Siemens artiste lineer hızlandırıcı cihazının Monte Carlo Yöntemi kullanılarak modellenmesi ve enerjiye etki eden parametrelerin değerlendirilmesi
Modeling of the siemens artiste linear accelerator device with using Monte Carlo Method and evaluation of parameters effecting to energy
Yazar: TAYLAN TUĞRUL
Danışman: PROF. DR. OSMAN EROĞUL
TOBB Ekonomi ve Teknoloji Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Biyomedikal Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences ; Onkoloji = Oncology

Özet:
Radyoterapinin amacı, tümöre yüksek dozda radyasyon verirken, tümörün etrafında bulunan sağlıklı dokuları en iyi şekilde korumaktır. Bu amaca ulaşmak için, elde edilen doz dağılımı, kesin doğruluk içeren metotlarla doğrulanmalıdır. Monte Carlo metodu, çeşitli fiziksel süreçler için olabilecek etkileşimleri en doğru şekilde simüle eder ve rastgele sayılar kullanarak problemleri çözmeye çalışır. Bu metot, elektron ve fotonun, havada ve madde içinde karşılaşabileceği bütün durumları doğru bir şekilde kontrol eder. Monte Carlo metodu, her bir parçacığı, bütün enerjisi bitene kadar takip eder ve yaptığı bütün etkileşimleri hesaplar. Bu yüzden bu metot, radyoterapi tedavilerinin simülasyonu için en doğru metot olma özelliği taşır. 
Bu çalışmada, 6 MV enerjili Siemens Artiste lineer hızlandırıcı cihazının (LİNAK), birincil elektron parametreleri, Monte Carlo metodu kullanılarak incelenmiştir. Hedefe çarpan birincil elektronların, Ortalama Enerji ve Yarı Maksimumdaki Tam Genişlik (YMTG) gibi karakteristik özelliklerinin 
tanımlanması gerekli olduğundan, bu gibi parametreleri belirlemek için Monte Carlo metodu kullanılmıştır. Yüzde Derin Doz (YDD) ve lateral doz profili ölçüm değerleri, iyon odası kullanılarak su fantomunda ölçülmüştür. Aynı zamanda, farklı derinliklerde film dozimetrisi kullanılarak, yüzde derin doz ve lateral doz profil değerleri elde edilmiştir. İlk adımda, Siemens Artiste lineer hızlandırıcı cihazı, BEAMnrc kodu kullanılarak modellenmiştir. Bu adımda, lineer hızlandırıcı cihazının kafa kısmında bulunan bileşenler modellenmiştir. Bu bileşenler: çıkış penceresi, hedef, birincil kolimatörler, düzleştirici filtre, iyon odaları, Y çeneleri ve X çok yapraklı kolimatörlerden (ÇYK) oluşmaktadır. İkinci adımda ise, BEAMnrc kodu kullanılarak elde edilen faz uzay dosyası, DOSXYZnrc simülasyon programında kullanılmıştır. Bu adımda, DOSXYZnrc içinde oluşturulan su fantomu üzerinde elde edilen doz dağılımları incelenmiştir. Bütün sonuçlar, 100 cm olan kaynak cilt mesafesinde (SSD) ve 10 x 10 cm2 alanda elde edilmiştir. Birincil elektron parametreleri olarak, 6.3 MeV ortalama enerji ve 0.30 cm YMTG değeri kullanıldığında, Monte Carlo simülasyonu ile elde edilen değerler ve ölçüm sonuçları arasında iyi bir uygunluk elde edilmiştir. YMTG değerlerinin, yüzde derin doz eğrisi üzerinde çok az etkisinin olduğu gözlemlenmiştir. Ortalama enerji değerlerinin ve YMTG değerlerinin, lateral doz profili üzerinde etkisinin olduğunun fakat bu etkinin tolerans değerleri içinde kaldığı görülmüştür. Birincil elektron parametreleri, özellikle lineer hızlandırıcı cihazının kafasında bulunan bileşenlere bağlıdır. Elektron parametreleri üzerindeki küçük bir değişiklik, doz dağılımı üzerinde güçlü etkiler yaratabilir. Bu nedenle elektron parametreleri doğru bir şekilde belirlenmelidir. Tez çalışması kapsamında Monte Carlo simülasyonundan elde edilen faz uzay dosyası, doz saçılmalarında, ÇYK sızıntılarında, hasta üzerinde herhangi bir yerde oluşan doz dağılımının kontrol edilmesi ve karşılaştırılmasında ve çeşitli radyasyon çalışmalarında kullanılabilir.
 
 

Anahtar Kelimeler: Monte Carlo, Simülasyon, BEAMnrc, DOSXYZnrc, Siemens Artiste.

Abstract:
The main purpose of radiotherapy is to give the highest radiation dose to the tumor and to deliver minimum dose to the healthy tissues surrounding tumor. To achieve this purpose, the dose distribution must be compared and verified with a high accuracy method. The Monte Carlo method simulates interaction possibilities for various physical processes and to solve the problem by using random numbers. This method uses reliable distribution functions that control each interaction of photons and electrons in air and matter. As the Monte Carlo method tracks each particle throughout its lifetime and takes into account all the interactions it does, this method is the most accurate method for simulation of radiotherapy treatments. In this study, we have investigated initial electron parameters of Siemens Artiste linear accelerator (LINAC) with 6 MV photon beam by using the Monte Carlo method. It is essential to define all the characteristics of initial electrons hitting the target i.e. mean energy and full width 
of half-maximum (FWHM) of the spatial distribution intensity, which is needed to run Monte Carlo simulations. Measurement data of percent depth dose (PDD) and lateral dose profile were obtained in water by a farmer ion chamber. In additional, we have used film dosimetry in different depth for PDD and lateral dose. At the first step, Siemens Artiste LINAC head geometry was modeled using BEAMnrc code after the specifications of LINAC obtained from the manufacturer. The BEAMnrc of LINAC head components include the exit window, target, primary collimator, flattening filter, monitor chamber, Y Jaws and X multi leaf collimator (MLC). At the second step, the phase space files were used as input file to DOSXYZnrc simulation to determine the dose distribution in water phantom that was created by DOSXYZnrc program. The dose distributions for PDD and beam lateral dose profile have been calculated in water phantom. All the results were obtained at source-surface distance (SSD) of 100 cm and in 10 x 10 cm2 field. It was concluded that there existed a good conformity between Monte Carlo simulation and measurement data when we used electron mean energy 6.3 MeV and 0.30 cm FWHM value as initial parameters. We have observed that FWHM values affect very little on PDD and we see the electron mean energy and FWHM values affect on lateral dose profile. However, these effects are between tolerance values. The initial parameters especially depend on components of LINAC head. A small change in electron parameters creates strong effects on the dose. Therefore, electron parameters should be well defined. Within the scope of this thesis, the phase space file obtained from Monte Carlo Simulation can be used in dose scattering, MLC leakage, checking and comparing the dose distribution occurring anywhere on the patient and in various radiation studies.  
 


Keywords: Monte Carlo, Simulation, BEAMnrc, DOSXYZnrc, Siemens Artiste.