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V Encuentro Sud Americano de Colisiones Inelásticas en la Materia Interacción de haces de protones con materiales de interés biológico Rafael Garcia-Molina 1 , Isabel Abril 2 , Cristian D. Denton 2 , Ioanna Kyriakou 3 , Dimitris Emfietzoglou 3 1 Departamento de Física – Centro de Investigación en Óptica y Nanofísica, Universidad de Murcia, E-30100 Murcia, España 2 Departament de Física Aplicada, Universitat d’Alacant, E-03080 Alacant, España 3 Medical Physics Laboratory, University of Ioannina Medical School, GR-45110 Ioannina, Grecia corresponding author: rgm@um.es La irradiación de sistemas biológicos mediante haces de partículas energéticas (electrones, positrones o iones) tiene gran interés debido a sus numerosas aplicaciones en micro y nanodosimetría, o en física médica, como por ejemplo la radioprotección [1] y el tratamiento oncológico [2]. Así pues, es necesario estudiar y comprender las primeras etapas físicas y químicas de la interacción de la radiación con los materiales de interés biológico para poder predecir o controlar el dañado que se producirá en estos sistemas. El tratamiento radioterapéutico mediante haces de protones energéticos, u otros iones ligeros, es una alternativa que ofrece notables ventajas frente a los tratamientos usados habitualmente, los cuales emplean haces de fotones o de electrones, ya que estos últimos depositan la mayor parte de su energía cerca de la superficie del tejido biológico. Sin embargo, los haces de iones de alta energía sufren poca dispersión angular y tienen una penetración bien definida dentro del blanco, sufriendo un aumento significativo de la pérdida de energía al final de sus trayectorias. Así, la mayoría de la energía del haz de iones se deposita al final de su recorrido, en una pequeña región denominada pico de Bragg, mientras que sólo una pequeña proporción de esta energía se transfiere al tejido en la región anterior y posterior a este pico. Estas características permiten controlar que la energía del haz de iones se deposite mayoritariamente en una profundidad dada, donde se espera que actúe sobre el tumor y se reduzca el daño producido en el tejido sano. En esta comunicación se presentará el estudio de la distribución espacial de la energía depositada por un haz de protones en agua líquida. Utilizamos como blanco irradiado el agua líquida, ya que representa una parte mayoritaria en la composición de los organismos vivos, además de que es más simple caracterizar su respuesta a la perturbación producida por el haz de protones. Para realizar nuestro estudio utilizamos el código de simulación SEICS (Simulation of Energetic Ions and Clusters through Solids) [3- 5], basado en una combinación de los métodos de Montecarlo y de Dinámica Molecular, que permite seguir dinámicamente las trayectorias del haz de protones al incidir sobre agua líquida hasta que éstos se detienen, debido fundamentalmente a las interacciones con los electrones del blanco. Así, a partir de las coordenadas, velocidades y carga de los proyectiles en cada instante es posible obtener la energía depositada por el proyectil en función de la posición en el material irradiado. El programa SEICS incluye las principales interacciones y fenómenos que tienen lugar entre el proyectil y los átomos del blanco: (i) fuerza de frenado electrónica (obtenida a partir del poder de frenado electrónico y del straggling en la pérdida de energía), (ii) colisiones elásticas con los núcleos del blanco (que dan lugar a la deflexión del proyectil y contribuyen a la pérdida de energía), y (iii) cambio en el estado de carga del proyectil (debido a los procesos de pérdida y captura electrónica entre el proyectil y el blanco). 36 Valparaíso, Chile
