Transcript 医療応用実習1：X線治療のシミュレーション

PHITS
Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System
治療応用実習(I)
X線治療のシミュレーション
2014年5月改訂
title
1
本実習の目標
各放射線のスペクトル分析や吸収線量の評価、
コリメーターなどの装置の追加とそれらの中性子
による放射化を計算し、X線治療のシミュレーショ
ンができるようになる。
10MeVの電子を線源とするX線治療を
シミュレーションして求めた吸収線量分布
Purpose
2
実習内容
体系の確認
電子線およびX線のスペクトル分析
水ファントムにおける吸収線量
コリメーター、フラットニングフィルターの
設置
5. 光核反応によって発生する中性子と装置
の放射化
1.
2.
3.
4.
Table of contents
3
XrayTherapy.inp
初期設定の体系
1 cm
Electron
10 MeV
0.1+1.0 cm
X-ray
(photon)
Water
phantom
30 cm
約100 cm
W + Cu
target
30 cm
Input file
4
体系の確認
はじめに、このインプットファイルで構築している
3次元体系を描画機能を用いて把握しましょう。
Icntl=8としてPHITSを実行すると2つの[t-track]から2次
元平面図がそれぞれ出力され、 icntl=11として実行する
と[t-3dshow]の結果が出力されます。
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = xz
file = track_xz.out
・・・・・・
[ T - 3Dshow ]
title = Geometry check using [T-3dshow]
file = 3dshow.out
・・・・・・
・・・・・・
・・・・・・
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = yz
file = track_yz.out
・・・・・・
Geometry
5
track_xz.eps
体系の確認
3dshow.eps
水ファントム
W+Cu標的
次は、[t-track]を書き
換えて標的の部分を
拡大してみましょう。
Geometry
6
課題1
axis=xzを含む[t-track]において、標的の部分を
拡大してみましょう。（icntl=8とする）
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
mesh = xyz
x-type = 2
xmin = -25.00000
xmax = 25.00000
nx = 50
y-type = 2
ymin = -5.000000
ymax = 5.000000
ny = 1
z-type = 2
zmin = -110.0000
zmax =
20.0000
nz = 130
・・・・・・
axis = xz
・・・・・・
track_xz.eps
標的の位置(x=0cm, z=-100cm)
を中心に、xとzに関して
4cm×4cmの領域をタリーする。
Geometry
7
課題1の答え合わせ
axis=xzを含む[t-track]において、標的の部分を
拡大してみましょう。（icntl=8とする）
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
mesh = xyz
x-type = 2
xmin = -2.00000
xmax = 2.00000
nx = 50
y-type = 2
ymin = -5.000000
ymax = 5.000000
ny = 1
z-type = 2
zmin = -102.0000
zmax = -98.0000
nz = 130
・・・・・・
axis = xz
・・・・・・
track_xz.eps
拡大
Geometry
8
実習内容
体系の確認
電子線およびX線のスペクトル分析
水ファントムにおける吸収線量
コリメーター、フラットニングフィルターの
設置
5. 光核反応によって発生する中性子と装置
の放射化
1.
2.
3.
4.
