臺灣博碩士論文加值系統

質子射束劑量分佈的評估是一大挑戰，尤其在布拉格峰、劑量變化梯度大、或是人體密度變化大的不均質交界區域，需要更高解析度的假體以呈現準確的劑量分佈，本論文設計在感興趣區域使用高解析度假體，其他區域使用較低解析度假體的雙解析度假體，以評估窄射束在不同解析度假體的劑量分佈。本論文採用MCNPX 2.6.0 進行質子射束的蒙地卡羅模擬，首先將MCNPX 2.6.0安裝於Ubuntu 10.04，並加裝MPICH使其系統能夠執行平行運算；然後比較兩種MCNPX紀錄劑量沉積的Tally：*F8和FMesh的紀錄結果；而後模擬60 MeV窄質子射束於低解析度、雙解析度與高解析度假體的劑量分佈，並設計純水假體、水-骨頭-水不均質假體與水-空氣-水不均質假體以觀察不均質交界的劑量變化；最後以120 MeV窄質子射束重複前一步驟。比較*F8 與 FMesh紀錄，僅有質子劑量有顯著性差異，差異隨著深度遞減，因此推測FMesh對於核反應產生的劑量紀錄較不準確，其他二次粒子劑量分佈差異並不顯著；60 MeV窄質子射束在低解析度假體中有嚴重的部分體積效應且低估劑量，雙解析度假體劑量分佈與高解析度假體劑量分佈有微小但統計上顯著的差異，可能為MCNPX 2.6.0每個步長能量損失過大，造成劑量分佈誤差被低估，但是雙解析度假體可以節省模擬時間；120 MeV窄質子射束模擬結果顯示，雙解析度假體較低解析度假體忠實呈現不均質交界面的劑量變化，在空氣-水介面可看到二次粒子貢獻的劑量；最後比較MCNPX 2.6.0與Geant4小照野的質子射束模擬發現劑量分佈差異極明顯，證實MCNPX 2.6.0的步長能量設定在小照野高解析度模擬中需要進一步的更改。

The purpose of this study is to access proton dose distribution in dual resolution phantoms using MCNPX 2.6.0. The dual resolution phantom uses higher resolution in ROI (Bragg peak, area near large dose gradient or heterogeneous interfaces) and lower resolution in the rest. In this study, MCNPX 2.6.0 was installed in Ubuntu 10.04 with MPI for parallel computing. To record the energy deposition, we used *F8 and FMesh1. *F8 records the energy deposition directly but needs to be defined by each cell. FMesh1 is convenient for large voxel number phantoms but indirectly convert dose deposition from fluence. To simulate dose distribution in dual resolution phantoms, 60 and 120 MeV narrow proton beam were incident into coarse, dual and fine resolution phantoms with pure water, water-bone-water and water-air-water interfaces. The Fisher’s least significant difference test was used to evaluate the statistical significant in this study.
The results showed that FMesh1 may be not so accurate in recording the dose from nuclear interaction. Other secondary particle like alpha, deuteron, tritium had no significant difference between *F8 and FMesh1. In dual resolution simulations, the doses in coarse resolution phantoms are underestimated due to partial volume effect. The dose distributions in dual or high resolution phantoms agreed well each other and dual resolution phantoms saved at least 10 times simulation time comparing to fine resolution phantom. The differences between dual resolution phantoms and fine resolution phantoms are small but statistically significant concluded by fisher’s LSD test. In the ideal pencil proton beam simulation, we found the efac parameter is too large to simulate dose distribution accurately; the simulation uncertainties would be underestimated by improper efac setting.

