CNPq / Neste trabalho foram desenvolvidos phantoms para dois protótipos de tomografia com feixe de prótons (pCT). Um phantom foi desenvolvido para um protótipo de um mini tomógrafo utilizando um feixe de prótons de baixa energia, que está sendo desenvolvido na Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR). O protótipo encontra-se em fase de teste no cíclotron CV-28 do Instituto de Engenharia Nuclear (IEN). Dois outros phantoms foram desenvolvidos para um protótipo de pCT no Centro Médico da Universidade de Loma Linda – CA, EUA (LLUMC). Os código GEANT4 e SRIM foram utilizados para simular todos os elementos que compõe os protótipos. Também foram feitos aprimoramentos no protótipo da UTFPR/IEN, entre eles um sistema de controle eletrônico do mecanismo, operado por um programa através de um computador, alteração no sistema de colimação para melhorar a resolução e a reconstrução de imagens obtidas por simulações. Foram realizados testes experimentais de perda de energia de prótons em polietileno de alta densidade (PEAD) no CV-28. Também foi feito experimentos de perda de energia de prótons em camadas de Poliestireno no LLUMC e comparação com dados simulados. Esses dois phantoms em PEAD foram construídos e testados no protótipo do LLUMC e um programa foi desenvolvido para a análise dos dados. / In this work phantoms were developed for two tomographic systems with proton beam (pCT). A phantom was developed for a mini scanner using a low energy proton beam, which is being developed at the Federal University of Technology - Parana (UTFPR) and tested at the CV-28 cyclotron at the Institute of Nuclear Engineering (IEN). Two additional phantoms were developed for the pCT prototype at Loma Linda University Medical Center – CA, USA (LLUMC). SRIM and Geant4 codes were used to simulate all the elements of the prototypes. Improvements were made in the UTFPR/IEN prototype such as electronic control system of mechanism, controlled by a computer program, upgrade in the collimation system to improve the resolution of reconstructed images obtained by simulations. Experimental energy loss tests were done with polyethylene protons of high density (PEAD) in CV-28. Experiments of energy loss in layers of polystyrene at the LLUMC were also done and compared with simulated data. Both phantoms were constructed and tested in the prototype of LLUMC and a program was developed for data analysis.

CAPES / Neste trabalho são apresentadas análises comparativas entre simulações computacionais e dados experimentais para o protótipo de um minitomógrafo com feixe de prótons. A primeira etapa consistiu em elaborar virtualmente dois modelos de phantoms. Foram utilizados programas de simulação baseados no método de Monte Carlo, Geant4 versão 9.4p02 e SRIM 2010. Um phantom foi projetado utilizando polipropileno (PP), água e ar em estrutura tubular. Este phantom em PP é dedicado para estudos em reconstrução tomográfica. O outro modelo de phantom utiliza polietileno de alta densidade (PEAD) em formato de disco com espessuras de 3 mm, 4 mm e 5 mm. Estes são dedicados ao experimento de perda de energia em prótons. Concluída a etapa de simulação, os phantoms foram confeccionados em micro usinagem de precisão. Imagens tomográficas com raios X do phantom em PP foram obtidas no microtomógrafo do Instituto Politécnico da UERJ, para posterior comparação com as simulações. Os phantoms em disco de PEAD foram irradiados com feixe de prótons com energia de 24 MeV no cíclotron do Instituto de Engenharia Nuclear (IEN). As imagens reconstruídas do phantom em PP com dados simulados demonstraram uma boa aproximação da estrutura comparando-as com imagens tomográficas com raios X. O experimento de perda de energia de prótons realizada no IEN demonstrou uma ótima aproximação com dados simulados com Geant4 e SRIM. / In this work comparative analyses between computational simulations and experimental data for the prototype of a proton beam mini-tomograph are presented. The first step was to construct virtually two models of phantoms. Simulation programs were used based on the Monte Carlo method: Geant4 version 9.4p02 and SRIM 2010. A phantom was designed using polypropylene (PP), water and air in tubular structure. This phantom in PP is dedicated to studies in tomographic reconstruction. The other phantom uses high density polyethylene (HDPE) in disk form with thickness of 3 mm, 4 mm and 5 mm. These are dedicated to experiment of energy loss of protons. Once completed the simulation part, the phantoms were constructed with precision machining. X-ray tomographic images of the phantom in PP were obtained with the micro-tomograph of the Polytechnic Institute from UERJ, for later comparison with the simulations. The HDPE disk phantoms were irradiated with 24 MeV energy proton beams at the cyclotron of the Institute of Nuclear Engineering (IEN). The reconstructed images of the phantom in PP with simulated data showed a good approximation of the structure when compared with x-ray tomographic images. The experiment of proton energy loss at IEN showed a great approximation with the simulated data obtained with Geant4 and SRIM.

