Radyoterapide monte carlo doz hesaplama algoritmasının geliştirilmesi
Developing monte carlo dose calculation algorithm in radiation therapy
Yazar: SÜMEYRA CAN
Danışman: DOÇ. DR. EREN ŞAHİNER ; PROF. DR. DİDEM KARAÇETİN
Ankara Üniversitesi / Nükleer Bilimler Enstitüsü / Medikal Fizik Ana Bilim Dalı / Medikal Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering ; Radyasyon Onkolojisi = Radiation Oncology
Dizin: Doz-cevap ilişkisi-radyasyon = Dose-response relationship-radiation ; Radyasyon dozajı = Radiation dosage ; Radyasyon onkolojisi = Radiation oncology ; Radyoterapi = Radiotherapy ; Saçınım-radyasyon = Scattering-radiation ; Tıbbi fizik = Medical physics

Özet:
Teorik olarak, Monte Carlo (MC) yöntemi, tıbbi medikal fizik alanında soğrulan dozun hesap edilmesinde önemli bir rol oynar. Bu çalışmada, radyoterapide soğrulan dozun hesap edilmesi için tüm atom-foton etkileşim mekanizmalarının simüle edilmesi ve Elekta VersaHD lineer hızlandırıcının sanal kaynak modellemesini yapmak için yeni bir Monte Carlo doz hesaplama algoritması (MC-SCAN) geliştirilmesi hedeflendi. MC-SCAN modellemesinde rastgele sayılar üretmek için Mersenne Twister (MT) algoritmasından yararlanıldı. Fotonların enerji spektrumunu simüle etmek amacıyla Mohan 6 MV foton spektrumu kullanıldı ve kaynak bir nokta kaynak olarak modellendi. Soğrulan doz, Su fantomu ve RW3 fantom geometrisi ile hesaplandı ve tüm etkileşim mekanizmaları, enerji birikimini elde etmek için modellendi. Mutlak doz, her iki fantom için output faktörleri, TPR20/10, PDD, farklı alan boyutları için (5x5 cm2 ila 40x40 cm2) foton profili ve ayrıca 10x10 cm2 alanda nokta doz geliştirilen MC-SCAN algoritması ile hesaplandı. Daha sonra, elde edilen tüm sonuçlar deneysel ölçümlerle karşılaştırıldı. Ortalama foton enerjisi yaklaşık 1,983 MV olarak hesap edildi. Hesaplanan ortalama enerji ile teorik enerji değeri olan 2 MV arasındaki fark <1% elde edildi. MC-SCAN modellemesi ile hesaplanan TPR20/10 değeri (0,685 ± 0,03). Hesaplanan ve ölçülen değer arasındaki fark 1,31% idi. Deneysel PDD ve foton profili ile MC-SCAN modellemesi ile hesaplanan değerler arasındaki fark, tüm alan boyutları için <3% olarak hesaplandı. Sanal kaynak modelini simüle etmek için alternatif bir araç olarak kullanılma potansiyeline sahip olan                  MC-SCAN Monte Carlo doz hesaplama algoritması Elekta VersaHD LINAC üzerinde test edildi.              MC-SCAN'ın hesaplanan tüm değerler için, deneysel ölçümler arasındaki fark <3% olarak elde edildi ve üretici kriteri olan <3% şartını sağladı. Sonuç olarak bu tez çalışması kapsamında paket program kullanılmadan radyoterapide yeni bir Monte Carlo doz hesaplama algoritması geliştirilmiş oldu.

Abstract:
Monte Carlo simulation is conformed as the most accurate method of calculating dose absorption in radiation therapy. The aim of this study is to develop in-house Monte Carlo dose calculation algorithm, namely MC-SCAN, to simulate all mechanisms of interactions for accurate dose calculation in radiation therapy and evaluate the MC-SCAN with beam modeling of Elekta VersaHD linear accelerator. Mersenne Twister (MT) algorithm was taken advantage of in MC-SCAN modeling so as to generate the random numbers. Mohan 6 MV photon spectrum was used to simulate the energy spectrum of the photons and the source is simulated as a point source. The absorbed dose is calculated with Water and RW3 phantom geometry and all interaction mechanisms were modeled to gain energy deposition. MC-SCAN dose engine was used to stimulate absolute dose, output factors of both phantoms, TPR20/10, PDD, photon profile of different field sizes (5x5 cm2 to 40x40 cm2) as well as point dose of 10x10 cm2; after that, a comparison of all the achieved results with experimental measurements went through. The mean photon energy achieved to be approximately 1.983 MV. The difference between calculated mean energy and theoretical one (2 MV) is <%1. The calculated TPR20/10 value via MC-SCAN modeling as (0.685 ± 0.03). The difference between the calculated and measured value turned to be %1.31. the difference between experimental PDD and photon profile, and the calculated ones by MC-SCAN modeling was <%3 for all field sizes. Owning the potential to be used as an alternative tool to simulate virtual source model, the MC-SCAN Monte Carlo engine was used for the same purpose on Elekta VersaHD LINAC. All calculated values of MC-SCAN turned out to present the difference between experimental measurements to be < 3%. Nonetheless, the algorithm is in dire need of further research for the sake of improvement.