目錄
指導教授推薦書
口試委員會審定書
國家圖書館 博碩士論文電子檔案上網授權書 iii
長庚大學博碩士論文著作授權書 iv
致謝 v
摘要 vi
Abstract vii
目錄 viii
圖表目錄 xi
第1章 緒論 1
第2章 材料與方法 5
2.1 MCNPX 5
2.1.1 MCNPX介紹 5
2.1.2 MCNPX質子演算法 7
2.1.3 MCNPX安裝 10
2.1.4 MCNPX設定 12
2.1.5 MCNPX 視覺化工具 15
2.2 雙解析度假體 15
2.3 費雪最小顯著差異法 16
第3章 實驗步驟 19
3.1 MCNPX安裝與平行設定 19
3.2 不同劑量紀錄方式比較 23
3.3 60 MeV質子照射下雙解析度假體之評估 24
3.3.1 純水假體比較 25
3.3.2 水-骨頭-水假體比較 29
3.3.3 水-空氣-水假體比較 32
3.4 120 MeV質子照射下雙解析度假體之評估 34
3.4.1 純水假體比較 34
3.4.2 水-骨頭-水假體比較 35
3.4.3 水-空氣-水假體比較 36
第4章 結果與討論 38
4.1 MCNPX安裝與平行設定 38
4.2 不同劑量紀錄方式比較 39
4.3 60 MeV質子照射下雙解析度假體之評估 42
4.3.1 純水假體比較 43
4.3.2 水-骨頭-水假體比較 46
4.3.3 水-空氣-水假體比較 48
4.4 120 MeV質子照射下雙解析度假體之評估 52
4.4.1 純水假體比較 53
4.4.2 水-骨頭-水假體比較 55
4.4.3 水-空氣-水假體比較 57
4.5 MCNPX 2.6.0可能存在之程式錯誤 60
第5章 結論 63
第6章 參考文獻 65
 
圖表目錄
圖 2 1 : MCNPX 2.6.0各種粒子能量適用的截面積資訊與物理模型 8
圖 2 2 : MCNPX 粒子與原子作用示意圖 9
圖 2 3 : 常態分佈之信賴區間相對t值圖 17
圖 3 1 : 雙解析度純水假體之平面分割示意圖 25
圖 3 2 : 水-骨頭-水雙解析度假體之平面分割示意圖 29
圖 3 3 : 水-空氣-水雙解析度假體之平面分割示意圖 34
圖 4 1 : MCNPX執行平行運算時Ubuntu系統提供的系統概況 39
圖 4 2 : 100 MeV 筆狀質子射束入射多層平板水假體，各種粒子分開紀錄於*F8及FMesh1的深度劑量分佈圖 41
圖 4 3 : 100 MeV 筆狀質子射束入射多層平板水假體，所有粒子加總深度劑量分佈圖 42
圖 4 4 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在純水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的深度劑量分佈圖 44
圖 4 5 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在純水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的深度劑量分佈圖。 45
圖 4 6 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-骨頭-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的深度劑量分佈圖。 47
圖 4 7 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-骨頭-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的剖面劑量分佈圖 48
圖 4 8 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-空氣-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的深度劑量分佈圖 49
圖 4 9 : 雙解析度假體使用不同亂數種子的深度劑量分佈圖 50
圖 4 10 : 高解析度假體使用不同亂數種子的深度劑量分佈圖 51
圖 4 11 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-空氣-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的深度劑量分佈圖 51
圖 4 12 : 60 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-空氣-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的剖面劑量分佈圖 52
圖 4 13 : 120 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在純水的單解析度及雙解析度假體的深度劑量分佈圖 54
圖 4 14 : 120 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在純水的單解析度及雙解析度假體的剖面劑量分佈圖 55
圖 4 15 : 120 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在純水的單解析度及雙解析度假體的深度劑量分佈圖 56
圖 4 16 : 120 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-骨頭-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的剖面劑量分佈圖 57
圖 4 17 : 120 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-空氣-水的不均質單解析度及雙解析度假體的深度劑量分佈圖 59
圖 4 18 : 110 MeV，照野0.3 x 0.3 cm2的質子射束在水-空氣-水的低解析度、雙解析度以及高解析度假體的剖面劑量分佈圖 60
圖 4 19 : 100 MeV，照野為0.2 x 0.2 cm2的質子射束以*F8紀錄的MCNPX及GEANT4模擬深度劑量分佈圖 61
圖 4 20 : 100 MeV，照野為0.2 x 0.2 cm2的質子射束以FMesh3紀錄的MCNPX及GEANT4模擬深度劑量分佈圖 62

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