Charged particle interaction with biological materials: modelling and application to ion beam cancer therapy
- Autores: Pablo de Vera Gomis
- Directores de la Tesis: Rafael García Molina (dir. tes.), Isabel Abril Sánchez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universitat d'Alacant / Universidad de Alicante ( España ) en 2016
- Idioma: inglés
- Tribunal Calificador de la Tesis: José Bernabéu (presid.), Clara Illescas Rojas (secret.), Emanuele Scifoni (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Nanociencia y Nanotecnología por la Universidad de Alicante; la Universidad de Castilla-La Mancha; la Universidad de La Laguna; la Universidad Jaume I de Castellón y la Universitat de València (Estudi General)
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: RUA
- Resumen
- español
En esta tesis se presenta un estudio teórico sobre la interacción de partículas cargadas aceleradas con materiales de interés radioterapéutico, con miras a su posible aplicación en el tratamiento del cáncer mediante haces de iones. El trabajo se centra en el cálculo de las probabilidades de interacción electrónica (secciones eficaces de excitación y de ionización) de partículas cargadas (haces de iones y de electrones) con materia condensada, incluyendo materiales inorgánicos y orgánicos de interés para el problema estudiado, así como su uso en programas de simulación de la interacción de la radiación con materiales biológicos. Tras una introducción general (capítulo 1), la primera parte de la tesis (capítulos 2-4) trata sobre el cálculo de las secciones eficaces. El formalismo dieléctrico se ha utilizado para obtener las magnitudes básicas de frenado, tales como el poder de frenado, el straggling en la pérdida de energía, o el recorrido libre medio, para haces de iones y electrones. También se ha desarrollado un método para aplicar el formalismo dieléctrico al cálculo de secciones eficaces de ionización, incluyendo el cálculo de las distribuciones energéticas y angulares de electrones secundarios. Además, se ha implementado una metodología para extender estos cálculos a materiales biológicos arbitrarios, incluyendo blancos complejos, tales como el hueso, el ADN y sus componentes moleculares, proteínas, o compartimentos celulares. Las secciones eficaces obtenidas se han utilizado como dato de entrada en el código de simulación SEICS para la propagación de haces de iones en materia condensada (capítulos 5 y 6). Este programa se ha ampliado para tener en cuenta los efectos específicos sufridos por protones relativistas (correcciones relativistas y reacciones nucleares de fragmentación nuclear) y se ha utilizado para simular situaciones de interés en la terapia del cáncer mediante haces de iones. Mediante el programa de simulación SEICS se ha reproducido una serie de experimentos de irradiación de blancos cilíndricos micrométricos, para poner a prueba el programa, así como para evaluar el poder de frenado de protones en agua líquida (el principal componente de los tejidos vivos). Además, se ha utilizado SEICS para obtener cantidades tales como la dosis en función de la profundidad, los perfiles de dosis lateral, y otras cantidades relacionadas, útiles en terapia. Por último, se han desarrollado técnicas analíticas, en contraste con la técnica de simulación (capítulo 7). Se ha implementado un algoritmo de haces tipo pincel para el cálculo rápido de la dosis, aprovechando los resultados obtenidos con el programa SEICS. Además, se ha desarrollado un modelo analítico para describir la interacción de haces de iones con compartimentos subcelulares realistas. Este modelo es muy útil para evaluar el depósito de energía y el número de ionizaciones producidas en el núcleo y el citoplasma celular, cantidades que son relevantes en radiobiología, ya que la energía depositada en el núcleo puede relacionarse con la probabilidad de muerte celular, mientras que existen otros efectos biológicos relacionados con el depósito de energía fuera del núcleo. Los resultados presentados en esta tesis exploran diferentes procesos físicos implicados en los mecanismos que subyacen a la terapia del cáncer mediante haces de iones.
- English
This thesis presents a theoretical physics study about the interaction of swift charged particles with materials of radiotherapeutic interest, with applications in ion beam cancer therapy. The work focuses on the calculation of probabilities (cross sections) for the electronic interaction (excitation and ionisation) of charged particles (swift ion and electron beams) with condensed materials of interest (including inorganic and organic-biological), and their use in programs for simulating the ion propagation and interaction with biological materials.
After a general introduction (chapter 1), the first part of this thesis (chapters 2 to 4) deals with the calculation of the cross sections. The dielectric formalism has been used to obtain basic electronic slowing down quantities, such as stopping power, energy-loss straggling, mean free path, and others, for ion and electron beams. A methodology has been developed to apply the dielectric formalism to also obtain electron production cross sections, including the calculation of energy and angular distributions of secondary electrons. A methodology has been implemented to extend these calculations to arbitrary biological materials, including complex targets such as cortical bone, DNA and DNA components, proteins, or cell compartments.
Once the cross sections have been obtained, they have been used to feed the simulation code SEICS for ion beam propagation in condensed matter (chapters 5 and 6). The code has been extended to account for the effects of relativistic protons (relativistic corrections and nuclear fragmentation reactions have been implemented), and then it has been applied to simulate situations of interest in ion beam cancer therapy. A set of experiments of irradiation of micrometric cylindrical targets has been reproduced, to benchmark the performance of SEICS and to assess the stopping power of protons in liquid water (the main constituent of living tissues). Also, the SEICS code has been used to obtain quantities such as depth-dose curves, lateral dose profiles, and related quantities, useful for treatment planning.
Finally, analytical techniques have been implemented, in contrast with the simulation techniques (chapter 7). A pencil beam algorithm for fast calculation of depth-dose curves and lateral dose profiles has been programmed, taking advantage of the results obtained with the SEICS code. Also, an anlytical model for ion beam interaction with realistic sub-cellular compartments has been developed. This model is very useful for assessing the energy deposition and number of ionisations produced in the cell nucleus and cytoplasm. Such quantities are very relevant in radiobiology, since the energy deposited in the cell nucleus can be related to cell death, and since other biological effects have been reported regarding energy deposition outside the cell nucleus.
All the results presented in this thesis explore different physical processes involved in the mechanisms underlying ion beam cancer therapy.
- español
