[論文レビュー] A comparison of proton ranges in complex media using GATE/Geant4, MCNP6 and FLUKA

Jarle Rambo Sølie, Helge Egil Seime Pettersen+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 2, 2017

Radiation Therapy and Dosimetry参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、GATE/Geant4、MCNP6、FLUKAの3つのモンテカルロ放射線輸送コードを用いて、複雑な媒体における陽子線の範囲予測を、半経験的データと比較した。コード間で平均範囲、横方向拡散、核反応損失において強い一致を示し、横方向ビーム拡散に関してはGATE/Geant4にわずかな差異が、MCNP6は水中での範囲をわずかに低く見積もっているが、これらは陽子線治療およびCT検出器設計におけるコードの有効性を裏付けるものである。

ABSTRACT

The Monte Carlo (MC) simulation method is a powerful tool for radiation physicists, and several general-purpose software packages are commonly applied in a myriad of different radiation physics fields today. In medical physics, charged particle detectors for proton Computed Tomography are under development, a modality introduced in order to increase the accuracy of proton radiation therapy. MC simulations are helpful during the development and optimization phase of such detector systems. In order to justify the usage of MC for such purposes, the simulation output must be validated against experimental or theoretical data, or even cross-checked between different MC software packages. In this study, we compare three general-purpose MC software packages (GATE/Geant4, MCNP6 and FLUKA) with respect to how they predict the spatial distribution of the stopping position of protons. They are compared to each other and to semi-empirical data, using the mean proton range, the longitudinal and lateral variation of individual proton ranges, and the fraction of primary protons lost to nuclear interactions. This comparison is performed in two homogeneous materials and in a detector geometry designed for proton Computed Tomography. The three MC software packages agree well, and sufficiently reproduce the semi-empirical data. Some discrepancies are observed, such as less lateral beam spreading in GATE/Geant4, and a small deficiency in the MCNP6 proton range in water: This is consistent with previously published data. Due to the general agreement, the choice of simulation framework may be made on personal preferences. It is important to note that the choice of physics packages, simulation parameter settings and material definitions are important aspects when performing MC simulations, both during the preparation, execution and interpretation of the simulation results.

研究の動機と目的

• GATE/Geant4、MCNP6、FLUKAという3つの主要なモンテカルロコードにおける陽子線範囲予測の一貫性を評価すること。
• 不均一媒体における陽子線の停止力に関する既存の半経験的データと照らし合わせ、シミュレーション結果の妥当性を検証すること。
• コード固有の物理モデルおよびシミュレーションパラメータが、陽子線範囲およびビーム拡散予測に与える影響を評価すること。
• 陽子線コンputedトモグラフィー（CT）検出器の設計および最適化におけるモンテカルロシミュレーションの信頼性を支援すること。
• 医用物理学の応用分野における性能、正確性、ユーザーの好みに基づいたコード選定の指針を提供すること。

提案手法

• GATE/Geant4、MCNP6、FLUKAを用いて、均一な材料（水およびPMMA）および陽子CT検出器の幾何形状における陽子輸送をシミュレートした。
• 公平な比較を確保するため、各コードに標準的な物理リストとデフォルトのシミュレーションパラメータを採用した。
• 個々の陽子線の範囲を追跡し、平均範囲、縦方向および横方向の分散、核反応による損失割合を算出した。
• 既存の陽子線停止力関係に基づいて導出された半経験的データと、シミュレーション出力を直接比較した。
• 3つのソフトウェアパッケージ間でのビーム拡散および範囲予測の差異を分析した。
• コードに依存する差を分離するため、すべてのシミュレーションで同一の材料定義および粒子源設定を採用した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 GATE/Geant4、MCNP6、FLUKAは、水およびPMMAにおける平均陽子線範囲をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 3つのコードは、複雑な媒体における陽子線範囲の縦方向および横方向の分散をどの程度正確に再現できるか？
• RQ3 各シミュレーションフレームワークにおける一次陽子の核反応による損失割合はいかほどか？
• RQ4 シミュレーション結果は、半経験的陽子線停止力データとどの程度定量的に一致するか？
• RQ5 陽子CTにおける検出器設計に影響を及ぼす可能性がある、ビーム拡散または範囲予測における系統的な差異は存在するか？

主な発見

• GATE/Geant4、MCNP6、FLUKAの3つのモンテカルロコードは、水およびPMMAにおける平均陽子線範囲予測において強い一致を示した。
• GATE/Geant4は、MCNP6およびFLUKAと比較して横方向ビーム拡散がやや少なかったため、多次散乱モデルの差異が示唆された。
• MCNP6は、水中における陽子線範囲をわずかに一貫して低く見積もっており、以前に報告された乖離と一致する。
• 3つのコードすべてが、半経験的データにおける陽子線範囲を許容範囲内で再現しており、陽子線治療およびCT検出器シミュレーションにおける使用妥当性が裏付けられた。
• 核反応による陽子損失割合は、すべてのコードで同等であり、核反応の取り扱いが一貫していることを示した。
• わずかな差異はあったが、全体的な一致は、いずれのコードも陽子CT検出器開発において信頼できる結果を提供することを支持しており、コード選定はユーザーの好みおよび設定に従うべきである。