Transcript 医療応用実習2：電子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(II)
電子線治療のシミュレーション
2013年9月改訂
title
1
本実習の目標
電子線治療シミュレーションにおける吸収線量分
布の評価や散乱ホイルなどの装置の追加、マル
チソース機能を利用した複数線源による照射が
できるようになる。
20MeVの電子線を左右から水ファントムに
照射して得られた吸収線量分布
Purpose
2
実習内容
1.
2.
3.
4.
体系の確認
電子線による吸収線量分布の分析
散乱ホイルとアプリケーターの設置
マルチソースを用いた複数線源による
電子線の照射
Table of contents
3
ElectronTherapy.inp
初期設定の体系
Electron
20 MeV
Water
phantom
30 cm
約100 cm
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する。
Icntl=7としてPHITSを実行すると[t-gshow]が、
Icntl=11として実行すると[t-3dshow]が有効となり、
これらのタリー結果が出力されます。
[ T - Gshow ]
title = Geometry check on xz-plane
・・・・・・
・・・・・・
file = gshow-xz.dat
・・・・・・
・・・・・・
[ T - 3Dshow ]
title = Geometry check using [T-3dshow]
file = 3dshow.dat
・・・・・・
・・・・・・
・・・・・・
Geometry
5
gshow-xz.eps
体系の確認
3dshow.eps
水ファントム
Geometry
6
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
・・・・・・
・・・・・・
file = track.out
・・・・・・
・・・・・・
粒子フルエンス
[ T - Deposit ]
title = Dose in xyz mesh
・・・・・・
・・・・・・
file = dose.out
・・・・・・
・・・・・・
吸収線量
Analysis
7
フルエンス分布
track.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
水ファントム
20MeV電子線
Analysis
8
フルエンス分布
track.eps (2枚目)
光子のフルエンス分布
電子線が水ファントムに衝突し、
光子が発生している。
Analysis
9
フルエンス分布
track.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。
Analysis
10
吸収線量
dose.eps
吸収線量分布
空気
水ファントム
Analysis
11
実習内容
1.
2.
3.
4.
体系の確認
電子線による吸収線量分布の分析
散乱ホイルとアプリケーターの設置
マルチソースを用いた複数線源による
電子線の照射
Table of contents
12
吸収線量
(step1)[t-deposit]を用いて、水ファントムにおける吸収
線量の空間分布について分析してみましょう。
• 深さ方向（z軸方向）の吸収線量分布。
• ビーム軸に垂直な方向（x軸方向）の吸収線量分布。
消す
[ T - Deposit ] off
title = z-distribution of dose
・・・・・・
file = dose-z.out
・・・・・・
[ T - Deposit ] off
title = x-distribution of dose
・・・・・・
file = dose-x.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。
Analysis
13
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。
dose-z.eps
• 表面付近でピークをもつ。
• 深さ方向に関して急速に減少する。
Analysis
14
吸収線量のx分布
垂直方向への広がり
はどうか。
dose-x.epsの1枚目と2枚目
• 吸収線量の広がりは電子線のビーム幅(0.2cm)と同じ。
• 中間(z=115cm)では幅が広がっているが、その絶対値は小さい。
Analysis
15
実習内容
1.
2.
3.
4.
