The implementation of a general-purpose tetrahedral mesh phantom geometry library for the Monte Carlo radiation transport code EGSnrc is described. Recently, tetrahedral mesh geometries have been proposed as standard reference phantoms to advance the state of the art over rectilinear voxel phantoms. Prior to this work, EGSnrc already supported voxelized geometries, but not tetrahedral meshes. Other major radiation transport codes such as MCNP6, Geant4, and PHITS, are also capable of simulating the interaction of ionizing radiation with tetrahedral mesh phantoms. Tetrahedral mesh phantoms have a number of advantages over voxel phantoms including improved modelling fidelity and locally varying element resolution. In addition, CAD geometries can be converted into meshes, which can then be directly used in simulations. In this work, an EGSnrc tetrahedral mesh geometry library called EGS_Mesh is implemented. The implementation uses fast computational geometry algorithms from the literature and is accelerated using an octree spatial partitioning scheme. For a preliminary verification, results obtained using EGS_Mesh are compared to classical EGSnrc geometries and theoretical results (including a Fano test) and found to match within 0.1%. To demonstrate the capability of EGS_Mesh to simulate transport in complex mesh phantoms from the literature, results using the ICRP 145 reference human phantoms are compared to published results obtained using Geant4. The comparison has found agreement mostly within 5% of the Geant4 results, but with some differences up to 10%.

This thesis presents the findings of the investigation into the Monte Carlo simulation of superficial cancer treatments of the head and neck region. The EGSnrc system of codes for the Monte Carlo simulation of the transport of electrons and photons through a phantom representative of either a water phantom or treatment site in a patient is utilised. Two clinical treatment units are simulated using the BEAMnrc system of codes: the Varian Medical Systems Clinac® 2100C accelerator for 6MeV electron fields and the Pantak Therapax SXT 150 X-ray unit for 80kV and 100kV photon fields. Depth dose, profile and isodose curves are compared against those measured from a PTW MP3 water phantom with good agreement being achieved. Quantitative dose distributions are determined for both MeV electron and kV photon fields with treatment sites containing high atomic number materials, rapidly sloping surfaces and different density interfaces. This highlights the relatively high level of dose deposition of dose in tissue-bone and tissue-cartilage interfaces in the kV photon fields. From these dose distributions DVH and dose comparators are used to assess the simulated treatment fields.

This thesis presents the findings of the investigation into the Monte Carlo simulation of superficial cancer treatments of the head and neck region. The EGSnrc system of codes for the Monte Carlo simulation of the transport of electrons and photons through a phantom representative of either a water phantom or treatment site in a patient is utilised. Two clinical treatment units are simulated using the BEAMnrc system of codes: the Varian Medical Systems Clinac® 2100C accelerator for 6MeV electron fields and the Pantak Therapax SXT 150 X-ray unit for 80kV and 100kV photon fields. Depth dose, profile and isodose curves are compared against those measured from a PTW MP3 water phantom with good agreement being achieved. Quantitative dose distributions are determined for both MeV electron and kV photon fields with treatment sites containing high atomic number materials, rapidly sloping surfaces and different density interfaces. This highlights the relatively high level of dose deposition of dose in tissue-bone and tissue-cartilage interfaces in the kV photon fields. From these dose distributions DVH and dose comparators are used to assess the simulated treatment fields.

Submitted by Fabio Sobreira Campos da Costa (fabio.sobreira@ufpe.br) on 2015-05-22T12:26:22Z No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DEFESA_ManuelaOhanaMonteiroCabral_2015.pdf: 4212699 bytes, checksum: 0565846d62acd4775d2f7fbd325c2f1c (MD5) / Made available in DSpace on 2015-05-22T12:26:22Z (GMT). No. of bitstreams: 2 license_rdf: 1232 bytes, checksum: 66e71c371cc565284e70f40736c94386 (MD5) DEFESA_ManuelaOhanaMonteiroCabral_2015.pdf: 4212699 bytes, checksum: 0565846d62acd4775d2f7fbd325c2f1c (MD5) Previous issue date: 2015-02-24 / Devido à radiossensibilidade embrionária/fetal, a estimativa precisa da distribuição da dose absorvida na região abdominal é um problema adicional causado pela exposição de gestantes às radiações ionizantes em aplicações médicas. Modelos Computacionais de Exposição (MCEs) são utilizados para estimar a distribuição da dose absorvida em indivíduos expostos às radiações ionizantes, por meio de simulações Monte Carlo (MC). Para a caracterização de um MCE com resultados dosimétricos satisfatórios, o Grupo de Dosimetria Numérica (GDN) tem utilizado, fundamentalmente, fantomas de voxels acoplados a códigos MC bem referenciados, além de simuladores de fontes emissoras de fótons. Nestes MCEs, os fantomas foram predominantemente construídos a partir de pilhas de imagens de ressonância magnética ou tomografia computadorizada (obtidas da varredura de pacientes reais), ou a partir de técnicas de modelagem 3D. O fantoma apresentado neste trabalho partiu de dados primários virtuais. Para tanto, foram adquiridos objetos 3D em diversos formatos (*.obj, *.fbx, etc.) para representação anatômica de uma adulta não grávida. Para a construção da representação fetal foi utilizada a técnica Poly Modeling (modelagem poligonal) na versão 2015 do programa Autodesk 3ds Max. O fantoma nomeado MARIA (Modelo Antropomórfico para dosimetria das Radiações Ionizantes em Adultas) foi voxelizado, utilizando o software Digital Image Processing (DIP), e acoplado ao código MC EGSnrc. Para completar o MCE apresentado neste trabalho, foram utilizados algoritmos de fontes para radiodiagnóstico, já desenvolvidos pelo GDN, para simular os exames mais frequentes em gestantes. Os resultados dosimétricos foram comparados com similares obtidos com o software CALDose_X.

