Path: TopS3-DissertationsPhysics-FMIPA2017

KONTAMINASI ELEKTRON DAN NEUTRON PADA BERKAS FOTON VARIAN TRILOGY CLINAC iX

ELECTRON AND NEUTRON CONTAMINATION IN VARIAN TRILOGY CLINAC iX PHOTON BEAM

PhD Theses from JBPTITBPP / 2017-09-27 15:44:49
Oleh : SITTI YANI (NIM : 30212004), Department of Physics
Dibuat : 2017, dengan 8 file

Keyword : Radioterapi, Monte Carlo, Kontaminasi elektron, Kontaminasi Neutron

Partikel kontaminasi berupa elektron dan neutron yang diproduksi oleh head linear accelerator (Linac), akibat interaksi antara foton dengan komponen penyusun head Linac dan udara di antara pasien dan head Linac. Partikel kontaminasi ini memberikan kontribusi secara signifikan terhadap dosis permukaan pada pasien yang diradiasi. Tiga metode yang dapat digunakan untuk menghitung dosis akibat partikel kontaminasi pada head Linac yakni pengukuran langsung dengan menggunakan magnet, metode analitik dan simulasi Monte Carlo (MC). Di antara ketiga metode tersebut, simulasi MC dapat memberikan hasil yang paling akurat. Untuk mengetahui karakteristik partikel kontaminasi yang dihasilkan, informasi material dan geometri setiap komponen head Linac memegang peranan penting dalam metode MC. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengkarakteriasi partikel kontaminasi dari berkas foton yang diproduksi oleh Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan metode simulasi MC untuk ukuran medan paparan yang luas dan sempit. Dalam penelitian ini, proses validasi dari hasil simulasi dilakukan dengan membandingkan hasil yang diperoleh dari simulasi dengan data hasil pengukuran dan hasil-hasil penelitian lain yang relevan.


Penelitian ini terdiri atas empat tahapan. Tahap pertama adalah proses commissioning yang dilakukan dengan menghitung deviasi distribusi dosis hasil simulasi MC terhadap data pengukuran di Tan Tock Seng Hospital (TTSH) Singapura. Tujuan dari proses commissioning ini adalah menentukan energi awal elektron dalam menyimulasikan berkas foton 6 and 10 MV. Commisioning dilakukan dengan tiga langkah yakni pemodelan head Linac melalui BEAMnrc, karakterisasi model melalui BEAMDP dan analisis deviasi percent depth dose (PDD) serta profil dosis antara hasil simulasi dan pengukuran dengan DOSXYZnrc. Head Linac dibagi menjadi 2 bagian (komponen patient-dependent dan patient-independent) agar waktu simulasi dapat direduksi. Pembentukan ukuran medan paparan melalui penggunaan millennium MLC 120 leaf Varian Clinac iX. Energi elektron datang divariasikan pada energi 6,1; 6,2; 6,3 dan 6,4 MeV untuk berkas foton 6 MV serta 10,1; 10,2; 10,3 dan 10,4 MeV untuk 10 MV dengan FWHM (full width at half maximum) 1,0 mm. Energi elektron datang hasil commissioning dipilih berdasarkan deviasi PDD dan profil dosis yang memiliki nilai ≤ 5%. Berdasarkan hasil analisis deviasi diperoleh energi elektron awal yang digunakan untuk simulasi berkas foton 6 dan 10 MV masing-masing sebesar 6,4 dan 10,3 MeV. Pengaturan dimensi voxel pada simulasi EGSnrc dibedakan berdasarkan peruntukannya agar memberikan hasil dan waktu simulasi yang lebih tepat. Pengaturan dimensi voxel pada perhitungan PDD dan profil dosis berbeda dengan memperhatikan daerah build-up dan fall-off.


Tahap berikutnya adalah simulasi kontaminasi elektron yang dilakukan dengan EGSnrc-code untuk berkas foton 6 dan 10 MV. Data file phase space (phsp) pada akhir simulasi tahapan awal penelitian dianalisis untuk membedakan jenis partikel di dalamnya (semua partikel, foton dan elektron). Informasi partikel dalam file ini juga diinvestigasi untuk menghitung jumlah elektron yang dihasilkan oleh head Linac dengan ukuran medan paparan yang berbeda. Perhitungan PDD dan profil dosis yang menggunakan sumber semua partikel dan foton disimulasikan pada phantom air berukuran 40×40×40 cm3. Dosis akibat keberadaan elektron dihitung berdasarkan selisih dosis yang dihasilkan oleh kedua sumber partikel yang berbeda tersebut. Dosis akibat kontribusi elektron kontaminasi meningkat dengan penambahan ukuran medan paparan dan menurun seiring dengan bertambahnya kedalaman. Dosis akibat kontaminasi untuk berkas foton 6 MV ini sebesar 39,3%; 28,2% dan 16,4% masing-masing pada kedalaman 0,3; 0,5 dan 0,7 cm dari permukaan phantom untuk medan paparan 10×10 cm2. Nilai ini diperoleh dengan membandingkan dosis akibat kontaminasi elektron terhadap dosis semua partikel. Dosis akibat kontaminasi elektron pada ukuran medan paparan yang kecil (kurang dari 6×6 cm2) memiliki nilai yang kecil. Besar dosis akibat kontaminasi elektron yang diterima oleh permukaan phantom air adalah 2,14% pada ukuran medan paparan 4×4 cm2 untuk Linac 6 MV.


