Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System PHITS Multi-Purpose Particle and Heavy Ion Transport code System X線の多門照射シミュレーション 2014年3月改訂 title 1

本実習の目標 複数方向からX線を照射した場合の吸収線量の評価を行い、多門照射によるX線治療のシミュレーションができるようになる。 10MeVの電子をW+Cu標的にあてて発生するX線を 4方向から水ファントムに照射した場合の吸収線量分布 Purpose 2

実習内容 体系の確認 粒子フルエンスと吸収線量の空間分布 [transform]を用いたX線の照射方向の変更 照射方向を変えた複数の計算方法 複数のタリー結果の足し合わせ Table of contents 3

MultipleBeamIrradiation.inp 初期設定の体系 Input file 4 Water phantom Electron 10 MeV X-ray (photon) 30 cm 約50 cm 10 cm Primary collimator Movable collimator Flattening filter W + Cu target 6 cm 1 cm 4 cm 10 cm 6 cm 1 cm 0.1+1.0 cm 6 cm 1 cm 1辺10 cmの立方体×4 Input file 4

体系の確認 はじめに、このインプットファイルで構築している3次元体系を描画機能を用いて把握する。 Icntl=7としてPHITSを実行すると[t-gshow]が、 Icntl=11として実行すると[t-3dshow]が有効となり、これらのタリー結果が出力されます。 [ T - Gshow ] title = Geometry check on xz-plane ・ ・ ・ ・ ・ ・ file = gshow-xz.dat [ T - 3Dshow ] title = Geometry check using [T-3dshow] file = 3dshow.dat ・ ・ ・ ・ ・ ・ [ T - Gshow ] title = Geometry check on yz-plane ・ ・ ・ ・ ・ ・ file = gshow-yz.dat Geometry 5

体系の確認(icntl=7) gshow-xz.eps gshow-yz.eps Geometry 6

体系の確認(icntl=11) 3dshow.eps 3dshow.eps（e-the=90） Geometry 7

実習内容 体系の確認 粒子フルエンスと吸収線量の空間分布 [transform]を用いたX線の照射方向の変更 照射方向を変えた複数の計算方法 複数のタリー結果の足し合わせ Table of contents 8

空間分布 icntl=0として輸送計算を実行させ、各粒子のフルエンス分布（[t-track]を使用）と各物質における吸収線量の空間分布（[t-deposit]を使用）を確認してみましょう。 粒子フルエンス 吸収線量 [ T - T r a c k ] title = Track in xyz mesh ・ ・ ・ ・ ・ ・ axis = xz file = track.out [ T - Deposit ] title = Dose in xyz mesh ・ ・ ・ ・ ・ ・ axis = xz file = dose.out Analysis 9

粒子フルエンス Analysis 10 track.eps (1枚目) 電子のフルエンス分布 W+Cu標的 コリメーター 10MeV電子線 水ファントム Analysis 10

粒子フルエンス track.eps (2枚目) 光子のフルエンス分布 W+Cu標的 コリメーター 水ファントム X線 Analysis 11

粒子フルエンス Analysis 12 track.eps (3枚目) 中性子のフルエンス分布 統計量が十分でないため中性子は生成されていない。 Analysis 12

吸収線量 dose.eps 吸収線量分布 コリメーター W+Cu標的 10MeV電子線 水ファントム Analysis 13

ビーム幅の調整 (step1)可変コリメーターの間隔を変更して、X線のビーム幅を2cm程度に小さくしてみましょう。 [surface]セクションにある変数c1の値を変更 [t-track]の結果(track.epsの2ページ目)で効果を確認 幅の大きさ =c1*2 [ S u r f a c e ] ・ ・ ・ ・ ・ ・ set:c1[3.0] 31 rpp -10-c1 -c1 -5.0 5.0 -75.0 -65.0 32 rpp c1 10+c1 -5.0 5.0 -75.0 -65.0 33 rpp -5.0 5.0 -10-c1 -c1 -63.0 -53.0 34 rpp -5.0 5.0 c1 10+c1 -63.0 -53.0 Movable collimator 6 cm 6 cm 1辺10 cmの立方体×4 [t-gshow]のxの範囲を戻す。 rpp: 直方体の表面を定義するマクロボディーパラメーター Setting of equipment 14

ビーム幅の調整 (step1)可変コリメーターの間隔を変更して、X線のビーム幅を2cm程度に小さくしてみましょう。 c1=1.0とした場合 track.eps (2枚目) 光子のフルエンス分布 [t-gshow]のxの範囲を戻す。 X線のビーム幅は2cm程度となっている Setting of equipment 15

実習内容 体系の確認 粒子フルエンスと吸収線量の空間分布 [transform]を用いたX線の照射方向の変更 照射方向を変えた複数の計算方法 複数のタリー結果の足し合わせ Table of contents 16