Made available in DSpace on 2014-06-12T23:14:12Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo8465_1.pdf: 3125970 bytes, checksum: 11f3471380cf5a868017f997139c6ce2 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Para o propósito de evitar os efeitos deletérios determinísticos e minimizar a ocorrência dos efeitos estocásticos, em pessoas expostas à radiação ionizante, se faz necessário conhecer as doses equivalentes ou absorvidas em órgãos e tecidos radiosensíveis do corpo humano. Entretanto, estes valores não podem ser medidos diretamente no indivíduo exposto e, por esta razão, são usados fantomas humanos, que são representações físicas ou computacionais, utilizados para determinar coeficientes de conversão entre a dose absorvida nos órgãos e tecidos e grandezas mensuráveis. O procedimento de uso dos fantomas físicos é sabido ser caro e demanda muito tempo, devido a um laborioso procedimento experimental e restrições de segurança. Com o advento dos métodos de simulação Monte Carlo e o surgimento dos computadores, tornou-se gradualmente possível estimar doses absorvidas em órgãos e tecidos em fantomas computacionais. Cada fantoma computacional define não somente as características exteriores do corpo humano, mas inclui detalhes sobre órgãos internos tais como seus volumes e formas. Quando são usadas informações sobre densidade e composição elementar dos tecidos, um fantoma computacional pode ser acoplado a um código de transporte de radiação Monte Carlo para simular interações teciduais e deposição de energia no corpo humano por diversos tipos de radiação. Embora a fonte da radiação tenha que ser matematicamente modelada, o procedimento computacional é, em geral, muito vantajoso em termos da sua versatilidade, eficiência, precisão e segurança. A mais recente geração de fantomas computacionais recebeu a denominação de fantomas mesh. Para sua construção não são essenciais imagens de tomografia computadorizada ou de ressonância magnética e sim a descrição anatômica detalhada das estruturas de interesse. Estes fantomas permitem representar o indivíduo em diferentes posturas e em diferentes estágios do desenvolvimento do corpo humano, e ainda evitam implicações éticas provocadas pelas técnicas de obtenção das imagens dos indivíduos. Neste trabalho são apresentados dois casais de fantomas mesh referenciais, para crianças com 5 anos e 10 anos de idade. Eles foram construídos utilizando-se ferramentas computacionais usadas pela comunidade de computação gráfica, para a criação de filmes de animação. Os parâmetros adotados para as massas dos diferentes órgãos e tecidos foram os recomendados pela publicação 89 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP), para estudos populacionais. Os volumes destes órgãos e tecidos foram calculados utilizando-se densidades fornecidas pela Comissão Internacional de Unidades e Medidas Radiológicas (ICRU). Quanto à disposição dos diferentes órgãos e tecidos, foram consultadas descrições da anatomia humana. As versões voxelizadas dos fantomas foram conectadas ao código Monte Carlo EGSnrc. As aplicações dosimétricas apresentadas mostram exemplos de que doses absorvidas para órgãos e tecidos, estimadas com estes fantomas infantis, são razoáveis e comparáveis com dados correspondentes obtidos em outros fantomas

Made available in DSpace on 2014-06-12T23:15:44Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo8467_1.pdf: 3087609 bytes, checksum: a05c3722ae5b084578c4d8aa0c5b10ce (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2011 / Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / O Trabalho desenvolveu uma plataforma computacional visando disponibilizar grupo GDN/CNPq e à comunidade científica interessada, informações técnicas sobre modelos computacionais de exposição desenvolvidos pelo grupo desde 2004. Trata-se de um software que integra e disponibiliza ferramentas úteis em avaliações dosimétricas já consagradas meio acadêmico, documentos técnicos e modelos computacionais de exposição desenvolvidos pelo grupo. O framework aqui desenvolvido foi construído utilizando um ambiente visual Studio.net, e também dá suporte ao desenvolvimento de aplicações seguindo o padrão projeto Façade, permitindo agregar outros sistemas desenvolvidos, mas também tornou- uma solução multi banco de dados através do padrão Factory Method. O presente trabalho detalhes da construção da plataforma de software e conclui utilizando o FrameDose para executar, passo a passo, um dos MCEs disponíveis no banco de dados. O trabalho desenvolvido cria um ambiente orientado a objetos que permite ao usuário, com um simples clique do mouse, ativar processos diferentes, executar aplicativos em linha de comando, executar aplicativos de suporte, disponibilizar, livremente, textos e imagens já produzidos pelo GDN/CNPq úteis para estudos sobre MCEs. Isto constitui uma ferramenta inestimável para qualquer estudante ou pesquisador em dosimetria numérica das radiações ionizantes

