การจำลองมอนติคาร์โลสำหรับคำนวณปริมาณรังสีของอุปกรณ์กำหนดพื้นที่ขนาดมาตรฐานของอิเล็กตรอนพลังงาน 9 เมกะอิเล็กตรอนโวลต์: Monte carlo simulation for dose calculation of standard applicator of 9 MeV electron beam

Khanit Phongphiriyadecha; Chirapha Tannanonta; Kittipol Dachaworakul; Chirasak Khamfongkhruea; Nuntawat Udee

Authors

Khanit Phongphiriyadecha Medical Physics Program, Department of Radiological Technology, Faculty of Allied Health Sciences, Naresuan University, Muang, Phitsanulok, Thailand 65000
Chirapha Tannanonta Radiation Oncology Unit, Chulabhorn Hospital Bangkok 10210
Kittipol Dachaworakul Radiation Oncology Unit, Chulabhorn Hospital Bangkok 10210
Chirasak Khamfongkhruea Radiation Oncology Unit, Chulabhorn Hospital Bangkok 10210
Nuntawat Udee Medical Physics Program, Department of Radiological Technology, Faculty of Allied Health Sciences, Naresuan University, Muang, Phitsanulok, Thailand 65000

Keywords:

การจำลองมอนติคาร์โล, ลำรังสีอิเล็กตรอน, อีจีเอสเอ็นอาร์ซี, Monte Carlo simulation, electron beam, EGSnrc

Abstract

การรักษาผู้ป่วยโรคมะเร็งด้วยวิธีการทางรังสีรักษาต้องการความถูกต้องสูงเนื่องจากปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับมีค่าสูง โดยเฉพาะการรักษาด้วยการฉายลำอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากเครื่องเร่งอนุภาคที่มีการเกิดอันตรกิริยาในตัวกลางค่อนข้างซับซ้อนกว่าการฉายด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูง การศึกษาวิจัยครั้งนี้ทำการคำนวณค่าปริมาณรังสีในหุ่นจำลองน้ำด้วยวิธีการจำลองมอนติคาร์โลเปรียบเทียบกับการวัดด้วยหัววัดรังสีไอออไนเซชัน โดยทำการจำลองมอนติคาร์โลลำอิเล็กตรอน พลังงาน 9 MeV พื้นที่ลำรังสีมาตรฐานขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตร จากเครื่องเร่งอนุภาคด้วยโปรแกรมมอนติคาร์โล EGSnrc ซึ่งประกอบด้วยโปรแกรม BEAMnrc สำหรับจำลองอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคและโปรแกรม DOSXYZnrc สำหรับจำลองอันตรกิริยาในหุ่นจำลองน้ำด้วยอนุภาคที่มาจากเครื่องเร่งอนุภาค สำหรับการจำลองมอนติคาร์โลได้ทำการจำลองอันตรกิริยาด้วยค่าพลังงานตั้งต้นเฉลี่ยตั้งแต่ 9.4-11 MeV และจำลองลำอิเล็กตรอนด้วยค่าการกระจายตัวแบบเกาส์เซียนตั้งต้นขนาด 0.05-0.15 เซนติเมตร จากนั้นเปรียบเทียบค่าที่คำนวณได้จากมอนติคาร์โลกับค่าที่ได้จากการวัดจริงในหุ่นจำลองน้ำที่ระดับความลึก R₉₀, R₅₀ และ R_p ผลการวิจัยพบว่าค่าที่คำนวณได้จากการจำลองมอนติคาร์โลด้วยพลังงานตั้งต้นเฉลี่ย 10.8 MeV และลำอิเล็กตรอนแบบเกาส์เซียนขนาด 0.05 เซนติเมตร มีความใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการวัดจริงมากที่สุดด้วยความแตกต่างของระยะ R₉₀, R₅₀ และ R_p เท่ากับ 0.047, 0.004 และ 0.004 เซนติเมตร ตามลำดับ การศึกษาวิจัยครั้งนี้ทำให้ทราบว่าการจำลองมอนติคาร์โลสามารถคำนวณค่าปริมาณรังสีได้สอดคล้องกับการวัดจริงด้วยหัววัดรังสีซึ่งอาจนำไปใช้ในการประเมินความถูกต้องของการกำหนดปริมาณรังสีที่ใช้ในการรักษาผู้ป่วยได้