Table of contents
9
空間分布
スペクトルを調べる前に、 icntl=0として輸送計算を実行
させ、各粒子のフルエンスの分布（[t-track]を使用）と各
物質における吸収線量の空間分布（[t-deposit]を使用）を
確認してみましょう。
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = xz
file = track_xz.out
・・・・・・
[T-Track]
title = Track in xyz mesh
・・・・・・
axis = yz
file = track_yz.out
・・・・・・
消す
[ T - Deposit ] off
title = Dose in xyz mesh
・・・・・・
・・・・・・
axis = xz
file = deposit_xz.out
・・・・・・
・・・・・・
吸収線量
粒子フルエンス
ただし、課題1で書き変えたタリー範囲は元に戻す。
Analysis
10
粒子フルエンス
track_xz.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
W+Cu標的
水ファントム
10MeV電子線
Analysis
11
粒子フルエンス
track_xz.eps (2枚目)
光子のフルエンス分布
Analysis
12
粒子フルエンス
track_xz.eps (3枚目)
中性子のフルエンス分布
中性子は生成されていない。しかし、本当に生成されないかどう
かは、統計量が十分な計算を行なって確認する必要がある。
Analysis
13
吸収線量
deposit_xz.eps
吸収線量分布
W+Cu標的
水ファントム
Analysis
14
課題2
[t-cross]を用いて、指定した面を通過する粒子の位置
（x座標）とエネルギーに関する分布をタリーし、各粒
子のスペクトル分析をしてみましょう。
• 線源として設定している電子線の空間分布とスペクトルは、
W+Cu標的の前後でどう変化するか。
• 制動放射により発生したX線の空間分布とスペクトルは、
水ファントムの前後でどう変化するか。
消す
[ T - C r o s s ] off
title = x-distribution of fluence
・・・・・・
file = cross_x.out
・・・・・・
[ T - C r o s s ] off
title = energy spectrum
・・・・・・
file = cross_eng.out
・・・・・・
インプットファイルの2つの[t-cross]にあるoffを消して実行。
•統計量を上げるためにmaxcas=10000に変更。
Analysis
15
スペクトル分析
[T-Cross]
title = x-distribution of flux
mesh = xyz
x-type = 2
xmin = -25.00000
xmax = 25.00000
nx = 50
y-type = 2
ymin = -5.000000
ymax = 5.000000
ny = 1
z-type = 2
zmin = -110.0000
zmax = 20.00000
nz = 13
・・・・・・
・・・・・・
タリーする面をz=-110から20cmの範囲
において10cmきざみで指定している。
計14個のタリー結果が出力される。
Analysis
16
フルエンスの空間分布
W+Cu標的の前後で
各粒子の空間的な
広がりはどうか。
cross_x.epsの2枚目と3枚目
• 標的手前でx=0cmの位置にあった電子線が標的の後ろでは消えている。
• X線はx=0cmの位置を中心になだらかに広がっている。
Analysis
17
フルエンスの空間分布
水ファントムの前後
ではどうか。
cross_x.epsの10枚目と14枚目
• 電子線はほとんど飛んできていない。
• 水ファントム通過後のX線のフルエンスは水の範囲[-15cm,+15cm]で少し
凹んでいる。
Analysis
18
エネルギースペクトル
W+Cu標的の前後
でのスペクトルの
変化は？
cross_eng.epsの2枚目と3枚目
•
•
•
•
10MeV電子線は標的の後ろで消失。
0.1MeV以下の電子はカットオフしているためタリーされていない。
X線の分布は0.2MeVを中心とするピーク構造をもつ。
特性X線が60keV付近に、電子対消滅起源の光子が500keV付近にある。
Analysis
19
エネルギースペクトル
水ファントムの前後
ではどうか。
Cross_eng.epsの10枚目と14枚目
• 電子線はほとんど飛んできていない。
• 水ファントムの手前で見られた200keV付近のピークがなくなっている。
Analysis
20
実習内容
体系の確認
電子線およびX線のスペクトル分析
水ファントムにおける吸収線量
コリメーター、フラットニングフィルターの
設置
5. 光核反応によって発生する中性子と装置
の放射化
1.
2.
3.
4.