体系の確認
電子線による吸収線量分布の分析
散乱ホイルとアプリケーターの設置
マルチソースを用いた複数線源による
電子線の照射
Table of contents
16
装置の追加
• 散乱ホイルとアプリケーター（コリメーター）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。
 散乱ホイル：電子線の照射範囲が拡大さ
れているか。
 アプリケーター：電子線の流れがきちんと
コントロールされているか。
Setting of equipment
17
散乱ホイル
(step2)タンタル(Ta)とアルミ(Al)の薄膜を
散乱ホイルとして配置して見ましょう。
0.01 mm
[Cell]
・・・・・・
・・・・・・
98
2 -1.20e-3 #1 #2 #3 -999
99
-1 999
2
3 -16.65 -2
3
4 -2.70 -3
1 cm
直径1cm, 厚さ0.01mm
の2枚の円盤。
Al
1 cm
Ta
1 cm
0.01 mm
[Surface]
・・・・・・
・・・・・・
2
rcc 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.001 0.5
3
rcc 0.0 0.0 1.0 0.0 0.0 0.001 0.5
マクロボディRCC（円柱）
赤文字部分を追加し、icntl=0として実行。 を使用
•ホイルの厚さが薄すぎるので、ここでは
[t-gshow]による確認は行わない。
Setting of equipment
18
散乱ホイル
(step2)タンタル(Ta)とアルミ(Al)の薄膜を
散乱ホイルとして配置して見ましょう。
track.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
0.01 mm
Al
1 cm
直径1cm, 厚さ0.01mm
の2枚の円盤。
1 cm
Ta
1 cm
0.01 mm
• 散乱された電子線は、水ファントム表面でおよそ10cm幅に広がっている。
Analysis
19
吸収線量の空間分布
垂直方向
水ファントムにおけ
る吸収線量の分布
はどう変化したか。
深さ方向
水ファントムにおける吸収線量の分布
dose-z.eps 深さ方向
dose-x.eps（1枚目）
ビーム軸に
垂直な方向
• 吸収線量も水ファントム表面でおよそ10cm幅となっている。
Analysis
20
アプリケーター（コリメーター）
(step3)3段階の亜鉛(Zn)材質のコリメーターを配置
して、電子線の流れをコントロールしてみましょう。
Zn
10 cm
6 cm
12 cm
12 cm
6cm×6cmの穴の空いた
12cm×12cmの厚さ2cmの直方体。
10 cm
6 cm
2 cm
[Ce
・・・
・・・
98
・・・
4
5
6
ll]
・・・
・・・
2 -1.20e-3
・・・
5 -7.13 -4
5 -7.13 -6
5 -7.13 -8
#1 #2 #3 #4 #5 #6 -999
5
7
9
[Surface]
・・・・・・
4
rpp
5
rpp
6
rpp
7
rpp
8
rpp
9
rpp
-6
-3
-6
-3
-6
-3
6
3
6
3
6
3
-6
-3
-6
-3
-6
-3
6
3
6
3
6
3
50
50
60
60
70
70
52
52
62
62
72
72
マクロボディ
rpp（直方体）
を使用
赤文字部分を追加し、icntl=7として実行
Setting of equipment
21
アプリケーター（コリメーター）
Zn
gtshow-xz.eps
10 cm
6 cm
12 cm
12 cm
6cm×6cmの穴の空いた
12cm×12cmの厚さ2cmの直方体。
10 cm
6 cm
2 cm
Setting of equipment
22
アプリケーター（コリメーター）
icntl=0として実行
• [t-track]の結果(track.eps)から効果を確認してみる
Zn
track.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
10 cm
6 cm
12 cm
12 cm
6cm×6cmの穴の空いた
12cm×12cmの厚さ2cmの直方体。
10 cm
6 cm
2 cm
• 3段階のコリメーターによって電子線の広がりが制限されている。
Analysis
23
吸収線量の空間分布
垂直方向
水ファントムにおけ
る吸収線量の分布
はどう変化したか。
深さ方向
水ファントムにおける吸収線量の分布
dose-z.eps 深さ方向
dose-x.eps（1枚目）
• 吸収線量の分布がおよそ6cm幅に変化した。
Analysis
ビーム軸に
垂直な方向
24
実習内容
1.
2.
3.
4.