Lebar penumbra pada ukuran medan paparan yang sempit berkisar antara 0,4 – 0,6 cm untuk berkas foton head Linac 10 MV. Hal menarik dari hasil ini diperoleh bahwa kedalaman yang memiliki dosis maksimum (dmaks) mengalami pergeseran ke arah kedalaman yang lebih besar untuk medan paparan yang lebih luas. dmaks untuk medan paparan 1×1 dan 5×5 cm2 masing-masing berada pada kedalaman 2,1 dan 2,7 cm.


EGSnrc memiliki keterbatasan jenis partikel yang dapat disimulasikan. Neutron tidak dapat disimulasikan menggunakan perangkat lunak ini sehingga simulasi kontaminasi neutron pada berkas foton 6 dan 10 MV dilakukan dengan MCNPX-code. Perangkat lunak MCNPX-code terlebih dahulu dibandingkan dengan EGSnrc-code untuk geometri yang sederhana sehingga proses commissioning head Linac tidak dilakukan lagi.


Tahap ketiga, hasil-hasil simulasi MC dengan EGSnrc-code dibandingkan dengan hasil-hasil simulasi MCNPX-code. Simulasi dilakukan untuk membandingkan distribusi spektrum, ketidakpastian statistik dan waktu simulasi pada geometri sederhana (target sinar-X berkas foton 6 MV). Distribusi spektrum yang diperoleh menunjukkan bahwa spektrum yang dihasilkan tidak persis sama (deviasi kurang dari 5%) terutama pada daerah build-up. Namun,. Puncak 100% pada EGSnrc dan MCNPX masing-masing berada pada energi 0,245 dan 0,250 MeV. Sedangkan pada bagian fall-off, bentuk dan nilai spektrumnya serupa dengan perbedaan kurang dari 2%. Dengan nilai deviasi yang kecil, proses commissioning tidak dilakukan. Simulasi dengan MCNPX-code menggunakan energi elektron awal yang sama dengan hasil pada tahapan awal penelitian.


Tahap terakhir adalah simulasi kontaminasi neutron pada berkas foton Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan MCNPX-code. Head Linac berkas foton 6 MV tidak menghasilkan kontaminasi neutron. Kontaminan ini hanya dihasilkan oleh head Linac berkas foton 10 dan 15 MV. Kontaminasi neutron diproduksi terutama pada komponen target, kolimator primer, JAWS X dan Y dan MLC. Kontaminasi neutron memberikan kontribusi pada berkas foton Linac Varian. Sebagian besar neutron yang dihasilkan mengalami hamburan ke ruang treatment yang dapat membahayakan pasien dan pekerja radiasi. Energi neutron pada scoring plane yang berjarak 100 cm dari target pada berkas foton 10 dan 15 MV masing-masing sebesar 2,239 dan 4,467 MeV. Neutron dengan energi tersebut berbahaya karena memiliki nilai bobot radiasi lebih tinggi dibandingkan dengan foton berenergi sama sehingga tidak dapat diabaikan.


Simulasi kontaminasi elektron dan neutron pada berkas foton Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan EGSnrc dan MCNPX-code memberikan hasil yang akurat. Kontaminan tidak dapat diabaikan terutama pada Linac dengan energi tinggi dan ukuran medan paparan yang besar. Kontaminasi elektron memegang peranan penting terhadap dosis permukaan pada ukuran medan paparan yang luas maupun sempit.

Deskripsi Alternatif :

Contaminating particles (electrons and neutrons) are produced in a head linear accelerator (Linac) by photon-material interactions with head linac components. These particles contamination influence the dose distribution in target and become major contribution in surface dose. To investigate the characteristics of particles contamination, the detailed information about the geometries and material from each component in the head Linac should be provided. From some literatures, there are three methods to determine electron contamination, e.g. direct measurement with a magnet, analytical method and Monte Carlo (MC) simulation. Nowadays, MC simulation provides an accurate and good method to investigate the particle contamination. Therefore, the aim of this study is to determine the characteristics of contaminant electrons and neutrons from head of Varian Clinac iX 6 MV photon beam using MC simulation for small and large field sizes.