CAPES / Neste trabalho são apresentadas análises comparativas entre simulações computacionais e dados experimentais para o protótipo de um minitomógrafo com feixe de prótons. A primeira etapa consistiu em elaborar virtualmente dois modelos de phantoms. Foram utilizados programas de simulação baseados no método de Monte Carlo, Geant4 versão 9.4p02 e SRIM 2010. Um phantom foi projetado utilizando polipropileno (PP), água e ar em estrutura tubular. Este phantom em PP é dedicado para estudos em reconstrução tomográfica. O outro modelo de phantom utiliza polietileno de alta densidade (PEAD) em formato de disco com espessuras de 3 mm, 4 mm e 5 mm. Estes são dedicados ao experimento de perda de energia em prótons. Concluída a etapa de simulação, os phantoms foram confeccionados em micro usinagem de precisão. Imagens tomográficas com raios X do phantom em PP foram obtidas no microtomógrafo do Instituto Politécnico da UERJ, para posterior comparação com as simulações. Os phantoms em disco de PEAD foram irradiados com feixe de prótons com energia de 24 MeV no cíclotron do Instituto de Engenharia Nuclear (IEN). As imagens reconstruídas do phantom em PP com dados simulados demonstraram uma boa aproximação da estrutura comparando-as com imagens tomográficas com raios X. O experimento de perda de energia de prótons realizada no IEN demonstrou uma ótima aproximação com dados simulados com Geant4 e SRIM. / In this work comparative analyses between computational simulations and experimental data for the prototype of a proton beam mini-tomograph are presented. The first step was to construct virtually two models of phantoms. Simulation programs were used based on the Monte Carlo method: Geant4 version 9.4p02 and SRIM 2010. A phantom was designed using polypropylene (PP), water and air in tubular structure. This phantom in PP is dedicated to studies in tomographic reconstruction. The other phantom uses high density polyethylene (HDPE) in disk form with thickness of 3 mm, 4 mm and 5 mm. These are dedicated to experiment of energy loss of protons. Once completed the simulation part, the phantoms were constructed with precision machining. X-ray tomographic images of the phantom in PP were obtained with the micro-tomograph of the Polytechnic Institute from UERJ, for later comparison with the simulations. The HDPE disk phantoms were irradiated with 24 MeV energy proton beams at the cyclotron of the Institute of Nuclear Engineering (IEN). The reconstructed images of the phantom in PP with simulated data showed a good approximation of the structure when compared with x-ray tomographic images. The experiment of proton energy loss at IEN showed a great approximation with the simulated data obtained with Geant4 and SRIM.

CAPES / Desde os primeiros trabalhos propondo o uso dos prótons para a construção da imagem, a principal vantagem, sobre os raios X, foi esperada como um resultado da propriedade específica do fluxo de próton em diminuir acentuadamente no fim do alcance da partícula. Esta ideia foi declarada, porém não foi checada. No presente trabalho, esta hipótese foi investigada usando simulação Monte Carlo, com o auxílio do software SRIM-2008, para o caso de um detector que registra pequena parte da energia de saída do próton (detector fino). Primeiramente, foi determinada a espessura do detector para a investigação da perda de energia dos prótons em um objeto de água com 20 cm. Foi estudada a dose absorvida necessária para distinguir dois objetos de água com espessura de 20 cm e 20,1 cm, como função da energia inicial. O resultado foi comparado com os dados obtidos por um detector grosso, que registra energia total de saída. A investigação realizada mostrou que a ideia principal de se trabalhar no fim de alcance dos prótons para a construção da imagem, não é correta quando se utiliza detector fino bem como detector grosso. Em geral, os sistemas de detecção, baseados em medidas de energia total de saída, são preferíveis àqueles que se baseiam em detectores finos. / Since the earliest works proposing the use of protons for imaging, the main advantage of protons over X-rays was expected to be a result of the specific property of the proton flux dropping off very steeply at the end of the particle range. This idea was declared but was not checked. In the present work, this assumption was investigated using the Monte Carlo simulation, with the help of SRIM-2008 software, for the case of a detector that registers only a small part of the proton exit energy (thin detector). First, a thickness of such detector was determined for the investigated water object of 20 cm. Then, it was studied the minimum dose absorbed by an object that is necessary to distinguish two water objects with the thicknesses of 20 cm and 20.1 cm as a function of the initial energy. The results were compared with the case of thick detector that registers the total exit energy. The carried out investigation shows that the principal idea of proton imaging to work near the end of the proton range is not correct in the case of thin detector as well as for thick one. In general, detector systems based on the measurement of the total exit energy are preferable to systems based on thin detectors.

