Monte-Carlo-Simulation des Strahlungstransports im Strahlerkopf eines Elektronenlinearbeschleunigers

Abstract

Dok. 1: Dissertation - Textteil Dok. 2 - 5: Anhänge ********************************* Diese Arbeit wurde verfasst, um einen Strahlerkopf für den Strahlungstransport von 6 MV und 15 MV Röntgenstrahlung anhand des Monte-Carlo-Verfahrens zu modellieren. Gestützt auf die Ergebnisse der Arbeit, kann die Dosisberechnung bei Bestrahlungstechniken, insbesondere bei solchen mit fluenzmodulierten Strahlenfeldern, mit der für die klinische Anwendung erforderlichen Genauigkeit durchgeführt werden. Darüber hinaus finden die mit diesen Modellen durchgeführten Simulationen Verwendung, um die entsprechenden Messungen zu verifizieren oder um die bei den Messungen gefundenen Phänomene zu erklären.

Zu Beginn wurden sechs Modelle für jede Strahlungsqualität entworfen. Die Parameter der Elektronenquelle wurden für alle sechs Modelle variiert, um die Einflüsse der Parameter der Elektronenquelle auf die Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung und auf die Dosisverteilung im Wasserphantom beobachten zu können. Dabei ergaben sich folgende Resultate : Die Energie der Elektronenquelle spielt eine wichtige Rolle sowohl für die Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung als auch für die Dosisverteilung im Wasserphantom. Die Elektronenenergie beeinflusst nicht nur die Zahl der auf den Phasenraum treffenden Photonen, sondern auch die Eigenschaften der Photonen. Die Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung bei monoenergetischer Elektronenquelle und diejenigen bei normalverteiltem Energiespektrum unterscheiden sich geringfügig. Die Änderung der Standardabweichung vom normalverteilten Energiespektrum hat geringe Einflusse auf die Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung. Nur bei der spektralen Energiefluenz der Röntgenstrahlung macht sich ein entsprechender Unterschied zwischen zwei Elektronenquellen mit normalverteiltem Elektronenenergiespektrum bemerkbar. Bei fast allen Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung finden sich Unterschiede zwischen parallel- und punktförmigen Elektronenquellen. Nur die mittlere Energieverteilung ändert sich nicht. Bei Variation des Brennfleckdurchmessers verändern sich fast alle Strahlungsfeldgrößen für Röntgenstrahlung außer der mittleren Energieverteilung.

Bei Untersuchung der Dosisverteilungen im Wasserphantom wurden vergleichbare Resultate gefunden: Nur die Energie der Elektronenquelle beeinflusst die Tiefendosisverteilung. Fast alle Parameter der Elektronenquelle haben Auswirkungen auf die Querprofile, besonders bei großen Feldern. Für 15 MV Röntgenstrahlung wurden Einflüsse schon bei 10cm x 10cm Feldgröße festgestellt, bzw. für 6 MV Röntgenstrahlung erst ab 20cm x 20cm Feldgröße. Mit zunehmender Elektronenenergie ist die Position des Dosismaximums tiefer gelegen und der Dosisgradient des Halbschattenbereichs steiler. Bei 15 MV Röntgenstrahlung werden die Auswirkungen der Standardabweichung des normalverteilten Energiespektrums der Elektronenquelle auf die Querprofile sichtbarer als bei 6 MV. Die Form der Elektronenquelle wirkt auf die Querprofile beider Röntgenstrahlungen ein. Bei punktförmiger Elektronenquelle findet sich in der Mitte der Querprofile ein Dosiseinbruch. Der Brennfleckdurchmesser spielt eine wichtige Rolle bei den Querprofilen für 15 MV Röntgenstrahlung. Bei 6 MV Röntgenstrahlung wird der Einfluss des Brennfleckdurchmessers auf die Querprofile erst bei einer Feldgröße ab 20 cm x 20 cm deutlich sichtbar.

Um das optimale Modell für jede Röntgenstrahlung zu ermitteln, wurden die simulierten Dosisverteilungen im Wasserphantom mit den gemessenen verglichen. Das Modell, dessen Ergebnisse mit den Messungen am besten übereinstimmten, wurde als optimales Modell ausgewählt.