Table of contents
21
課題3
[t-deposit]を用いて各領域毎の吸収線量をタリーし、
線量の空間分布について分析してみましょう。
• 水ファントムにおける吸収線量は、x軸方向（X線ビームの
広がり方向）やz軸方向（深さ方向）に対してどのような分布
をもつか。
消す
[ T - Deposit ] off
title = x-distribution of dose
・・・・・・
file = deposit_x.out
・・・・・・
[ T - Deposit ] off
title = z-distribution of dose
・・・・・・
file = deposit_z.out
・・・・・・
インプットファイルの2つの[t-deposit]にあるoffを消して実行。
•統計量を少し下げてmaxcas=5000に変更。
Dose
22
吸収線量のx分布
水ファントムの前後
ではどうか。
deposit_x.epsの1枚目と3枚目
• 水ファントムの範囲[-15cm,+15cm]で高い吸収線量。
• 分布は水ファントム中で大きな変化はない。
• 外側では空気に対する吸収線量がタリーされている。
Analysis
23
吸収線量のz分布
水ファントムの深さ
に関する依存性は
どうか。
deposit_z.eps
• x軸とｙ軸方向に関して平均した量をタリーしている。
• 深さに対してなだらかに減少している。
Analysis
24
実習内容
体系の確認
電子線およびX線のスペクトル分析
水ファントムにおける吸収線量
コリメーター、フラットニングフィルターの
設置
5. 光核反応によって発生する中性子と装置
の放射化
1.
2.
3.
4.
Table of contents
25
装置の追加
• プライマリーコリメーターと可変コリメーター、及
びフラットニングフィルターを体系に追加する。
• 各タリー結果を確認し、各装置の影響を調べる。
 コリメーター：X線がビーム状になっているか
どうか。
 フラットニングフィルター：これを設置した場合
とない場合（フリーモード）で粒子フルエンス
や吸収線量がどう変化するか。
Setting of equipment
26
課題4
タングステン合金(W:90.5%, Ni:6.5%, Fe:3%)のプライ
マリーコリメーターを使って、X線の流れをコントロー
ルしてみましょう。（合金の組成はAAPMのTG-50より）
4 cm
10 cm
6 cm
1 cm
W + Cu target
Primary collimator
円錐状の穴の空いた
直径10cm, 高さ6cmの円柱
（密度17g/cm3, 物質番号5）
円錐状の穴は、マクロボディtrc（カットされた円錐）を使用する
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
半径r2
底面の中心の
座標(vx vy vz)
半径r1
[Surface]
・・・・・・
21 trc vx vy vz hx hy hz r1 r2
確認はicntl=8（track_xz.epsを見る）
Setting of equipment
27
課題4の答え合わせ
タングステン合金(W:90.5%, Ni:6.5%, Fe:3%)のプライ
マリーコリメーターを使って、X線の流れをコントロー
ルしてみましょう。（合金の組成はAAPMのTG-50より）
[Cell]
・・・・・・
98
0
#1 #2 #11 -999 #3
99
-1
999
3
5 -17.0 21 22 -23 -24
[Surface]
・・・・・・
21
trc 0 0 -100+7.1
22
pz -100+1.1
23
pz -100+1.1+6
24
cz 10
0 0 -6
2.0 0.5
10 cm
4 cm
1 cm
6 cm
track_xz.eps
Setting of equipment
28
課題5
照射領域を変更できる可変コリメーターを
設置してみましょう（x軸方向）。
x軸方向
Primary collimator
Movable collimator (x)
10 cm
2*c1=10 cm
10 cm
変数
set:c1[5.0]
を使う
10cm×10cm ×10cmのブ
ロック（直方体）を、まずは
10 cmの間隔で、x軸方向に
2個配置。
（密度17g/cm3, 物質番号5）
直方体はマクロボディrppを使用する
zmax
xmin
zmin
xmax
ymin
[Surface]
・・・・・・
31 rpp xmin xmax ymin ymax zmin zmax
ymax
Setting of equipment
29
課題5の答え合わせ
照射領域を変更できる可変コリメーターを
設置してみましょう（x軸方向） 。
[Cell]
・・・・・・
98
0
#1 #2 #11 -999 #3 #4 #5
99
-1
999
3
5 -17.0 21 22 -23 -24
4
5 -17.0 -31
5
5 -17.0 -32
[Surface]
・・・・・・
set:c1[5.0]
31
rpp -10-c1 -c1
-5 5 -100+17.1 -100+27.1
32
rpp c1
10+c1 -5 5 -100+17.1 -100+27.1
x軸方向
2*c1=10 cm
track_xz.eps
Setting of equipment
30
課題6