体系の確認
電子線による吸収線量分布の分析
散乱ホイルとアプリケーターの設置
マルチソースを用いた複数線源による
電子線の照射
Table of contents
25
マルチソース
Electron
20 MeV
[Source]
totfact =1.0
<source> = 0.5
s-type = 1
proj = electron
・・・・・・
・・・・・・
Water
phantom
30 cm
(step4)逆側からも電子線を照射して、2方向から
の照射による線量の和を計算してみましょう。
Electron
20 MeV
30 cm
（[source]セクションの続き）
<source> = 0.5
s-type = 1
proj = electron
e0 = 20.00
r0 = 0.1000
x0 = 0.0000
y0 = 0.0000
z0 = 250.000
z1 = 250.000
dir = -1.0000
Multi source
赤文字部分を追加し、
icntl=0として実行
• [t-track]のz軸に関す
るタリー範囲を拡げる
（zmax=240,nz=250）
26
マルチソース
Electron
20 MeV
track.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
Water
phantom
30 cm
(step4)逆側からも電子線を照射して、2方向から
の照射による線量の和を計算してみましょう。
Electron
20 MeV
30 cm
Multi source
27
マルチソース
Electron
20 MeV
Water
phantom
30 cm
(step5)[transform]を使って、散乱ホイルとアプリ
ケーターを逆側にも配置してみましょう。
Electron
20 MeV
30 cm
[Cell]
・・・・・・
98
2 -1.20e-3 #1 #2 #3 #4 #5 #6
#12 #13 #14 #15 #16 -999
・・・・・・
12
3 -16.65 -2 trcl=1
[transform]セクション
13
4 -2.70 -3 trcl=2
で定義してある座標
14
5 -7.13 -4 5 trcl=3
変換番号1,2,3を使用
15
5 -7.13 -6 7 trcl=3
16
5 -7.13 -8 9 trcl=3
Multi source
赤文字部分を追加し、
icntl=7として実行
• [t-gshow]のz軸に関す
るタリー範囲を拡げる
（zmax=240）
28
マルチソース
Electron
20 MeV
Water
phantom
30 cm
(step5)[transform]を使って、散乱ホイルとアプリ
ケーターを逆側にも配置してみましょう。
Electron
20 MeV
30 cm
gtshow-xz.eps
Multi source
29
[transform]セクション
ソース、surfaceやcellの定義、タリーのr-zやxyzメッシュ、磁場
の定義等の際に、平行移動や回転を行うことが可能。
[Transf
set: c10[0]
set: c20[0]
set: c30[0]
orm]
$ angle of around Z (degree)
$ angle of around Y (degree)
$ angle of around X (degree)
Z軸, Y軸, X軸の周りに
回転させる角度
tr1 0 0 0
平行移動のX,Y,Z成分
cos(c10/180*pi)*cos(c20/180*pi)
sin(c10/180*pi)*cos(c30/180*pi)+cos(c10/180*pi)*sin(c20/180*pi)*sin(c30/180*pi)
sin(c10/180*pi)*sin(c30/180*pi)-cos(c10/180*pi)*sin(c20/180*pi)*cos(c30/180*pi)
-sin(c10/180*pi)*cos(c20/180*pi)
cos(c10/180*pi)*cos(c30/180*pi)-sin(c10/180*pi)*sin(c20/180*pi)*sin(c30/180*pi)
cos(c10/180*pi)*sin(c30/180*pi)+sin(c10/180*pi)*sin(c20/180*pi)*cos(c30/180*pi)
sin(c20/180*pi)
-cos(c20/180*pi)*sin(c30/180*pi)
cos(c20/180*pi)*cos(c30/180*pi)
1
Cellを定義する際にtrcl=1を加える
[transform]
30
マルチソース
icntl=0として実行
• [t-track]の結果(track.eps)から効果を確認してみる
track.eps (1枚目)
電子のフルエンス分布
• Z=115cmの面に関して対称な体系で、
水ファントムに電子線を照射。
Multi source
31
吸収線量の空間分布
水ファントムに
おける吸収線量
の分布はどう変
化したか。
垂直方向
深さ方向
水ファントムにおける吸収線量の分布
dose-z.eps 深さ方向
dose-x.eps（3枚目）
• 吸収線量の分布も面対称となっている。
Analysis
ビーム軸に
垂直な方向
32
まとめ
• 20MeV電子を線源とする電子線治療をシミュレー
ションした。
• 水ファントムにおける吸収線量の分布をタリーし、そ
の分析を行った。
• 散乱ホイルやアプリケーターを体系に追加し、これ
らの吸収線量分布に対する影響を調べた。
• マルチソース機能を利用し、両側から電子線を照射
するシミュレーションを行った。
Summary
33