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
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