This research consist of 4 steps. The First step was the commissioning process. This process was to compare the dose distribution between simulation and measurement data from Tan Tock Seng Hospital (TTSH) Singapore to obtain the incident electron energy for 6 and 10 MV photon beam. MC simulation for commissioning head Linac was divided into three stages are design head Linac model using BEAMnrc, characterize this model using BEAMDP and analyze the difference between simulation and measurement data using DOSXYZnrc. In the first step, to reduce simulation time, a virtual head linac was built in two parts (patient-dependent components and patient-independent components). The incident electron energy varied between 6,1; 6,2; 6,3 and 6,4 MeV for 6 MV photon beam and 10,1; 10,2; 10,3 and 10,4 MeV for 10 MV with FWHM (full width at half maximum) of source was 1 mm. Phase-space file was from the virtual model characterized using BEAMDP. The results of MC calculations using DOSXYZnrc in water phantom were percent depth doses (PDDs) and beam profiles at depths 10 cm were compared with measurements. This process has been completed if the dose difference of measured and calculated relative depth-dose data along the central axis and dose profile at depths 10 cm was ≤ 5%. The effect of beam width on percentage depth doses and beam profiles was studied. Results of the virtual model were in close agreement with measurements in incident energy electron 6.4 MeV and 10.3 MeV for 6 and 10 MV, respectively. This results showed that photon beam width could be tuned using large field beam profile at the depth of maximum dose. MC model developed in this study accurately represents the Varian Clinac iX with millennium MLC 120 leaf and can be used for reliable patient dose calculations.


The second step was simulating electron contamination using EGSnrc code system. Electron contamination plays an important role in surface dose. Dose of the contamination for a 6 MV photon beam was at 39,3%; 28,2% and 16,4% respectively at depths of 0,3; 0,5 and 0,7 cm from the surface of the phantom for a wide field of 10×10 cm2. This value was obtained by comparing the dose of the contamination of electrons to a dose of all particles from phsp file. Doses due to contamination of electrons in cases with extensive grounds were small (less than 6 cm) has a small value. For the field of 4×4 cm2 was found that the dose of the contamination was 13.6% on the surface of the water phantom.


The penumbra width (region at the edge of field size which dose rate changed rapidly from 80% to 20%) for all small field size for 10 MV photon beam was around 0,4 – 0,6 cm. It is important to point out that the depth with dose maximum (dmaks) for PDD curve has a little bit shifted. For the smallest field size 1×1 cm2, it was found to have a maximum depth of 2,7 cm, whereas for the largest field size 5×5 cm2, the depth has increased to 2,1 cm. This shift in the maximum depth, corresponded with the number of scatter particle.


Third, comparing the spectral distribution, statistical uncertainty and simulation time between EGSnrc and MCNPX code system. Comparison between EGSnrc and MCNPX on simple geometry (X-ray target 6 MV photon beam) was also performed to compare the spectral distribution of photon, statistical uncertainty and simulation time. The output particles analyzed in this simulation was photon. The results showed that the spectrum from EGSnrc and MCNPX was not well-matched. It was under 5% differences, especially in the build-up region. The spectral distribution chart was a visual representation of the X-ray spectrum produced by a 6 MV photon beam target. The 100% peak of EGSnrc and MCNPX spectral distribution were 0,245 and 0,250 MeV, respectively. Meanwhile, the spectrum has the same shape and value in the tail region with the difference not more than 2%.


The last, neutron contamination simulation for Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV photon beam was performed using MCNPX. Neutron contamination was not found in 6 MV photon beam. These contaminants were found only in 10 and 15 MV formed mainly on X-ray target, primary collimator, vacuum window, flattening filter (FF), JAWS X and Y and MLC. Contamination neutrons contributed to the photon beam although most of them were scattered to treatment room. Neutrons energy in scoring plane within 100 cm from the target were 2,239 and 4,467 MeV for 10 and 15 MV photon beam, respectively. Neutrons with these energy is dangerous for patients and radiation workers since neutrons have a high relative biological effectiveness (RBE) and cannot be ignored. This study increased our knowledge of the clinical photon beams and associated contaminant electrons and neutrons for large and small field sizes. It demonstrated the accuracy of the Monte Carlo technique in simulating these contaminations. The higher the energy head Linac and filed sizes will be even greater, which means more dangerous for patients and radiation workers.

Beri Komentar ?#(0) | Bookmark

PropertiNilai Properti
ID PublisherJBPTITBPP
OrganisasiDepartment of Physics
Nama KontakUPT Perpustakaan ITB
AlamatJl. Ganesha 10
KotaBandung
DaerahJawa Barat
NegaraIndonesia
Telepon62-22-2509118, 2500089
Fax62-22-2500089
E-mail Administratordigilib@lib.itb.ac.id
E-mail CKOinfo@lib.itb.ac.id

Print ...

Kontributor...

  • Pembimbing : Prof. Idam Arif, Ph.D., Editor: Ratnasari

File PDF...