Hadronterapia : simulações da contribuição de processos nucleares para o tratamento de tumores

• Main Author: Burigo, Lucas Norberto
• Other Authors: Hadjimichef, Dimiter
• Format: Others
• Language: Portuguese
• Published: 2011
• Subjects: Radioterapia; Radiação; Simulação de Monte Carlo; Reacoes nucleares
• Online Access: http://hdl.handle.net/10183/28650

A presente dissertação contempla o desenvolvimento e validação de um aplicativo para efetuar simulações de hadronterapia. Este aplicativo foi empregado no estudo das reações nucleares de fragmentação que ocorrem para as energias e partículas envolvidas no tratamento. Estas reações representam a chave para o planejamento, tratamento, e pós-análise de precisão. Inicialmente é realizada uma revisão a respeito do tratamento de tumores profundos utilizando prótons e íons. Os aspectos físicos, biológicos e técnicos da utilização de feixes energéticos destas partículas são discutidos. A situação atual do tratamento e perspectivas são mencionadas. Faz-se também referências às di culdades do planejamento devido a ausência de ferramentas precisas para uma estimativa el da deposição de energia. A sequência do texto contém uma breve revisão dos códigos de Monte Carlo que podem ser adotados para a simulação do tratamento. Uma ferramenta que empregue o método de Monte Carlo é uma viável solução para levar em conta todos os efeitos físicos provocados pelas interações das partículas do feixe com os tecidos biológicos. Neste mesmo contexto, são discutidos os processos físicos relevantes que precisam ser considerados nas simulações de hadronterapia. O código de Monte Carlo Geant4 é, então, apresentado. São descritos os recursos que são utilizados para as simulações do tratamento. Este toolkit foi empregado para o desenvolvimento de um aplicativo, sendo este o primeiro item de originalidade do presente trabalho. O aplicativo desenvolvido é discutido e suas capacidades e funcionalidades são relatadas. Posteriormente, são apresentadas simulações utilizando o aplicativo supracitado. Os resultados são confrontados com dados experimentais e as limitações dos modelos físicos disponíveis são analisadas. O aplicativo demonstra, pela avaliação dos resultados, que: consiste em uma possível ferramenta para as estimativas precisas necessárias para a hadronterapia; é versátil, podendo ser empregado para um amplo intervalo de energias e para diferentes partículas do feixe; as funcionalidades podem ser facilmente estendidas para se moldar à proposta da aplicação devido ao paradigma da orientação a objetos; o problema de tempo computacional para o emprego do método de Monte Carlo no planejamento de tratamento pôde ser contornado com a implementação de processamento paralelo. Além disso, as análises demonstram que os modelos físicos necessitam modi cações na faixa de energia da hadronterapia para realizar uma melhor descrição do processo de fragmentação nuclear. Os resultados originais da dissertação abrem caminho para tornar as simulações em hadronterapia um instrumento de precisão no combate contra tumores situados em localizações que não permitem procedimentos invasivos. === The present master thesis comprises the development and validation of an application to perform a simulation of hadrontherapy. This application was employed in the study of nuclear fragmentation reactions that occur in the energy range and with particles involved in cancer treatment. These reactions are the key to acquire high precision in the planning, treatment and post-analysis of the treatment. A review is initially performed with regard to the treatment of deep seated tumors with beams of protons and ions. The physical, biological and technical aspects of the utilization of energetic beams using these particles are discussed. The current situation of the treatment and perspectives are indicated. In addition, reference is made to the di culties in planning due to the lack of precise tools for an accurate estimative of the energy deposition. The sequence of the text contains a brief review of the Monte Carlo codes that may be used for simulation of the treatment. A tool which would employ the Monte Carlo method shall be a reliable way to determine all the physical e ects caused by the interaction of the particles from the beam with the biological tissues. In this context, relevant physical processes which may be considered in the hadrontherapy simulation are discussed. The Monte Carlo code Geant4 is presented. The resources used for simulation of treatment are described. The toolkit is applied for the development of an application and that is novelty of the present work. The developed application is described and its capabilities and functionalities are listed. At a later moment simulations are presented by utilizing the application. The results are compared to experimental data and the limitations of the available physics models are analyzed. Evaluation of the results indicates that the application represents a useful tool for precise estimations that are needed for the hadrontherapy; further it is versatile and it can be used for a wide range of energies and di erent particles from the beam; moreover the functionalities can be easily extended in order to mold the terms of the application due to the object-oriented paradigm; last the issue regarding computation time for the use of the Monte Carlo method at treatment planning is solved with the implementation of parallel processing. Besides, the analyses indicate that the physics models need to be modi ed in the energy range suited for hadrontherapy, in order to achieve a better description of the process of nuclear fragmentation. These novel results shown in the present thesis open a pathway to make simulation in hadrontherapy a precise instrument to ght tumors located in deep seated areas where an invasive procedure is not be possible.