V Encuentro Sud Americano de Colisiones Inelásticas en la Materia El poder de frenado electrónico se calcula a partir del formalismo dieléctrico y el modelo MELF-GOS [6] para describir la función de pérdida de energía del agua líquida [7], donde se pone énfasis en la correcta descripción del espectro de excitaciones electrónicas a partir de los datos experimentales disponibles en la literatura [8]. En la figura representamos el poder de frenado de un haz de protones en agua líquida en función de la energía incidente. Los símbolos corresponden a datos experimentales de hielo. Comparamos los resultados de nuestro modelo MELF-GOS [5] (línea negra) con resultados semiempíricos de SRIM [9] (línea gris continua), y con datos compilados en el report de ICRU [10] (línea gris discontinua). En este trabajo hemos puesto especial énfasis en la descripción de la energía depositada alrededor del pico de Bragg, por lo que nos centraremos en haces de protones con energías en la región de 0.5 MeV a 10 MeV, y analizaremos en detalle cómo las diferentes interacciones entre el haz de protones y el blanco afectan a la dosis depositada en el blanco en función de la profundidad. Por último, también analizaremos la energía depositada por el haz de protones cuando interacciona con otros materiales de interés biológico, en especial el DNA. Referencias: [1] E. B. Podgorsak, Radiation Physics for Medical Physicists, Springer, Berlin, 2006. [2] M. Goitein, A. J. Lomas, E. Pedroni, Treating cancer with protons, Phys. Today 55, 45 (2002). [3] S. Heredia-Avalos, R. Garcia-Molina, I. Abril, Energy-loss calculation of swift C n + (n=2–60) clusters through thin foils, Phys. Rev. A 76, 012901-1 (2007). [4] S. Heredia-Avalos, I. Abril, C. D. Denton, R. Garcia-Molina, Simulation of swift boron clusters traversing amorphous carbon foils, Phys. Rev. A 75, 012901-1 (2007). [5] R. Garcia-Molina, I. Abril, C. D. Denton, S. Heredia-Avalos, I. Kyriakou, D. Emfietzoglou, Calculated depth-dose distributions for H + and He + beams in liquid water, Nucl. Instrum. Methods B 267, 2647 (2009). [6] I. Abril, R. Garcia-Molina, C. D. Denton, F. J. Pérez-Pérez, N. R. Arista, Dielectric description of wakes and stopping powers in solids, Phys. Rev. A 58, 357 (1998); S. Heredia- Avalos, R. Garcia-Molina, I. Abril, J. M. Fernández-Varea, Calculated energy loss of swift He, Li, B and N ions in SiO 2 , Al 2 O 3 and ZrO 2 , Phys. Rev. A 72, 052902-1(2005). [7] I. Abril, C. D. Denton, P. de Vera, I. Kyriakou, D. Emfietzoglou, R. Garcia-Molina, Effect of the Bethe surface description on the electronic excitations induced by energetic proton beams in liquid water and DNA, Nucl. Instrum. Methods B 268, 1763 (2010). [8] N. Watanabe, H. Hayashi, Y. Udagawa, Bethe surface of liquid water determined by inelastic X-ray scattering spectroscopy and electron correlation effects, Bull. Chem. Soc. Jpn. 70, 719 (1997). [9] J. F. Ziegler, J. P. Biersak, M. D. Ziegler, SRIM. The Stopping and Range of Ions in Matter, SRIM Co., Chester, MD, 2008. [10] Stopping Powers and Ranges for Protons and Alpha Particles, ICRU Report 49, Bethesda, MD, 1993. 37 Valparaíso, Chile
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El po<strong>de</strong>r <strong>de</strong> frenado electrónico se<br />
calcula a partir <strong>de</strong>l formalismo dieléctrico y el<br />
mo<strong>de</strong>lo MELF-GOS [6] para <strong>de</strong>scribir la<br />
función <strong>de</strong> pérdida <strong>de</strong> energía <strong>de</strong>l agua líquida<br />
[7], don<strong>de</strong> se pone énfasis en la correcta<br />
<strong>de</strong>scripción <strong>de</strong>l espectro <strong>de</strong> excitaciones<br />
electrónicas a partir <strong>de</strong> los datos experimentales<br />
