[논문 리뷰] A comparison of proton ranges in complex media using GATE/Geant4, MCNP6 and FLUKA

Jarle Rambo Sølie, Helge Egil Seime Pettersen외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 02.

Radiation Therapy and Dosimetry참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 GATE/Geant4, MCNP6, 그리고 FLUKA와 같은 세 가지 몽테카를로 방사선 운반 코드를 사용하여 복잡한 매질 내 양성자 범위 예측을 반경험적 데이터와 비교한다. 코드들은 평균 범위, 횡방향 산란, 핵 상호작용 손실에서 높은 일치를 보이며, 횡방향 빔 산란에서의 약간의 차이( GATE/Geant4)와 MCNP6에서 물 내 범위 예측이 약간 과소평가되는 경향을 보이며, 이는 양성자 치료 및 CT 검출기 설계에 응용 가능함을 검증한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 세 가지 주요 몽테카를로 코드인 GATE/Geant4, MCNP6, FLUKA 간의 양성자 범위 예측 일致성 평가
• 이질적 매질 내 양성자 정지 범위에 대한 반경험적 데이터와의 시뮬레이션 결과 검증
• 코드별 물리 모델 및 시뮬레이션 설정이 양성자 범위 및 빔 산란 예측에 미치는 영향 평가
• 양성자 단층촬영 검출기 설계 및 최적화에 있어 몽테카를로 시뮬레이션의 신뢰성 지원
• 의료 물리 적용 분야에서 성능, 정확도 및 사용자 선호도를 바탕으로 코드 선택 가이드 제공

제안 방법

• GATE/Geant4, MCNP6, FLUKA를 사용하여 균질한 물질(물 및 PMMA)과 양성자 CT 검출기 기하구조를 통과하는 양성자 운반 시뮬레이션 수행
• 공정한 비교를 위해 각 코드의 표준 물리 리스트와 기본 시뮬레이션 설정 사용
• 개별 양성자 범위 추적을 통해 평균 범위, 종방향 및 횡방향 산란, 핵 상호작용으로 인한 손실 비율 계산
• 기존의 양성자 정지력 관계에서 유도된 반경험적 데이터와 시뮬레이션 결과 직접 비교
• 세 소프트웨어 패키지 간의 빔 산란 및 범위 예측에서의 격차 분석
• 모든 시뮬레이션에서 일관된 물질 정의 및 입자 소스 설정을 사용하여 코드에 의한 차이만 고립

실험 결과

연구 질문

• RQ1 GATE/Geant4, MCNP6, FLUKA는 물과 PMMA에서 평균 양성자 범위를 어떻게 예측하는가?
• RQ2 세 코드는 복잡한 매질 내 양성자 범위의 종방향 및 횡방향 산란을 어느 정도 정확히 재현하는가?
• RQ3 각 시뮬레이션 프레임워크에서 핵 상호작용으로 인해 손실되는 주요 양성자 비율은 얼마인가?
• RQ4 시뮬레이션 결과는 반경험적 양성자 정지력 데이터와 정량적으로 어떻게 비교되는가?
• RQ5 양성자 CT 검출기 설계에 영향을 줄 수 있는 빔 산란 또는 범위 예측의 체계적 차이가 있는가?

주요 결과

• GATE/Geant4, MCNP6, FLUKA의 세 몽테카를로 코드는 물과 PMMA 모두에서 평균 양성자 범위 예측에서 높은 일치를 보였다.
• GATE/Geant4는 MCNP6 및 FLUKA보다 횡방향 빔 산란이 적었으며, 이는 다중 산란 모델링의 차이를 시사한다.
• MCNP6는 물 내에서 양성자 범위를 약간 과소평가하는 경향을 보였으며, 이는 이전에 보고된 격차와 일치한다.
• 모든 세 코드가 반경험적 데이터를 수용 가능한 오차 범위 내에서 재현하여, 양성자 치료 및 CT 검출기 시뮬레이션에 응용 가능함을 검증하였다.
• 핵 상호작용으로 인한 양성자 손실 비율은 모든 코드 간에 유사했으며, 핵 상호작용 처리 방식이 일관됨을 시사한다.
• 소량의 차이가 있음에도 불구하고, 전체적인 일치도는 세 코드 중 어느 것이든 양성자 CT 검출기 개발에 신뢰성 있게 사용될 수 있음을 뒷받침하며, 코드 선택은 사용자 선호도 및 설정 설정에 따라 결정된다.