نوع مقاله : پژوهشی

نویسندگان

1 بخش مهندسی هسته‌ای، دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه شیراز، شیراز، فارس، ایران

2 مرکز تکنولوژی پیشرفته امواج فوتوآکوستیک، دپارتمان مهندسی مکانیک، دانشگاه تورنتو، تورنتو، کانادا.

چکیده

در این مطالعه، رفتار تضعیف و پراکندگی فوتون‌ها در بافت کبد سالم و سرطانی با استفاده از نمودارهای ضریب تضعیف خطی (μ)، شدت پراکندگی تفاضلی و سهم فرآیندهای فیزیکی مختلف بررسی شده است. نتایج نشان می‌دهند که ضریب تضعیف خطی در دو نوع بافت کبد بسیار به هم نزدیک است و تنها در محدوده انرژی زیر keV 50 تفاوت‌های جزئی مشاهده می‌شود. در انرژی‌های پایین، فرآیند فوتوالکتریک نقش اصلی را در تضعیف بازی می‌کند، اما با افزایش انرژی، سهم آن کاهش یافته و پراکندگی کامپتون غالب می‌شود. منحنی‌های پراکندگی فوتون keV 20 نیز تطابق خوبی با پیش‌بینی‌های نظریه کامپتون و فرمول کلین–نشینا دارند؛ به‌طوری‌که شدت پراکندگی با افزایش زاویه کاهش می‌یابد و تفاوت‌های اندکی میان بافت‌های سالم و سرطانی در زوایای کوچک مشاهده می‌شود. تحلیل سهم هر فرآیند فیزیکی در تضعیف نشان می‌دهد که در انرژی‌های بالاتر از keV 50 ، پراکندگی کامپتون بیش از 90٪ از تضعیف کلی را شامل می‌شود، در حالی که سهم فرآیندهای فوتوالکتریک و رایلی بسیار ناچیز است. همچنین، نسبت ضریب تضعیف بافت سرطانی به بافت سالم با افزایش انرژی کاهش می‌یابد، به طوری که در انرژی keV 15 این نسبت به حدود 1/1 می‌رسد و در keV 50 به 03/1 می‌رسد. این نتایج نشان می‌دهند که استفاده از انرژی‌های پایین‌تر (حدود keV30 تا 15) می‌تواند به بهبود کنتراست تصویری در تشخیص تومورهای کبدی کمک کند. بنابراین، یافته‌های این مطالعه می‌توانند به عنوان مبنایی برای بهینه‌سازی پروتکل‌های تصویربرداری پزشکی در تشخیص زودهنگام سرطان کبد مورد استفاده قرار گیرند.