disponibles en la literatura [8].<br />
En la figura representamos el po<strong>de</strong>r <strong>de</strong><br />
frenado <strong>de</strong> un haz <strong>de</strong> protones en agua líquida en<br />
función <strong>de</strong> la energía inci<strong>de</strong>nte. Los símbolos<br />
correspon<strong>de</strong>n a datos experimentales <strong>de</strong> hielo.<br />
Comparamos los resultados <strong>de</strong> nuestro mo<strong>de</strong>lo<br />
MELF-GOS [5] (línea negra) con resultados<br />
semiempíricos <strong>de</strong> SRIM [9] (línea gris<br />
continua), y con datos compilados en el report<br />
<strong>de</strong> ICRU [10] (línea gris discontinua).<br />
En este trabajo hemos puesto especial<br />
énfasis en la <strong>de</strong>scripción <strong>de</strong> la energía<br />
<strong>de</strong>positada alre<strong>de</strong>dor <strong>de</strong>l pico <strong>de</strong> Bragg, por lo<br />
que nos centraremos en haces <strong>de</strong> protones con<br />
energías en la región <strong>de</strong> 0.5 MeV a 10 MeV, y<br />
analizaremos en <strong>de</strong>talle cómo las diferentes<br />
interacciones entre el haz <strong>de</strong> protones y el<br />
blanco afectan a la dosis <strong>de</strong>positada en el blanco<br />
en función <strong>de</strong> la profundidad.<br />
Por último, también analizaremos la<br />
energía <strong>de</strong>positada por el haz <strong>de</strong> protones<br />
cuando interacciona con otros materiales <strong>de</strong><br />
interés biológico, en especial el DNA.<br />
Referencias:<br />
[1] E. B. Podgorsak, Radiation Physics for<br />
Medical Physicists, Springer, Berlin, 2006.<br />
[2] M. Goitein, A. J. Lomas, E. Pedroni,<br />
Treating cancer with protons, Phys. Today 55,<br />
45 (2002).<br />
[3] S. Heredia-Avalos, R. Garcia-Molina, I.<br />
Abril, Energy-loss calculation of swift C n<br />
+<br />
(n=2–60) clusters through thin foils, Phys. Rev.<br />
A 76, 012901-1 (2007).<br />
[4] S. Heredia-Avalos, I. Abril, C. D. Denton,<br />
R. Garcia-Molina, Simulation of swift boron<br />
clusters traversing amorphous carbon foils,<br />
Phys. Rev. A 75, 012901-1 (2007).<br />
[5] R. Garcia-Molina, I. Abril, C. D. Denton, S.<br />
Heredia-Avalos, I. Kyriakou, D. Emfietzoglou,<br />
Calculated <strong>de</strong>pth-dose distributions for H + and<br />
He + beams in liquid water, Nucl. Instrum.<br />
Methods B 267, 2647 (2009).<br />
[6] I. Abril, R. Garcia-Molina, C. D. Denton, F.<br />
J. Pérez-Pérez, N. R. Arista, Dielectric<br />
<strong>de</strong>scription of wakes and stopping powers in<br />
solids, Phys. Rev. A 58, 357 (1998); S. Heredia-<br />
Avalos, R. Garcia-Molina, I. Abril, J. M.<br />
Fernán<strong>de</strong>z-Varea, Calculated energy loss of<br />
swift He, Li, B and N ions in SiO 2 , Al 2 O 3 and<br />
ZrO 2 , Phys. Rev. A 72, 052902-1(2005).<br />
[7] I. Abril, C. D. Denton, P. <strong>de</strong> Vera, I.<br />
Kyriakou, D. Emfietzoglou, R. Garcia-Molina,<br />
Effect of the Bethe surface <strong>de</strong>scription on the<br />
electronic excitations induced by energetic<br />
proton beams in liquid water and DNA, Nucl.<br />
Instrum. Methods B 268, 1763 (2010).<br />
[8] N. Watanabe, H. Hayashi, Y. Udagawa,<br />
Bethe surface of liquid water <strong>de</strong>termined by<br />
inelastic X-ray scattering spectroscopy and<br />
electron correlation effects, Bull. Chem. Soc.<br />
Jpn. 70, 719 (1997).<br />
[9] J. F. Ziegler, J. P. Biersak, M. D. Ziegler,<br />
SRIM. The Stopping and Range of Ions in<br />
Matter, SRIM Co., Chester, MD, 2008.<br />
[10] Stopping Powers and Ranges for Protons<br />
and Alpha Particles, ICRU Report 49,<br />
Bethesda, MD, 1993.<br />
37 Valparaíso, Chile