پرتو پروتون
موازی‌ساز
پراکنندۀ مسطح
شکل ۲-۳۳٫ نمایی از سیستم پراکندگی دوگانه با بهره گرفتن از حلقه‌های مسدودکننده
این حلقه‌ها به‌جای پراکنده کردن پروتون‌های مرکزی به‌سمت بیرون، آن‌ها را مسدود می‌نمایند؛ درنتیجه حفرۀ ایجاد شده در توزیع شار به‌وسیلۀ پراکندگی که توسط پراکنندۀ مسطح صورت می‌گیرد، پر می‌شود. با چنین فرآیندی می‌توان میدان‌های تابشی با اندازۀ بزرگ‌تر را به‌وسیلۀ مسدود کردن بخش مرکزی و با اضافه کردن یک یا تعداد بیشتری از حلقه‌های مسدودکننده، به‌دست آورد [۴]. شکل ۲-۳۴ نحوۀ توزیع دوز توسط هر کدام از پراکننده‌ها در چنین سیستمی و توزیع دوز نهایی را نشان می‌دهد [۸۲].
شکل ۲-۳۴٫ توزیع دوز ایجاد شده توسط حلقه‌های مسدودکننده در سیستم پراکندگی دوگانه [۸۲]
بهینه‌سازی قطر حلقه‌ها و توان پراکنندۀ اول به توزیع دوز مسطح منجر می‌شود. در این نوع از پراکننده‌ها بازده به‌طور قابل‌توجهی نسبت به پراکننده‌های منحنی‌شکل کمتر است؛ همچنین اتلاف انرژی در آن‌ها کوچک‌تر است که به دلیل نازک بودن ضخامت پراکنندۀ دوم می‌باشد [۴].

۲-۵- تحویل پرتو با بهره گرفتن از سیستم اسکن مغناطیسی

به‌دلیل اینکه پروتون‌ها در میدان مغناطیسی منحرف می‌شوند، به‌جای استفاده از پهن‌شدگی پرتو، می‌توان پرتو باریک و تک انرژی پروتون را به‌طور مغناطیسی در عرض حجم هدف و عمود بر جهت پرتو اسکن کرد. این‌ روش شباهت نزدیکی به اسکن پرتو الکترون در سیستم تلویزیون دارد. اسکن عمق هدف نیز به‌وسیلۀ تغییر انرژی پرتو فرودی انجام می‌گیرد. در روش اسکن، به ابزار و تجهیزات دیگر نظیر موازی‌ساز و یا پراکننده، نیازی نیست که این موضوع یکی از مزایای این روش محسوب می‌شود. به‌طورکلی اسکن پرتو به طریقۀ زیر انجام می‌گیرد:
ابتدا اسکن با عمیق‌ترین لایه و با بالاترین انرژی شروع می‌شود؛ سپس انرژی پرتو کاهش می‌یابد تا لایۀ بعدی اسکن شود و به‌همین ترتیب ادامه می‌یابد تا کل هدف، تحت تابش قرار گیرد. لایه‌های عمقی وابسته به انحنای سطح انتهایی هدف، مقادیر مختلف دوز را به بافت‌های اطراف می‌دهند؛ بنابراین برای توزیع دوز یکنواخت در هدف تحت درمان، باید شدت در هر لایه مدوله شود؛ از این‌رو به‌منظور کاهش خطا در تحویل دوز، هر لایه ممکن است چندین بار اسکن شود[^[۱۶۲]]. روش‌های مختلفی در روش اسکن ذره وجود دارد که در ادامه توضیح داده می‌شوند.