Radiation therapy for cancer patients requires high accuracy in beam delivery due to high dose being delivered to the patients especially treatment with high energy electron beam of linear accelerator. The interactions between electrons and medium are more complex than those of high-energy X-rays. This study aimed to compare dose distribution in water phantom from measured doses detected by ionization chamber with calculated doses computed by Monte Carlo method. In this study, the Monte Carlo simulation of 9 MeV electron beam used a standard field size of 15x15 cm² for linear accelerator (LINAC) with EGSnrc code system which included BEAMnrc for simulating interactions within LINAC head and DOSXYZnrc code for simulating interactions of electrons in water phantom. The Monte Carlo simulation indicated averaged initial interaction energy ranged from 9.4 to 11 MeV and used Gaussians distribution of electron beam ranged from 0.05 to 0.15 cm. The results of Monte Carlo simulation and measurement data was compared at depth R₉₀, R₅₀ and practical range (R_p) in water phantom. The result showed an averaged initial interaction energy of 10.8 MeV with Gaussians distribution of electron beam of approximately 0.05 cm which was similar to measurement data with difference at the depth of R₉₀, R₅₀ and R_p, which were 0.047, 0.004, and 0.004 cm, respectively. The study showed that Monte Carlo simulation is capable of calculating dose distribution in accordance with measurement data and can be used to assess accuracy of prescribed doses for patient treatment.

References

Antolak, J. A., Bieda, M. R., & Hogstrom, K. R. (2002). Using Monte Carlo methods to commission electron beams: A feasibility study. Medical Physics, 29(5), 771-786.

Chetty, I. J., Curran, B., Cygler, J. E., DeMarco, J. J., Ezzell, G., Faddegon, B. A., . . . Ma, C.-M. C. (2007). Report of the AAPM Task Group No. 105: Issues associated with clinical implementation of Monte Carlo-based photon and electron external beam treatment planning. Medical Physics, 34(12), 4818-4853.

Faddegon, B. A., Perl, J., & Asai, M. (2008). Monte Carlo simulation of large electron fields. Physics in medicine and biology, 53(5), 1497.

Lakkhana., A. (2012). Estimation of surface dose from therapeutic 6 mv photon beams. (Doctoral dissertation). Chulalongkorn University, Bangkok.

O'Shea, T. (2012). Monte Carlo Simulation of Medical Accelerator Electron Treatment Heads. Retrieved from http://hdl.handle.net/10379/2712

Rodrigues, A., Sawkey, D., Yin, F.-F., & Wu, Q. (2015). A Monte Carlo simulation framework for electron beam dose calculations using Varian phase space files for TrueBeam Linacs. Medical Physics, 42(5), 2389-2403. doi:doi:http://dx.doi.org/10. 1118/1.4916896

Rogers, D., Kawrakow, I., Seuntjens, J., Walters, B., & Mainegra-Hing, E. (2003). NRC user codes for EGSnrc. NRCC Report PIRS-702 (Rev. B). Ottawa, Canada: National Research Council Canada.

Stern, R. L., Heaton, R., Fraser, M. W., Goddu, S. M., Kirby, T. H., Lam, K. L., . . . Zhu, T. C. (2011). Verification of monitor unit calculations for non-IMRT clinical radiotherapy: report of AAPM Task Group 114. Medical Physics, 38(1), 504-530.

Turian, J. V., Smith, B. D., Bernard, D. A., Griem, K. L., & Chu, J. C. (2004). Monte Carlo calculations of output factors for clinically shaped electron fields. Journal of Applied Clinical Medical Physics, 5(2).