照射領域を変更できる可変コリメーターを
設置してみましょう（y軸方向） 。
10 cm
10 cm
2*c1=10 cm
Movable collimator (y)
10cm×10cm×10cmのブ
ロック（直方体）を、10cm
の間隔で、次はy軸方向
に2個配置。
y軸方向
直方体はマクロボディrppを使用する
zmax
xmin
zmin
[Surface]
・・・・・・
33 rpp xmin xmax ymin ymax zmin zmax
前と同じ変
数c1を使う
xmax
ymin
確認はtrack_yz.epsを見る
ymax
Setting of equipment
31
課題6の答え合わせ
照射領域を変更できる可変コリメーターを
設置してみましょう（y軸方向） 。
[Cell]
・・・・・・
98
0
#1 #2 #11 -999 #3 #4 #5 #6 #7
99
-1
999
3
5 -17.0 21 22 -23 -24
4
5 -17.0 -31
5
5 -17.0 -32
6
5 -17.0 -33
7
5 -17.0 -34
[Surfac
・・・・・・
set:c1[5.0]
31
rpp
32
rpp
33
rpp
34
rpp
10 cm
2*c1=10 cm
y軸方向
e]
track_yz.eps
-10-c1
c1
-5 5
-5 5
-c1
-5 5
10+c1 -5 5
-10-c1 -c1
c1 10+c1
-100+17.1 -100+27.1
-100+17.1 -100+27.1
-100+32.1 -100+42.1
-100+32.1 -100+42.1
Setting of equipment
32
課題7
水ファントム表面での照射ビームの幅が20cmと
なるよう調整してみましょう。
変数c1の値を変更し、icntl=0として実行
•[t-track]の結果(track_xz.eps)で効果を確認する
track_xz.eps (2枚目)
光子のフルエンス分布
W+Cu標的
コリメーター
水ファントム
• X線はおよそ30cmの幅をもっている→可変コリメーターで調整
Setting of equipment
33
課題7の答え合わせ
水ファントム表面での照射ビームの幅が20cmと
なるよう調整してみましょう。
可変コリメーターの
間隔(2*c1)を変更
track_xz.eps (2枚目)
[Surface]
・・・・・・
set:c1[3.0]
31
rpp -10-c1 -c1
-5 5 -100+17.1 -100+27.1
32
rpp c1
10+c1 -5 5 -100+17.1 -100+27.1
光子のフルエンス分布
• コリメーターの間隔を6cmにするとX線の幅はおよそ20cmとなった。
Setting of equipment
34
コリメーター
• フルエンスの分布(cross_x.eps)はどうか。
cross_x.epsの10枚目
• 水ファントムの手前(z=-20cm)ではX線は20cm幅になっている。
Setting of equipment
35
コリメーター
• 吸収線量のx軸方向に関する空間分布
(deposit_x.eps)はどうか。
deposit_x.epsの1枚目
• フルエンスの幅に対応した位置で吸収線量が分布をもっている。
Setting of equipment
36
課題8
フラットニングフィルターとして、円錐状
の銅を設置してみましょう。
Flattening filter
半径5cmの円を底面とし、高さが
5cmとなる円錐。（実際の物は
もっと小さい）底面がz=-92cmの
面上に乗るように配置する。
（密度8.94g/cm3, 物質番号6）
10 cm
5 cm
円錐面は、マクロボディtrcにおいてr2を微小な値とすることで用意する
半径r2 =1-10
底面中心から
上面中心への
ベクトル
(hx hy hz)
底面の中心の
座標(vx vy vz)
半径r2を小さくする
[Surface]
・・・・・・
35 trc vx vy vz hx hy hz r1 1e-10
半径r1
体系の確認はicntl=8
Setting of equipment
37
課題8の答え合わせ
フラットニングフィルターとして、円錐状
の銅を設置してみましょう。
[Cell]
・・・・・・
98
0
#1 #2 #11 -999 #3 #4 #5 #6 #7 #8
99
-1
999
・・・・・・
8
6 -8.94 -35
[Surface]
・・・・・・
35
trc 0.0 0.0 -92.0 0.0 0.0 5.0 5.0 1e-10
10 cm
5 cm
track_yz.eps
次に、icntl=0として実行し、
cross_x.epsを見てその効果
を確認する。
•maxcas=10000に変更。
Setting of equipment
38
課題8の答え合わせ
フラットニングフィルターとして、円錐状
の銅を設置してみましょう。
• フルエンスの分布(cross_x.eps)で効果を確認
cross_x.epsの10枚目
• x=0cm付近にあったピークが削られてフラットになる。
Setting of equipment
39
実習内容
体系の確認
電子線およびX線のスペクトル分析
水ファントムにおける吸収線量
コリメーター、フラットニングフィルターの
設置
5. 光核反応によって発生する中性子と装置
の放射化
1.