Zur weiteren Verifikation des optimalen Modells wurden die Simulationen bei verschiedenen rechteckigen Feldern und bei einem unregelmäßigen Feld durchgeführt. Der Vergleich zwischen diesen Simulationen und den entsprechenden Messungen zeigt eine gute Übereinstimmung. Darüber hinaus wurde der Effekt der Elektronenkontamination auf die Dosisverteilungen im Wasserphantom für jede einzelne Röntgenstrahlung untersucht: Für den 15 MV Röntgenstrahlung war dieser Effekt deutlicher zu erkennen als bei 6 MV. Erwartungsgemäß wird um so mehr Elektronenkontamination erzeugt, je höher die Energie der Linearbeschleuniger ist.

In der vorliegenden Arbeit wurden einige Anwendungen des optimierten Beschleunigerkopfes untersucht. Es zeigte sich, dass die betreffenden Phänomene bei den Messungen durch die Simulationen erklärt werden können. Durch die Untersuchung des Detektormaterialeinflusses auf die totalen Streufaktoren wurde nachgewiesen, dass die Art des Detektormaterials die Unterschiede zwischen den verschiedenen Detektoren verursachen. Unter Verwendung eines Moduls für das MLC wurden Simulationen durchgeführt, um den Nut-und Feder-Effekt zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Simulationen stimmten mit den entsprechenden Messungen überein.

Dok. 1: thesis - text Dok. 2 - 5: appendices ********************************* The present study has purpose to simulate the radiation transports of particle through the head accelerator for 6 MV and 15 MV photon beams. Based on the results of this study, the dose calculation of the irradiation technique can be implemented at clinic routine with higher precision. Furthermore, the simulations with this model are used to verify the corresponding measurements and to explain the phenomena which were found by the measurements.

First, six models are created for each photon beam. The parameters of their electron source are verified to investigate the influences of these parameters on the radiation quantities of the photon beam and on the dose distribution in the water phantom. Here are the following results: The energy of the electron source plays an important role both for the radiation quantities of the photon beam and for the dose distribution on the water phantom. The electron energy affects not only the number of the photon which come in the phase space, but also the characteristics of the photon. The radiation quantities of the photon beam for the monoenergetic electron source are slight different with the radiation quantities of the photon for the electron source with Gaussian spectrum. The variation of the full-width at half-maximum of the energy spectrum has small influences over the radiation quantities of the photon beam. Only at the energy fluence distribution, a corresponding difference between two electron sources with the energy spectrum is found. At almost radiation quantities of the photon beam, the differences between the parallel electron source and the point electron source are found. Only at the mean energy distribution there are no differences. By the variation of the focal spot size of the electron source, almost radiation quantities diversify one another, except the mean energy distribution.

At the investigation of the dose distribution on the water phantom, the comparable results have been found: Only the energy of the electron source affects the depth dose distribution. Almost parameters of the electron source influence the profile, especially at the large field. For 15 MV photon beam, the effects are found principal at field size of 10 cm x 10 cm, respectively for 6 MV photon beam at field size of 20 cm x 20 cm. The increasing of the energy of the electron source caused the increment of the depth dose maximum in water phantom. The full-width at half maximum of the energy spectrum of the electron source affected the profile at 15 MV more than at 6 MV. For 6 MV, the influences of the focal spot of the electron source on profile are observably first for 20 cm x 20 cm field size.

The simulated dose distributions are compared with the measured dose distribution to determine the optimal head accelerator model for each photon beams. The model which gives the best agreement with the measurements was chosen as optimal model.

For the further verification of the optimal model the simulations are employed in water phantom for different field size and for one irregular field. The comparison of these simulations and the according measurements show a good agreement. Furthermore, the effect of the electron contamination at the dose distribution is investigated in water phantom for each individual photon beam. For 6 MV this effect is identified more clearly than for 15 MV: as expected, the higher the energy of linear accelerator, the more the electron contamination.

In this present study, some of the applications of the optimal head accelerator model are investigated. It appears that the simulations can be able to explain the relevant phenomena which were found by the measurements. The investigations of the effect of the detector material at the output factor are proven that the different material of detector causes the differences by the measurements of the output factor. Using the component module which simulates the multi leaf collimator, the tongue and groove effect is investigated. The results of the simulation show a good agreement with the corresponding measurements