در روش اسکن نقطه‌ای جداگانه^[۱۶۳]، دوز از قبل تعیین شده در یک موقعیت ساکن و ایستا (تجهیزات مربوط به تولید میدان، ثابت است.) به یک نقطۀ مشخص داده می‌شود [^[۱۶۴]]؛ سپس پرتو قطع، و میدان عوض می‌شود تا نقطۀ بعدی را هدف‌گیری کند و دوز را به آن تحویل دهد؛ این‌ روند به‌همین ترتیب ادامه می‌یابد. در این ‌رویکرد ابتدا اسکن مغناطیسی برای ایجاد یک خط دوز انجام می‌گیرد؛ سپس عمق به‌وسیلۀ کاهش انرژی، تغییر و خط دوز دیگری در عمق سطحی‌تر ایجاد می‌شود. این عمل تا زمانی که دوز به تمام عمق‌های مناسب و مورد نظر داده شود، تکرار می‌شود [۸۳].
روش راستر^[۱۶۵] به‌طور عملی برای یون‌های سنگین انجام می‌گیرد [^[۱۶۶]] و مشابه روش قبل می‌باشد؛ با این تفاوت که در حین حرکت سیستم به موقعیت بعدی، پرتو قطع نمی‌شود. به‌طور عملی تا وقتی که زمان اسکن از یک نقطه به نقطۀ دیگر در مقایسه با زمان درمان هر نقطه، کوچک باشد، توزیع دوز در هر دو روش با هم برابر است [۸۳].
در روش اسکن نقطه‌ای فعال^[۱۶۷]، پرتو به‌طور کامل و پیوسته در عرض حجم هدف اسکن می‌شود. شدت یا ترجیحاً شار مدولاسیون از طریق مدوله کردن پرتو خروجی منبع و یا سرعت اسکن و یا هر دو با هم ایجاد می‌شود [۸۳].
یکی از مزایای روش اسکن پرتو آن است که شکل‌های دلخواه برای دوز بالا و یکنواخت را می‌توان با یک پرتو به دست آورد؛ در صورتی‌که با روش پهن‌شدگی پرتو^[۱۶۸]، SOBP در عرض میدان تابشی، ثابت است و از این‌رو مقدار غیرضروری دوز به بافت می‌رسد [۸۳]. مزیت دیگر این‌ روش آن است که به‌علت عدم استفاده از پراکننده‌ها، پرتو پروتونی، واکنش‌های هسته‌ای کمتری در خارج از بدن بیمار دارد؛ از این‌رو آلودگی نوترون نیز کمتر خواهد بود. انعطاف‌پذیری زیاد این‌ روش می‌تواند به‌طور کامل در روش IMPT به‌کار گرفته شود که این مسئله بزرگ‌ترین مزیت روش اسکن پرتو می‌باشد. دشواری که از نظر فنی برای تولید پرتوهای خیلی باریک وجود دارد، منجر به کم شدن دوز عرضی بهینه می‌شود که این یکی از اشکالات موجود در روش اسکن می‌باشد؛ همچنین اسکن پرتو می‌تواند نسبت به حرکت اندام بدن در مقایسه با روش پراکندگی کنش‌پذیر، حساس‌تر باشد [^[۱۶۹]-^[۱۷۰]].
در نوع دیگری از سیستم‌های اسکن پرتو^[۱۷۱]، پرتو نسبتاً پهن (قطر در مرتبۀ ۵ سانتیمتر)، به‌طور مغناطیسی در عرض حجم هدف اسکن می‌شود. در این‌ روش، چون نیم‌سایۀ پهنی ناشی از میدان تابشی ایجاد می‌گردد، موازی‌ساز مورد نیاز است. مزیت عمدۀ این ‌روش آن است که میدان تابشی بزرگ‌تری نسبت به روش پراکندگی کنش‌پذیر، به‌آسانی، در دسترس است [۸۳].
به‌طورکلی، سه روش اصلی برای ایجاد توزیع دوز در روش اسکن پرتو وجود دارد [۴]:
اسکن یکنواخت^[۱۷۲]
دوز یکنواخت با یک میدان (SFUD)^[173]
دوز یکنواخت با چند میدان (MFUD)^[174] یا پروتون‌تراپی با شدت مدوله شده (IMPT)
در روش اسکن یکنواخت، طرح اسکن ثابت است و از پرتو پروتون با شدت ثابت برای لایه‌های مختلف حجم هدف استفاده می‌شود. نسبت شدت میدان در لایه‌های مختلف یکسان است و توزیع دوز ایجاد شده دقیقاً مشابه حالت پرتو پراکنده شده می‌باشد؛ با این تفاوت که حداکثر اندازۀ میدان محدودیتی ندارد. پارامترهای مهم در این‌ روش همانند روش پراکندگی، پهنای مدولاسیون و برد پرتو می‌باشند [۴].
در روش SFUD، شدت پرتو و طرح اسکن تغییر می‌کند؛ ولی توزیع دوز ناشی از هر میدان در حجم هدف یکسان است. در MFUD یا IMPT نیز توزیع دوز یکنواخت در حجم هدف، با بهره گرفتن از چند میدان تابشی مختلف ایجاد می‌شود؛ بنابراین در هر دو روش SFUD و MFUD، پارامترهای مهم، مشخصات تک‌تک پیک‌های براگ استفاده شده در درمان هستند. این مشخصات شامل انرژی پروتون، جهت پرتودهی و تعداد پروتون‌ها (معمولاً برحسب گیگاپروتون) می‌باشند. در این ‌روش‌ها، کیفیت توزیع دوز به کیفیت پرتو اولیه بستگی دارد [۴] و شدت پرتو فرودی پروتون به اندازۀ میدان تابشی و نوع دستگاه شتاب‌دهنده و قابلیت‌های آن وابسته است.

۲-۶- کمیت‌های فیزیکی پایه در پروتون‌تراپی

در این بخش به‌طور مختصر کمیت‌های فیزیکی پایه‌ای را که برای پروتون‌ها در پروتون‌تراپی مورد استفاده قرار می‌گیرد، شرح می‌دهیم:

۲-۶-۱- سینماتیک پروتون

در انرژی‌های بالا، پروتون مشابه کوارک رفتار می‌کند. در محدودۀ انرژی MeV300-3، پروتون به‌عنوان یک ذرۀ پایه بدون هیچ درجۀ آزادی درونی، دارای انرژی سکون MeV 27/938 و بار C 602/1+ می‌باشد. در تئوری‌های مربوط به توقف و پراکندگی، گاهی محاسبۀ سرعت یا تکانۀ پروتون مورد نیاز است. از طرفی پروتون‌های مورد استفاده در پرتودرمانی با محدودۀ انرژی ذکر شده، نسبیتی هستند و سرعت آن‌ها از مرتبۀ سرعت نور می‌باشند؛ بنابراین معادلات (۲‑۲۵) و (۲‑۲۶) حاکم بر رفتار چنین پروتون‌هایی است:

نسبت انرژی پروتون به انرژی سکون آن، انرژی جنبشی کاهش‌یافته، تعریف می‌شود. معادلۀ (۲‑۲۷) رابطۀ ریاضی آن را نشان می‌دهد: