, which is characteristic for 12C. Also, other gamma transitions were identified which can be used as additional information in determining the position of the Bragg peak. Gamma ray background produced during interaction between beam and biological target was also characterized.In summary, the correlation between the position of the Bragg peak, and the intensity of the secondary gamma-ray emission was determined both quantitatively and qualitatively. The proposed method of theoretical calculation is effective, however it requires improvement of the accuracy.