[transform]セクション ソース、surfaceやcellの定義、タリーのr-zやxyzメッシュ、磁場の定義等の際に、回転や平行移動を行うことが可能。 [ Transform ] $ Transform X-ray beam set: c81[0] $ angle of around Z (degree) set: c82[0] $ angle of around Y (degree) set: c83[0] $ angle of around X (degree) set: c84[0] $ displacement of Z (cm) set: c85[0] $ displacement of Y (cm) set: c86[0] $ displacement of X (cm) tr500 c86 c85 c84 cos(c81/180*pi)*cos(c82/180*pi) sin(c81/180*pi)*cos(c83/180*pi)+cos(c81/180*pi)*sin(c82/180*pi)*sin(c83/180*pi) sin(c81/180*pi)*sin(c83/180*pi)-cos(c81/180*pi)*sin(c82/180*pi)*cos(c83/180*pi) -sin(c81/180*pi)*cos(c82/180*pi) cos(c81/180*pi)*cos(c83/180*pi)-sin(c81/180*pi)*sin(c82/180*pi)*sin(c83/180*pi) cos(c81/180*pi)*sin(c83/180*pi)+sin(c81/180*pi)*sin(c82/180*pi)*cos(c83/180*pi) sin(c82/180*pi) -cos(c82/180*pi)*sin(c83/180*pi) cos(c82/180*pi)*cos(c83/180*pi) 1 Z軸, Y軸, X軸の周りに回転させる角度 平行移動のZ,Y,X成分 各セクションにtrcl=500を加えることで機能する [transform] 17

X線の照射方向の変更 (step2)[transform]を使って、電子線源やW+Cu標的、コリメーターを水ファントムを中心に回転させ、X線の照射方向を変えてみましょう。 Water phantom Electron 10 MeV X-ray (photon) 水ファントムは固定 X線の線源部分をまとめて回転 [transform] 18

X線の照射方向の変更 (step2)[transform]を使って、電子線源やW+Cu標的、コリメーターを水ファントムを中心に回転させ、X線の照射方向を変えてみましょう。 まずは、[source]と[cell]セクションにtrcl=500が設定されていることを確認 [ S o u r c e ] s-type = 1 proj = electron e0 = 10.00 r0 = 0.1000 x0 = 0.0000 y0 = 0.0000 z0 = -120.00 z1 = -120.00 dir = 1.0000 trcl = 500 [ C e l l ] 1 3 -19.25 11 -12 -14 trcl=500 $ W for X-ray generator 2 4 -8.94 12 -13 -14 trcl=500 $ Cu for X-ray generator 11 1 -1.0 -1 $ Water phantom 98 2 -1.20e-3 #1 #2 #11 -999 #3 #4 #5 #6 #7 #8 $ Air 99 -1 999 $ Outer region 3 5 -17.0 21 -22 -23 24 trcl=500 $ Primary collimator 4 5 -17.0 -31 trcl=500 $ Movable collimator (X-1) 5 5 -17.0 -32 trcl=500 $ Movable collimator (X-2) 6 5 -17.0 -33 trcl=500 $ Movable collimator (Y-1) 7 5 -17.0 -34 trcl=500 $ Movable collimator (Y-2) 8 6 -8.94 -35 trcl=500 $ Flattening filter [transform] 19

X線の照射方向の変更 (step2)[transform]を使って、電子線源やW+Cu標的、コリメーターを水ファントムを中心に回転させ、X線の照射方向を変えてみましょう。 Y軸周りに15度回転した場合 track.eps (2枚目) [ Transform ] $ Transform X-ray beam set: c81[0] $ angle of around Z (degree) set: c82[15] $ angle of around Y (degree) set: c83[0] $ angle of around X (degree) set: c84[0] $ displacement of Z (cm) set: c85[0] $ displacement of Y (cm) set: c86[0] $ displacement of X (cm) ・ ・ ・ ・ ・ ・ タリー領域の外側に飛び出してしまっている [transform] 20

Expansion of tally region タリー範囲の拡大 (step3)回転後の線源部分を確認できるように、 [t-track]と[t-deposit]のタリー領域を拡げてみましょう。 axis=xzであるので、xとzに関する範囲のみで良い Y軸周りに1周させても確認できるようにする [ T - T r a c k ] title = Track in xyz mesh mesh = xyz x-type = 2 xmin = -25.00000 xmax = 25.00000 nx = 50 y-type = 2 ymin = -5.000000 ymax = 5.000000 ny = 1 z-type = 2 zmin = -120.0000 zmax = 20.00000 nz = 140 ・ ・ ・ ・ ・ ・ track.eps (2枚目) 1周した場合を考える Expansion of tally region 21

Expansion of tally region タリー範囲の拡大 (step3)回転後の線源部分を確認できるように、 [t-track]と[t-deposit]のタリー領域を拡げてみましょう。 axis=xzであるので、xとzに関する範囲のみで良い Y軸周りに1周させても確認できるようにする [ T - T r a c k ] title = Track in xyz mesh mesh = xyz x-type = 2 xmin = -120.00000 xmax = 120.00000 nx = 240 y-type = 2 ymin = -5.000000 ymax = 5.000000 ny = 1 z-type = 2 zmin = -120.0000 zmax = 120.0000 nz = 240 ・ ・ ・ ・ ・ ・ track.eps (2枚目) X線の線源部分 水ファントム Expansion of tally region 22

