Protonlar için bazı biyolojik materyallerde durdurma gücü ve doz hesaplamaları
The stopping power and dose calculations in some biological materials for protons
Yazar: METİN USTA
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ÇAĞATAY TUFAN
Ondokuz Mayıs Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2015
Konu: Biyofizik = Biophysics ; Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine

Özet:
Bu çalışmada protonlar için insana ait farklı organ dokularının durdurma gücü, menzil
ve doz hesaplamaları gerçekleştirildi. Durdurma gücü orta ve yüksek enerji
bölgesinde, menzil ve doz değerleri ise orta enerji bölgesinde ayrı ayrı incelendi.
Orta ve yüksek enerji bölgelerinde bu dokuların durdurma gücü değerleri
dielektrik teori, Bethe-Bloch teorisi içerisinde etkin yük ve etkin ortalama uyarma
enerjisi yaklaşımı ve farklı Monte Carlo yöntemlerini içeren FLUKA, Geant4 ve
MCNPX programları kullanılarak hesaplandı. Bu amaçla, dielektrik teori için Drude
tipi fonksiyon ile dokuların optik enerji kaybı fonksiyonları (OELF) oluşturulurken,
etkin yük yaklaşımında ise yük yoğunluğu için Hartree-Fock-Roothaan (HFR) atomik
dalgafonksiyonları kullanılarak analitik hesaplamalar yapıldı. Elde edilen durdurma
gücü değerleri ile sürekli yavaşlama yaklaşımı (CSDA) kullanılarak menzil değerleri
hesaplandı ve sonuçlar diğer teorik verilerle karşılaştırıldı.
Bunu takiben, proton terapide kullanılan enerji aralığı için FLUKA, Geant4,
MCNPX programlarıyla elde edilen durdurma gücü sonuçları ve analitik olarak elde
edilen durdurma gücü sonuçlarının Geant4 içerisinde kullanılmasıyla bu dokuların doz
hesaplamaları yapıldı. Hesaplanan doz ve menzil değerleri, in vivo doz ve menzil
doğrulama yöntemlerinden biri olan ve FLUKA programıyla gerçekleştirilen ani gama
sayımları sonuçlarıyla karşılaştırıldı.
Referans değerlerle en iyi uyum oranını orta enerji bölgesinde dielektrik teori
değerleri, orta ve yüksek enerji bölgesinde ise FLUKA değerleri verdi. Analitik ve
Monte Carlo yöntemleri kullanılarak elde edilen menzil değerleri SRIM programı
sonuçlarıyla genel olarak uyumlu olup, enerjiyle doğrusal olarak değiştiği gözlendi.
Gama menzil değerleriyle en iyi uyumu MCNPX programının verdiği bulundu. Bu
uyum oranını sırası ile FLUKA, Geant4, etkin yük yaklaşımı ve dielektrik teori
değerleri gösterdi.

Abstract:
In this study, the stopping power, range and dose calculations of the various human
organ tissues were performed for protons. Stopping power was analyzed in medium
and high energy region while range and dose values were analyzed separately in
medium energy region.
The stopping power values of which one tissues were calculated using the
dielectric theory, effective charge and average excitation energy approach into Bethe-
Bloch theory, and the FLUKA, Geant4 and MCNPX programs containing different
Monte Carlo method in medium and high energy regions. For this purpose, the
analytical calculations were performed that the charge density was made using
Hartree-Fock-Roothaan (HFR) atomic wavefunctions in the effective charge
approximation while the optical energy loss function (OELF) of the tissues with Drude
type function were occurred for dielectric theory. The range values were calculated by
continuous slowing down approach (CSDA) with the obtained stopping power values
and the results were compared with other theoretical data.
Subsequently, the dose calculation of these tissues for the range of the energy
used in proton therapy were performed using the FLUKA, Geant4, MCNPX programs,
as the analytically obtained stopping power results put into Geant4. The calculated
dose and the range values were compared with the prompt gamma counting results
which one of the in vivo dose and range verification method and performed by FLUKA
program.
The best compliance rate with the reference value, the dielectric theory of values
gave in the intermediate energy region and the FLUKA values in the intermediate and
high energy region. The obtained range values using analytical and Monte Carlo
methods are generally agree with the SRIM program results, it was observed that
changes linearly with energy. It was found that the MCNPX program give to the best
fit with the gamma range value. This compliance rate showed with the order FLUKA,
Geant4, the effective charge approach and the dielectric theory.