Monte Carlo προσομοίωση δεσμών φωτονίων με το Geant4 σε ανθρωπόμορφα ομοιώματα στο πλαίσιο της εξωτερικής ακτινοθεραπείας
Creators: name: Καμπέρης, Ευστάθιος Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2017
Subjects: Προσομοιώσεις Monte Carlo
Ακτινοθεραπεία
Ανθρωπόμορφα μοντέλα
Monte Carlo simulations
Radiotherapy
Virtual family models

description: Το θέμα της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάπτυξη ενός υπολογιστικού περιβάλλοντος που επιτρέπει την προσομοίωση δεσμών φωτονίων σε ανθρωπόμορφα ανατομικά μοντέλα με τη χρήση μεθόδων Monte Carlo και τον υπολογισμό της δόσης στα διάφορα όργανα και ιστούς. Οι προσομοιώσεις πραγματοποιήθηκαν με το Geant4, μια πλατφόρμα για την προσομοίωση της φυσικής υψηλών ενεργειών. Το Geant4 έχει επικυρωθεί μέσω απευθείας συγκρίσεων με πειραματικώς μετρηθείσες κατανομές δόσης. Στο πρώτο τμήμα της εργασίας γίνεται μια σύντομη αναφορά στις βασικές αρχές της ακτινοθεραπείας και στον τεχνολογικό εξοπλισμό που χρησιμοποιείται, όπου περιγράφονται τα διάφορα υλικά τμήματα ενός γραμμικού επιταχυντή και ο τρόπος λειτουργίας του. Γίνεται μια σύντομη εισαγωγή στις μεθόδους Monte Carlo και παρατίθενται βασικά παραδείγματα, όπως η αριθμητική ολοκλήρωση. Αναλύονται τα πλεονεκτήματα και τα μειονεκτήματα των μεθόδων και επισημαίνονται οι τεχνικές μείωσης της διακύμανσης. Στη συνέχεια αναλύεται η μορφή των αρχείων VFM (Virtual Family Models) που κωδικοποιούν τις ανατομικές πληροφορίες των ανθρωπόμορφων μοντέλων. Περιγράφεται η παραμετρική κατασκευή του ανιχνευτή και αναπτύσσεται η μεθοδολογία μέτρησης της τριδιάστατης κατανομής της δόσης. Στη συνέχεια αναλύεται ο τρόπος που από την 3∆ κατανομή υπολογίζουμε στατιστικές ιδιότητες της δόσης των οργάνων. Τέλος, γίνεται αναφορά στα περιθώρια βελτίωσης της μεθοδολογίας μας με τη χρήση αρχείων χώρου φάσεων για τη ρεαλιστική προσομοίωση κλινικών δεσμών, τη δειγματοληψία με κριτήριο σημαντικότητας και τη βελτιστοποίηση του κώδικα
description: The subject of this diploma thesis is the development of a computational framework that will allow us to conduct Monte Carlo based photon beam simulations in virtual family models and seamlessly calculate the dose distribution in organs and tissues of our interest. Simulations have been performed using the Geant4 toolkit, a high-energy physics simulation framework, that has been extensively validated by direct comparisons with experimentally measured dose distributions. In the beginning, we review the fundamental principles of radiotherapy, such as the biological basis of cellular damage from ionizing radiation, the definition of dose units and the various linear accelerator hardware components with their mode of operation. A short presentation is made regarding Monte Carlo methods and some rudimentary examples of numerical integration are demonstrated. We discuss their pros and cons and proceed with reviewing the techniques that are used to reduce variance and speed up calculations. Next, the file format of Virtual Family Models (VFM) is analyzed. VFM files encode the anatomical details of MRI-based segmented organs and tissues of healthy human volunteers. Subsequently, we discuss the parameterization of our detector and the method of calculating its three-dimensional dose distribution. Finally, we develop a set of tools to extract the dose statistics of various organs and tissues from the 3D dose distribution. In the last part, we reflect on some areas where we could make improvements, such as the use of phase space files to simulate clinical photon beams, the use of event biasing by means of importance sampling in organs of high interest and general-purpose code optimization via profiling