CAPES / Desde os primeiros trabalhos propondo o uso dos prótons para a construção da imagem, a principal vantagem, sobre os raios X, foi esperada como um resultado da propriedade específica do fluxo de próton em diminuir acentuadamente no fim do alcance da partícula. Esta ideia foi declarada, porém não foi checada. No presente trabalho, esta hipótese foi investigada usando simulação Monte Carlo, com o auxílio do software SRIM-2008, para o caso de um detector que registra pequena parte da energia de saída do próton (detector fino). Primeiramente, foi determinada a espessura do detector para a investigação da perda de energia dos prótons em um objeto de água com 20 cm. Foi estudada a dose absorvida necessária para distinguir dois objetos de água com espessura de 20 cm e 20,1 cm, como função da energia inicial. O resultado foi comparado com os dados obtidos por um detector grosso, que registra energia total de saída. A investigação realizada mostrou que a ideia principal de se trabalhar no fim de alcance dos prótons para a construção da imagem, não é correta quando se utiliza detector fino bem como detector grosso. Em geral, os sistemas de detecção, baseados em medidas de energia total de saída, são preferíveis àqueles que se baseiam em detectores finos. / Since the earliest works proposing the use of protons for imaging, the main advantage of protons over X-rays was expected to be a result of the specific property of the proton flux dropping off very steeply at the end of the particle range. This idea was declared but was not checked. In the present work, this assumption was investigated using the Monte Carlo simulation, with the help of SRIM-2008 software, for the case of a detector that registers only a small part of the proton exit energy (thin detector). First, a thickness of such detector was determined for the investigated water object of 20 cm. Then, it was studied the minimum dose absorbed by an object that is necessary to distinguish two water objects with the thicknesses of 20 cm and 20.1 cm as a function of the initial energy. The results were compared with the case of thick detector that registers the total exit energy. The carried out investigation shows that the principal idea of proton imaging to work near the end of the proton range is not correct in the case of thin detector as well as for thick one. In general, detector systems based on the measurement of the total exit energy are preferable to systems based on thin detectors.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada. / In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.

Fundação Carlos Chagas Filho de Amparo a Pesquisa do Estado do Rio de Janeiro / Nessa tese foi feito um estudo preliminar, destinado à elaboração do programa experimental inicial para a primeira instalação da tomografia com prótons (pCT) brasileira por meio de modelagem computacional. A terapia com feixe de prótons é uma forma bastante precisa de tratamento de câncer. Atualmente, o planejamento de tratamento é baseado na tomografia computadorizada com raios X, alternativamente, a tomografia com prótons pode ser usada. Algumas questões importantes, como efeito de escala e a Curva de Calibração (fonte de dados iniciais para planejamento de terapia com prótons), foram estudados neste trabalho. A passagem de prótons com energias iniciais de 19,68MeV; 23MeV; 25MeV; 49,10MeV e 230MeV pelas camadas de materiais variados (água, alumínio, polietileno, ouro) foi simulada usando códigos Monte Carlo populares como SRIM e GEANT4. Os resultados das simulações foram comparados com a previsão teórica (baseada na solução aproximada da equação de transporte de Boltzmann) e com resultados das simulações feitas com outro popular código Monte Carlo MCNPX. Análise comparativa dos resultados das simulações com dados experimentais publicados na literatura científica para alvos grossos e na faixa de energias de prótons usada em medidas em pCT foi feita. Foi observado que apesar de que todos os códigos mostram os resultados parecidos alguns deslocamentos não sistemáticos podem ser observados. Foram feitas observações importantes sobre a precisão dos códigos e uma necessidade em medidas sistemáticas de frenagem de prótons em alvos grossos foi declarada. / In the present work a preliminary research via computer simulations was made in order to elaborate a prior program for the first experimental pCT setup in Brazil. Proton therapy is a high precise form of a cancer treatment. Treatment planning nowadays is performed basing on X ray Computer Tomography data (CT), alternatively the same procedure could be performed using proton Computer Tomography (pCT). Some important questions, as a scale effect and so called Calibration Curve (as a source of primary data for pCT treatment planning) were studied in this work. The 19.68MeV; 23MeV; 25MeV; 49.10MeV e 230MeV protons passage through varied absorbers (water, aluminum, polyethylene, gold) were simulated by such popular Monte Carlo packages as SRIM and GEANT4. The simulation results were compared with a theoretic prevision based on approximate solution of the Boltzmann transport equation and with simulation results of the other popular Monte Carlo code MCNPX. The comparative analysis of the simulations results with the experimental data published in scientific literature for thick absorbers and within the energy range used in the pCT measurements was made. It was noted in spite of the fact that all codes showed similar results some nonsystematic displacements can be observed. Some important observations about the codes precision were made and a necessity of the systematic measurements of the proton stopping power in thick absorbers was declared.