2.
3.
4.
Table of contents
40
光核反応
neutron
X-ray
(photon)
X線が原子核と相互作用し、光核反応を起こした
結果、中性子を発生させる場合がある。
中性子を放出する反応にはしきい
値があり、これ以上のエネルギーの
X線が存在しない場合は起こらない。
（しきい値は核種毎に変化する[およ
そ8MeV] ）
Neutron
41
光核反応
10MeVの電子線源の場合、しきい値以上の
エネルギーのX線は発生しにくく、モンテカル
ロ計算上も非常にイベントが起こりにくい。
track_xz.eps (3枚目)
中性子のフルエンス分布
しかし、しきい値以上のエネルギーのX線が発生しているため、
統計量を増やしてどの位少ないかを調べる必要がある。
Neutron
42
装置の放射化
X-ray
(photon)
光核反応
neutron
中性子捕獲反応
装置の放射化は、X線と原子核との間に起こる
光核反応と、それにより発生した中性子と原子
核の間に起こる中性子捕獲反応が原因。
例えば、タングステンの同位体を考えると、
光核反応
181W
182W
121d
183W
184W 185W
75d
中性子捕獲反応
Activation
186W
187W
24h
の同位体が
生成され得る。
43
課題9
W, Cu標的、プライマリーコリメーター、
可変コリメーターの各装置で生成される
放射性同位体の量を調べてみましょう。
• [t-yield]を用いて、各領域毎に生成される
同位体元素をタリーする。
消す
[ T - Y i e l d ] off
title = Production yield of isotopes
・・・・・・
file = yield_reg.out
・・・・・・
インプットファイルにある[t-yield]のoffを消して実行。
•maxcas=10000。
Activation
44
課題9の答え合わせ
W, Cu標的、プライマリーコリメーター、
可変コリメーターの各装置で生成される
放射性同位体の量を調べてみましょう。
yield_reg.out
・・・・・・
74-W isotope production # n3 n4 = 110 110
reg.
184
1 0.000E+00
2 0.000E+00
3 1.500E-04
4 0.000E+00
5 0.000E+00
6 0.000E+00
7 0.000E+00
8 0.000E+00
• Reg=3、すなわちプライマリーコリ
メーターの部分で、184W （脱励起後
の状態）のみがタリーされている。
• 統計が十分ではないが、これが
maxcas * maxbach = 2x104個の電
子に対する結果であることから、こ
れ以外の同位体の生成確率が評
価できる。
Activation
45
まとめ
• 10MeV電子を線源とするX線治療をシミュレーション
した。
• 粒子の空間分布やエネルギースペクトル、水ファン
トムにおける吸収線量をタリーし分析を行った。
• コリメーターやフラットニングフィルターを体系に追加
し、これらのフラックスや吸収線量に対する影響を
調べた。
• 光核反応と中性子捕獲反応を考慮し、各装置の放
射化を評価した。
Summary
46