کلیدواژه‌ها

[1] Singh VP, Shirmardi SP, Medhat ME, Badiger NM. Determination of mass attenuation coefficient for some polymers using Monte Carlo simulation. Vacuum. 2015 Sep 1;119:284-8.
[2] Fatima Z, Ali N, Williams MA, Dhar S, Maqbool M. X-ray scattering and attenuation cross-sections and coefficients of bone, brain, lung, fat, and soft tissue for applications in dosimetry, cancer detection, and treatment. Radiation Physics and Chemistry. 2023 Jul 1;208:110908.
[3] Dehghani H, Srinivasan S, Pogue BW, Gibson A. Numerical modelling and image reconstruction in diffuse optical tomography. Philosophical Transactions of the Royal Society A: Mathematical, Physical and Engineering Sciences. 2009 Aug 13;367(1900):3073-93.
[4] Nuyts J, De Man B, Fessler JA, Zbijewski W, Beekman FJ. Modelling the physics in the iterative reconstruction for transmission computed tomography. Physics in Medicine & Biology. 2013 Jun 5;58(12):R63.
[5] Duvauchelle P, Freud N, Kaftandjian V, Babot D. A computer code to simulate X-ray imaging techniques. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms. 2000 Sep 1;170(1-2):245-58.
[6] Maire E, Withers PJ. Quantitative X-ray tomography. International materials reviews. 2014 Jan;59(1):1-43.
[7] Kaczmarczyk GP, Cała M. Possible Application of Computed Tomography for Numerical Simulation of the Damage Mechanism of Cementitious Materials—A Method Review. Buildings. 2023 Feb 22;13(3):587.
[8] Bravin A, Keyriläinen J, Fernández M, Fiedler S, Nemoz C, Karjalainen-Lindsberg ML, Tenhunen M, Virkkunen P, Leidenius M, Von Smitten K, Sipilä P. High-resolution CT by diffraction-enhanced x-ray imaging: mapping of breast tissue samples and comparison with their histo-pathology. Physics in Medicine & Biology. 2007 Mar 29;52(8):2197.
[9] Stuppy WH, Maisano JA, Colbert MW, Rudall PJ, Rowe TB. Three-dimensional analysis of plant structure using high-resolution X-ray computed tomography. Trends in plant science. 2003 Jan 1;8(1):2-6.
[10] Kakinuma R, Moriyama N, Muramatsu Y, Gomi S, Suzuki M, Nagasawa H, Kusumoto M, Aso T, Muramatsu Y, Tsuchida T, Tsuta K. Ultra-high-resolution computed tomography of the lung: image quality of a prototype scanner. PloS one. 2015 Sep 9;10(9):e0137165.
[11] Bal CS, Kumar A, Chandra P, Dwivedi SN, Mukhopadhyaya S. Is chest x-ray or high-resolution computed tomography scan of the chest sufficient investigation to detect pulmonary metastasis in pediatric differentiated thyroid cancer?. Thyroid. 2004 Mar 1;14(3):217-25.
[12] Tanwar S, Famhawite L, Verma PR. Numerical Simulation of bio-heat transfer for cryoablation of regularly shaped tumours in liver tissue using multiprobes. Journal of Thermal Biology. 2023 Apr 1;113:103531.
[13] Keangin P, Wessapan T, Rattanadecho P. Analysis of heat transfer in deformed liver cancer modeling treated using a microwave coaxial antenna. Applied Thermal Engineering. 2011 Nov 1;31(16):3243-54.
[14] Biswas C, Nasrin R, Ahmad MS. Numerical analogy of bioheat transfer and microwave cancer therapy for liver tissue. Heat Transfer. 2022 Nov;51(7):6403-30.
[15] Zhang J, Chauhan S. Neural network methodology for real-time modelling of bio-heat transfer during thermo-therapeutic applications. Artificial Intelligence in Medicine. 2019 Nov 1;101:101728.
[16] Seibert JA, Boone JM. X-ray Imaging Physics for Nuclear Medicine Technologists. Part 2: X-ray interactions and image formation. Journal of Nuclear Medicine Technology. 2005 Mar 1;33(1):3-18.
[17] Cong W, Wang G. X-ray scattering tomography for biological applications. Journal of X-ray Science and Technology. 2011 May;19(2):219-27.
[18] Maqbool M. Interaction of gamma rays and X-rays with matter. An Introduction to Medical Physics. 2017:43-61.
[19] Hahn EW, Canada TR, Alfieri AA, McDonald JC. The interaction of hyperthermia with fast neutrons or X-rays on local tumor response. Radiation Research. 1976 Oct 1;68(1):39-56.
[20] Poirier Y, Belley MD, Dewhirst MW, Yoshizumic TT, Down JD. Transitioning from gamma rays to X-rays for comparable biomedical research irradiations: Energy matters. Radiation Research. 2020 Jun 1;193(6):506-11.
[21] Puck TT, Morkovin D, Marcus PI, Cieciura SJ. Action of X-rays on mammalian cells: II. Survival curves of cells from normal human tissues. The Journal of Experimental Medicine. 1957 Sep 30;106(4):485.
[22] Howarth JL. Calculation of the absorbed dose in soft-tissue cavities in bone irradiated by X-rays. Radiation Research. 1965 Jan 1;24(1):158-83.
[23] Ebel H, Svagera R, Ebel MF, Shaltout A, Hubbell JH. Numerical description of photoelectric absorption coefficients for fundamental parameter programs. X‐Ray Spectrometry: An International Journal. 2003 Nov;32(6):442-51.
[24] Lusic H, Grinstaff MW. X-ray-computed tomography contrast agents. Chemical reviews. 2013 Mar 13;113(3):1641-66.
[25] Qiao CK, Wei JW, Chen L. An overview of the Compton scattering calculation. Crystals. 2021 May 10;11(5):525.
[26] Grinstead JH, Barker PF. Coherent Rayleigh scattering. Physical Review Letters. 2000 Aug 7;85(6):1222.
[27] Amin NA, Zukhi J, Kabir NA, Zainon R. Determination of effective atomic numbers from mass attenuation coefficients of tissue-equivalent materials in the energy range 60 keV-1.33 MeV. In Journal of Physics: Conference Series 2017 May 1 (Vol. 851, No. 1, p. 012018). IOP Publishing.
[28] Manjunatha HC, Seenappa L, Sridhar KN, Sowmya N, Hanumantharayappa C. Photon Interaction Parameters of different tissues of Human organs. Def. Life Sci. J. 2017;2(3):358-62.
[29] Böke A. Calculation of X-ray attenuation coefficients for normal and cancerous breast tissues. Nuclear Engineering and Technology. 2024 Jan 1;56(1):241-6.
[30] Böke A. Linear attenuation coefficients of tissues from 1 keV to 150 keV. Radiation Physics and Chemistry. 2014 Sep 1;102:49-59.
[31] Hubbell JH, Seltzer SM. Tables of X-ray mass attenuation coefficients and mass energy-absorption coefficients 1 keV to 20 MeV for elements Z= 1 to 92 and 48 additional substances of dosimetric interest. National Inst. of Standards and Technology-PL, Gaithersburg, MD (United States). Ionizing Radiation Div.; 1995 May 1.
[32] XCOM: Photon Cross Sections Database. (2023). National Institute of Standards and Technology (NIST).
[33] Attix FH. Introduction to radiological physics and radiation dosimetry. John Wiley & Sons; 2008 Sep 26.
[34] Llovet X, Salvat F, Bote D, Salvat-Pujol F, Jablonski A, Powell CJ. NIST Database of Cross Sections for Inner-shell Ionization by Electron Or Positron Impact. US Department of Commerce, National Institute of Standards and Technology; 2014 Aug.