Expansion of tally region タリー範囲の拡大 (step3)回転後の線源部分を確認できるように、 [t-track]と[t-deposit]のタリー領域を拡げてみましょう。 axis=xzであるので、xとzに関する範囲のみで良い Y軸周りに1周させても確認できるようにする [T - Deposit ] title = Dose in xyz mesh mesh = xyz x-type = 2 xmin = -120.00000 xmax = 120.00000 nx = 240 y-type = 2 ymin = -5.000000 ymax = 5.000000 ny = 1 z-type = 2 zmin = -120.0000 zmax = 120.0000 nz = 240 ・ ・ ・ ・ ・ ・ dose.eps X線の線源部分 水ファントム Expansion of tally region 23

Increase of total history 統計量の増加 (step4)水ファントムにおける吸収線量がきちんと評価できるように、統計量を増やしてみましょう。 maxcas=10000程度 計算時間短縮のために2つの[t-gshow]の後にoffを加えて読み飛ばす dose.eps 少し水ファントムにおける吸収線量が評価できた Increase of total history 24

実習内容 体系の確認 粒子フルエンスと吸収線量の空間分布 [transform]を用いたX線の照射方向の変更 照射方向を変えた複数の計算方法 複数のタリー結果の足し合わせ Table of contents 25

Multiple beam irradiation 多門照射 (step5)照射方向を変えた複数のインプットファイルを作成し、それぞれの計算結果を求めましょう。 result1, result2といった名前のフォルダを作成する 各フォルダにインプットファイルMultipleBeamIrradiation.inpをコピーし、Y軸周りの回転角度をそれぞれ90, 180度とする ＊時間のある人は3つ、4つと増やしてみてください \result1\MultipleBeamIrradiation.inp \result2\MultipleBeamIrradiation.inp [ Transform ] $ Transform X-ray beam set: c81[0] $ angle of around Z (degree) set: c82[90] $ angle of around Y (degree) set: c83[0] $ angle of around X (degree) set: c84[0] $ displacement of Z (cm) set: c85[0] $ displacement of Y (cm) set: c86[0] $ displacement of X (cm) ・ ・ ・ ・ ・ ・ [ Transform ] $ Transform X-ray beam set: c81[0] $ angle of around Z (degree) set: c82[180] $ angle of around Y (degree) set: c83[0] $ angle of around X (degree) set: c84[0] $ displacement of Z (cm) set: c85[0] $ displacement of Y (cm) set: c86[0] $ displacement of X (cm) ・ ・ ・ ・ ・ ・ Multiple beam irradiation 26

Multiple beam irradiation 多門照射 (step5)照射方向を変えた複数のインプットファイルを作成し、それぞれの計算結果を求めましょう。 PHITSを実行し、それぞれの計算結果を確認する \result1\dose.eps \result2\dose.eps 回転角度が90度の結果 回転角度が180度の結果 Multiple beam irradiation 27

実習内容 体系の確認 粒子フルエンスと吸収線量の空間分布 [transform]を用いたX線の照射方向の変更 照射方向を変えた複数の計算方法 複数のタリー結果の足し合わせ Table of contents 28

タリー結果の足し合わせ (step6)外部プログラムsumtallyを用いて、照射角度を変えて得られた複数のタリー結果を足し合わせてみましょう。 ①　基本情報ファイルを作成（sumtally.inp） ②　(Windows) sumtally_win.batにsumtally.inpをドラッグ&ドロップ 　　 (Mac) sumtally_mac.commnadをダブルクリックし、現れる窓にsumtally.inpと入力 ⇒　足し合わせた結果を出力したdose-2.outが作成される ③　dose-2.outをインプットファイルとしてANGELを実行する ⇒　グラフ化したdose-2.epsが作成される 足し合わせた結果の出力ファイル名 "dose-2.out" 2 1.0 "result1/dose.out" 1.0 "result2/dose.out" 足し合わせるタリー結果の数 足し合わせる際のそれぞれの ウエイト値（重み付け）とタリーファイル名 10文字 Sum of tally results 29

タリー結果の足し合わせ (step6)外部プログラムsumtallyを用いて、照射角度を変えて得られた複数のタリー結果を足し合わせてみましょう。 dose-2.eps 2つのタリー結果を足し合わせた線量分布が得られた Sum of tally results 30

タリー結果の足し合わせ（補足） 十分に統計量を増やし、照射方向も4方向にした場合の結果 一度、それぞれの照射角度での計算を行っておけば、sumtally.inpにおいてウエイト値を設定することで、様々な照射条件のシミュレーション結果を得ることが可能です。 Sum of tally results 31

まとめ 10MeV電子を線源とするX線の照射をシミュレーションした。 [transform]セクションを設定することで、X線の線源部分を回転させ、任意の角度からの照射が可能となった。 照射角度を変え、複数の照射によるタリー結果を得た。 複数のタリー結果を外部プログラムを用いて足し合わせ、多門照射のシミュレーションを行った。 《休憩はさむ》 まとめ Summary 32