GEANT4-based Monte Carlo Simulation of Beam Quality Correction Factors for the Leksell Gamma Knife® Perfexion™

Abstract

국제원자력기구 (International Atomic Energy Agency: IAEA)는 2017 년 후반에 기술보고서 (Technical Report Series 483: TRS-483)를 발행하여 Alfonso들이 처음으로 제창 한 형식에 따라 작고 비표준적인 치료방사선 빔의 기준 선량 측정을 위한 국제 행동 규범 (Code of Practice: COP)를 출판하였다. 그러나 이 기술보고서에서 Leksell Gamma Knife® Perfexion™의 빔 품질보정 (Beam Quality Correction Factor: BQC) 계수와 관련된 측정 조건 및 해당 데이터는 충분히 분명하게 규정되어 있지 않으며, IAEA의 권고 사항을 있는 그대로 만족 시키지 못하는 조건에서 사용할 수 있는 데이터는 주어져 있지 않다. 본 연구는 GEANT4 도구 키트를 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션에 새로운 COP를 적용하여 이러한 보정 계수를 계산하는 최초의 체계적인 시도이다. 3 개의 일반적인 상업적 이온전리함에 대해 BQC 계수를 결정하였는데, 5 가지 팬텀 물질 및 3 가지 다른 물리 목록에 대해 전산모사를 수행하였다. 각 이온전리함은 해당 제조사가 제공하는 설계도에 따라 상세하게 모델링되었다. 전산모사 결과, 액체 물, 솔리드 워터 (Solid Water) 및 폴리스티렌 팬텀에서 낮은 양성자수(Z) 원소들로 만들어진 콜렉터 전극으로 구성된 전리함의 경우 보정 계수는 1.0000으로부터 1% 이내의 차이를 보였지만, 보다 무거운 원소들로 구성된 컬렉터 전극을 가지는 이온전리함과, 물에 비해 밀도가 많이 높은 팬텀 물질에서는 더 큰 보정이 필요하였다. 세 물리적 목록을 이용하여 구한 보정계수들은 통계적으로 차이가 없었다. 본 연구의 결과와 EGSnrc 및 PENELOPE 기반의 몬테카를로 코드를 기반으로 한 이전 연구와의 유사점과 차이점을 분석한 결과, 본 연구에서 얻어진 결과는 이전 연구 결과와 대체로 잘 일치하였다. 또한 향후 본 연구에서 수행한 전산모사의 정당성을 검증하기 위한 실험적 검증 방법을 제안하였다. 본 연구에서 얻은 BQC 계수는 향후 감마나이프 특수성을 정확하게 고려한 TRS-483의 개정 또는 업데이트에 크게 기여할 수 있으며, 감마나이프 기준 선량 측정의 새로운 국제표준화기구 (International Standard Organization) 표준을 구축하기 위한 기초자료로 활용될 수 있다.; With the publication of TRS-483 in late 2017 the IAEA has established an international Code of Practice (COP) for reference dosimetry in small and non-standard fields based on a formalism first suggested by Alfonso et al. in 2008. However, data on beam quality correction (BQC) factors for the Leksell Gamma Knife® Perfexion™ is scarce and what little data is available was obtained under conditions not necessarily in accordance with the IAEA’s recommendations. This study constitutes the first systematic attempt to calculate those correction factors by applying the new COP to Monte Carlo simulation using the GEANT4 toolkit. BQC factors were determined for three common ionization chamber detectors, modeled in great detail based on proprietary blueprints provided by their respective manufacturers, in five different phantom materials and using three different physics lists. The results indicated that for chambers with a collector electrode made of low-Z materials, correction factors were within 1% of unity for the liquid water, Solid Water™ and polystyrene phantom materials, whereas chambers with a collector electrode made of heavier elements and electronically denser phantom materials necessitated larger corrections. The BQC factors did not differ significantly between the various physics lists. Similarities and differences between the results of this study and previous ones based on EGSnrc and PENELOPE-based Monte Carlo codes were also analyzed and it was found that the results obtained herein were generally in good agreement with the findings of earlier studies that were obtained under comparable reference conditions. Furthermore, a method for future experimental verification of the simulation results was outlined. The BQC factors obtained in this study are a significant contribution to a potential revision or update of TRS-483 or they could form the basis of a new ISO standard for Gamma Knife® reference dosimetry.