Study of therapeutic proton beam formation with GEANT simulation

Abstract

최근들어 양성자 빔을 이용한 암치료가 세계적으로 증가하는 가운데, 치료전 연구의 하나로 몬테칼로 코드인 GEANT 프로그램으로 미국 인디애나 MPRI(Midwest Proton Radiatiotherapy institute)의 빔라인의 치료빔 형성을 연구하였다. GEANT 코드는 원래 고에너지 물리를 위해서 만들어진 코드이나 입자치료를 포함한 저에너지 응용분야에서도 광법위하게 테스트되고 그 유용성이 입증되었다. 이 연구에서는 물에서 측정된 선량분포와의 비교를 위해 실제의 실험에 쓰인 여러가지 빔형성도구들을 포함하여 GEANT 시률레이션을 하였다. 먼저GEANT 코드의 계산의 정확성을 입증하기 위해서 빔이 다른 두께의 구리와 납을 통과할때 일어나는 멀티플 스캐터링을 계산하여 다른 논문에서 이미 실험하여 계산된 값과 비교를 하였다. 또한 MPRI 에서 실험한 다른 에너지대에서의 브래그 커브와 GEANT 시뮬레이션의 결과 값을 비교하여 보았다. 두 경우 모두 GEANT 결과와 거의 일치함을 알수 있었다. 치료빔 형성을 위한 빔변형 도구들을 이해하기 위해서 먼저 회전하는 모듈레이터 휠 이 테스트 되었다. 휠에 의해서 형성되는 상대적 강도가 다른 브래그 커브들은 SOBP(Spread-Out Bragg Peaks)를 만드는데 사용된다. 또한 가로방향의 빔형성에서 중요한 요소인penumabra 가 두개의 스캐터러와 세개의 콜리메이터를 포함하고 있는 수평빔라인에서 시뮬레이션하여 실험값과 비교되었다. 그리고 빔라인의 각각 다른 위치에서 계산된 빔위상공간 변화를 통하여 빔형성 도구들의 배열과 만들어지는 빔모양과의 관계를 알수 있었다. 이런 연구들을 통해 GEANT 시뮬레이션이 양성자 치료를 위한 빔라인의 조정과 특정 모양의 빔형성 면에서 매우 유용하게 쓰일수 있음이 밝혀졌다. ;Cancer therapy using proton beams has been used worldwide recently. As a part of some pre-therapeutic works, a Monte Carlo program GEANT was used to study the therapeutic beam formation of a horizontal beam line at the Midwest Proton Radiotherapy Institute(MPRI) in Indiana. The GEANT code, made originally for high-energy physics, has been tested extensively and known to be reliable even for low-energy applications including particle therapy. In this study, the simulations included necessary beam-modifying devices to be compared with the dose distributions measured in water and in air using ionization chambers. In order to ensure the GEANT calculation on multiple scattering, angular distributions of scattered beams for different thicknesses of copper and lead plates were compared to analytical and experimental values published in the literature. Additionally, depth dose distributions (Bragg curves) were calculated using GEANT for proton beams at different energies and compared with measurements of MPRI. To un erstand functions of beam modifying tools for therapeutic beam formation, a rotating modulator wheel was tested first. The varying relative intensities of Bragg curves formed by the wheel are used to yield Spread-Out Bragg Peaks(SOBP). The lateral penumbra, which is an important factor in transverse beam property, was also investigated for the horizontal beam line, which includes two scatterers and three collimators. The motion of beam phase space was calculated at specific positions along the beam line. The arrangement of beam modifying devices can be further optimized with the study of phase space motions. The GEANT simulations were found to be very useful in the study of therapeutic beam formation, and in the aspect of optimizing the beam line for proton therapy.