ارزیابی محافظهای نانو کامپوزیت بیسموت نوترکیب در توموگرافی کامپیوتری سر و گردن با دو روش تجربی و شبیه سازی مونته کارلو

خلاصه فارسی

مقدمه: یکی از کاربردهای نانو ذرات، بهکارگیری آنها در ساخت محافظهای پرتوایکس میباشد. در آزمونهای سیتیاسکن 1 سر و گردن ارگانهای حساس به پرتو یعنی عدسی چشم و غده تیروئید در میدان اصلی پرتو قرار میگیرند. در این مطالعه به بررسی کارایی محافظهای سیلیکونی نانو اکسید بیسموت، تنگستن و قلع جهت کاهش مقادیر دوز دریافتی این ارگانها در آزمون سیتیاسکن سر و گردن پرداختهشدهاست. مواد و روشها: ابتدا توسط شبیهسازی مونتهکارلو کد MCNPX2 ضرایب تضعیف نانو اکسید بیسموت، تنگستن و قلع مورد مطالعه قرار گرفتند. سپس محافظهای نانو اکسید بیسموت و تنگستن با نسبت جرمی 10 % در ماتریس سیلیکونی با ضخامتهای 1 ، 2 و 4 میلیمتر طراحی و ساخته شدند. دوزیمتری توسط دوزیمتر قلمی در لایهی سطحی انجام گردید. ارزیابی کیفیت تصاویر سیتیاسکن با محاسبه عدد سیتی و نویز انجام شد. یافتهها: مقایسه شبیهسازیهای شیلد سربی در دو کد مونته کارلو و دیتاهای استاندارد XCom NIST3 صحت هندسه شبیهسازی مونتهکارلو را تأیید کرد. علاوه بر ضریب تضعیف سه پارامتر مهم عدد اتمی مؤثر، لایه نیم جذب و نسبت پراکندگی کامپتون به فوتوالکتریک نیز محاسبه و تطابق آنها با یکدیگر و ضریب تضعیف جرمی مشاهده گردید. این انطباق روند مخصوصاً در انرژیهای لبه جذب K4 کاملاً مشهود است. همچنین در محافظهای دوفلزی اثر پنجره لبه جذب نیز مشاهده گردید. استفاده از محافظهای نانو اکسید سیلیکونی حاوی 10 درصد نانو اکسید بیسموت و تنگستن در آزمون سیتیاسکن سر و گردن باعث کاهش دوز چشم و غده تیروئید به ترتیب حداکثر به میزان 20 و 22 درصد شد. مقدار متوسط افزایش نویز تصویر در سه ناحیه قدامی، میانی و خلفی با استفاده از محافظ بیسموت 10 % با ضخامت یک میلیمتر نسبت به حالت بدون محافظ در سیتیاسکن سر و گردن به ترتیب حدود 11 و 35 درصد بود. بحث و نتیجهگیری: نتایج مونته کارلو نشان داد که نانواکسیدهای بیسموت، تنگستن و قلع هر کدام توانایی تضعیف بهتر پرتو در بازه انرژی بعد از لبه جذب خود را دارا هستند. بررسی نتایج آزمونهای عملی سیتیاسکن این مورد را تأیید کرد و نشان داد که استفاده از محافظهای سیلیکونی نانو اکسید بیسموت و تنگستن میتوانند در آزمون سیتیاسکن سر و گردن، ضمن حفظ ارزش تشخیصی تصویر، باعث کاهش قابل قبولی در دوز رسیده به چشم و غدهی تیروئید شوند.

عنوان انگليسی

Evaluation of the New Bismuth Nanocomposite Shields in Head and Neck Computed Tomography with Two Experimental Methods and Monte Carlo Simulation

خلاصه انگلیسی

Introduction: One of the applications of nanoparticles is their use in the manufacture of X-ray shields. In the head and neck CT scans, radiation-sensitive organs, the lens of the eye and the Thyroid gland, are located in the main field of radiation. Therefore, the use of shields to reduce the absorbed dose to these organs is very important. In this study, we investigated the effectiveness of Bismuth, Tungsten and Tin nano-oxide silicon shields to reduce the dose received by these organs in the the head and neck CT scan. Methods: At first, attenuation coefficients and other attenuation parameters of Bismuth, Tungsten and Tin nanoparticles were studied by the MCNPX Monte Carlo radiation transport code. Finally, Bismuth and Tungsten nano-oxide nanoparticles, with 10% ratios in silicon matrix were selected and designed and manufactured with thicknesses of 1, 2 and 4 mm. Dose measurement was performed by a pencil-shaped ionization chamber on the surface layer. The standard CTDI phantom of the head was used for dosimetry. The quality of CT scan images was evaluated by calculating CT number and noise. Statistical analysis was performed using SPSS v26 software with t-test. Results: Comparison of lead simulations in Monte Carlo and XCom NIST standard data confirmed the accuracy of the geometry. In addition, on the attenuation coefficient of three important points, the half-adsorption layer and the Compton scattering to photoelectric ratio were calculated to their compliance with the composition and mass attenuation coefficient. This process adaptation is especially evident in the energies of the K edge absorption. The effect of the K edge window was also observed in bimetallic shields. The use of silicon nano-oxide shields containing 10% Bismuth and Tungsten nano-oxide in the head and neck CT scan reduced the dose to the eye and thyroid gland by a maximum of 20% and 22%, respectively. The average amount of image noise increase in the three anterior, middle and posterior regions using a 10% Bismuth shield with a thickness of 1mm compared to the unshielded mode in the head and neck CT scan was about 11 and 35%, respectively. Conclusion: Monte Carlo results showed that Bismuth, Tungsten and Tin nanoparticles each have a better attenuation of the beam in the energy range after their absorption edge. Evaluation of the results of CT scan tests confirmed this and showed that Bismuth and Tungsten nano-oxide silicone shields can cause an acceptable dose reduction of the eyes and thyroid gland in the head and neck CT scan, while maintaining the diagnostic value of the image.

Document Downloads