Proton terapide kullanılacak toroidal gentrinin fluka ile benzetimi

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