بهينه‌سازي ساختار هندسي و تركيب اجزا يك سيستم نوتروني براي درمان به ‌روش گيراندازي نوترون با بور

Optimization of the geometry and composition of a neutron system for treatment by Boron Neutron Capture Therapy

زمينه: در زمينه ي درمان به روش گيراندازي نوترون با بور (BNCT)، يك سيستم نوتروني بهينه پيشنهاد شده است. اين مطالعه (به‌ صورت شبيه‌سازي) براي بهينه‌سازي شكل هندسي و تركيب سيستم نوتروني پيشنهادي و افزايش شار نوترون (فوق حرارتي) براي درمان تومورهاي عمقي انجام شده است. مواد و روش‌ها: سيستمي نوتروني براي BNCT پيشنهاد شد. سيستم مورد نظر شامل چشمه‌ي نوترون Cf252، مجموعه‌اي از كندكننده و بازتابنده نوترون، فيلترها و حفاظ بتوني مي‌باشد. براي گيراندازي نوترون‌هاي سريع، فيلترهاي نوتروني مختلف Fe، Pb، Ni و PbF2 با ضخامت‌هاي مختلف مورد مطالعه و شبيه‌سازي قرار گرفتند. از Li به‌ضخامت يك ميلي‌متر، براي فيلتركردن نوترون حرارتي استفاده شد. از ماده‌ي Bi به‌ضخامت يك سانتي‌متر براي كمينه نمودن شدت اشعه گاما استفاده شد. براي طراحي سيستم و محاسبه مولفه‌هاي نوترون در خروجي سيستم از كد شبيه‌سازي مونت كارلو2.4.0 MCNPX استفاده شد. يافته‌ها: به‌ازاي ضخامت‌هاي مختلفي از فيلترها، شار نوترون براي ناحيه‌هاي سريع، فوق حرارتي و حرارتي در خروجي سيستم محاسبه شدند. همچنين، توزيع فضايي شار نوترون‌هاي سريع، فوق حرارتي، حرارتي و شار گاما در فانتوم سر انسان با حضور بور B10 (با غلظت 40 ميليونيم) در مغز، به‌دست آمدند. محاسبات نشان داد، Pb (حدود يك سانتي‌متر) مناسب‌ترين فيلتر براي گيراندازي نوترون سريع در خروجي سيستم مي‌باشد. با توجه به بالا بودن سطح مقطع جذب نوتروني Li در ناحيه حرارتي، مقدار ضخامت فيلتر Li تعيين گرديد. از Bi، بنا به دلايلي از جمله اينكه حفاظ بسيار مناسبي براي اشعه گاما است و نوترون‌هاي فوق حرارتي را با ضريب انتقال بسيار بالايي از خود عبور مي‌دهد، به‌عنوان فيلتر فوتوني استفاده شد. نتيجه‌گيري: در عمق حدود 2 سانتي‌متر درون فانتوم سر، شار نوترون حرارتي به حد بيشينه‌ي 1-s2-cm 5 10 19/1 مي‌رسد. در عمق مزبور، نسبت شار حرارتي به شار فوق حرارتي حدود سه برابر شده است؛ كه نشان مي‌دهد چنين سيستمي براي درمان تومورهاي در عمق مذكور مناسب‌تر است. با حضور B10 در فانتوم سر، جذب نوترون در اطراف عمق مذكور بيشتر از نواحي ديگر صورت مي‌گيرد و توزيع فضايي شار حرارتي يكنواخت‌تر مي‌شود؛ كه با توجه به LET و RBE بالاي ذرات آلفا و ليتيوم 7 (حاصل از واكنش نوترون با بور) مي‌توان گفت چنانچه توموري در چنين عمقي باشد نسبت به اطرافش بيشتر آسيب مي‌بيند.

Background: In the field of the treatment by Boron Neutron Capture Therapy (BNCT), an optimized neutron system was proposed. This study (simulation) was conducted to optimize the geometry and composition of neutron system and increase the epithermal neutron flux for the treatment of deep tumors is performed. Materials and Methods: A neutron system for BNCT was proposed. The system included 252Cf neutron source, neutron moderator/reflector arrangement, filter and concrete. To capture fast neutrons, different neutron filters Fe, Pb, Ni and PbF2 with various thicknesses were simulated and studied. Li (with 1 mm thick) was used for filtering of thermal neutrons. Bi with thickness of 1 cm was used to minimize the intensity of gamma rays. Monte Carlo simulation code MCNPX 2.4.0 was used for design of the neutron system and calculation of the neutron components at the output port of the system. Results: For different thicknesses of the filters, the fast neutron flux, the epithermal and thermal flux were calculated at the output port of the system. The spatial distribution of the fast neutron flux, the epithermal flux and gamma flux in human head phantom with the presence of 40 ppm of 10B were obtained. The present calculations showed that Pb filter (about 1 cm) at the output port is suitable for fast neutron capture. The thickness of Li filter was determined due to its high absorption cross-section in thermal region. Bi was used as a gamma filter by the reason of it is good for shielding gamma rays, while having high transmission epithermal neutrons. Conclusion: The epithermal neutron flux has enhanced about 38 percent at the output port of the present system, compared with recent system proposed by Ghassoun et al. At 2 cm depth inside the head phantom, the neutron flux reaches a maximum value about . At this depth, the ratio of the thermal neutron flux to the epithermal flux is about three times, that suggests such a neutron system to treat tumors in the proximity of the depth. In the presence of 10B in the brain, at 2 cm depth the neutron absorption takes place more than other areas of the brain, and consequently the thermal flux is depressed uniformly in the head phantom. Due to high LET and RBE of alpha and 7Li particles (obtained by reaction of boron-neutron), the tumor at the mentioned depth is damaged rather than the around.