Made available in DSpace on 2014-06-12T23:17:16Z (GMT). No. of bitstreams: 2 arquivo9153_1.pdf: 3416020 bytes, checksum: 0fa3e4f7584eb1eaf27e22d315505687 (MD5) license.txt: 1748 bytes, checksum: 8a4605be74aa9ea9d79846c1fba20a33 (MD5) Previous issue date: 2007 / Os fantomas MAX06 e FAX06 foram desenvolvidos durante os últimos anos no Departamento de Energia Nuclear da Universidade Federal de Pernambuco. Eles são os primeiros fantomas tomográficos ou fantomas de voxel de adultos que possuem altura e peso, assim como, a massa dos órgãos e tecidos com base nas refêrencias anatômicas publicadas no relatório No. 89 da Comissão Internacional de Proteção Radiológica. Os dois fantomas foram conectados ao código Monte Carlo (MC) EGSnrc, para calcular as doses equivalentes nos órgãos e tecidos para exposições internas e externas relativas a fótons e elétrons. Para permitir a aplicação de outros tipos de radiação, este estudo tem o objetivo de conectar os fantomas FAX06 e MAX06 ao GEANT4, um código de MC que, além de fótons e elétrons, pode transportar outras partículas, como os nêutrons, prótons, íons, etc., através de meios arbitrários, e calcular doses equivalentes nos órgãos e tecidos radiossensíveis para a exposição externa aos fótons. O acoplamento dos fantomas ao GEANT4, para a realização dos cálculos, só foi possível de duas formas: após comprimir o volume de voxels em 97%, utilizando um método desenvolvido durante este estudo, e a classe de parametrização do GEANT4 G4PVParameterisation ; ou utilizando a nova classe de parametrização G4VPNestedParameterisation , para conectar todos os voxels. Exposições para fótons foram simuladas após desenvolver os algoritmos para fontes paralelas unidirecionais e rotacionais e para incidências isotrópicas. A dose equivalente nos órgãos e tecidos assim como a dose efetiva para exposições de fótons externos foram calculadas com os dois fantomas e os códigos MC GEANT4 e EGSnrc. A comparação entre os resultados demonstrou uma boa concordância com a margem definida pela soma dos erros estatísticos, evidenciando que os fantomas foram acoplados corretamente ao código MC GEANT4

Breast cancer presents serious epidemiological problem, in result of which die more than 2 000 czech women every year. Screening mammography is one of the most expanded and most effective examinations for early detection of this desease but one has to take into account an inconsiderable risk connected with the procedure based on X-ray ionizing radiation. This diploma thesis deals with evaluation of the dose absorbed by the tissue. It contains the description of evaluation of the average dose in glandular tissue on PMMA phantom, as well as results of the measurements on conventional and digital mammograph. A data file with exposure parameters from mammography screening is included and interpreted. Also the Monte Carlo method was used for the dose evaluation, the thesis contains the brief description of the method, concept of analysis model in mammography and results of simulations.

Le Cyberknife (Accuray, Sunnyvale, CA) est un appareil de radiochirurgie stéréotaxique sans cadre. Il a été développé pour administrer de fortes doses dans des volumes restreints. Aussi, pour obtenir une conformation optimale de traitement, des champs circulaires de petites dimensions sont utilisés (\phi = 0,5 à 6 cm). L'étude dosimétrique de ces petits champs doit être menée selon de nouveaux standards puisque ceux-ci échappent aux définitions du TG-51. L'objectif de ce projet est d'implanter une plateforme de calcul de dose de type Monte Carlo pour le CyberKnife en clinique. Il s'articule autour de deux réalisations principales. Tout d'abord, une caractérisation dosimétrique du modèle Monte Carlo de l'accélérateur linéaire du CyberKnife a été menée à travers des simulations Monte Carlo générées par le moteur de EGSnrc. Cette étude est basée sur la caractérisation de la réponse d'un détecteur à un champ de type CK à partir de simulations EGS_chamber. Cette approche permet de prendre en compte l'impact du détecteur sur les mesures expérimentales. Cet aspect est d'autant plus important que le modèle Monte Carlo de l'accélérateur est validé à partir de mesures expérimentales. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance, <1% ou 1 mm, entre les mesures expérimentales et les données de simulations pour les grands champs. Pour les champs de diamètre < 12,5 mm, le modèle est moins exact et une correction est appliquée pour atteindre une différence de <1% ou 1 mm. Deuxièmement, ce modèle validé du CK a été implanté dans un cadre de calcul Monte Carlo complet. Une plateforme de calcul dédiée aux calculs Monte Carlo, WebTPS, a été adaptée aux calculs de dose CK. Cette plateforme reçoit les données relatives au plan de traitement et lance des calcul EGSnrc sur un superordinateur. Cette approche tend à réduire les approximations lors de l'évaluation dosimétrique de plans de traitements cliniques. Une incertitude inférieure à 1% peut être atteinte en deux heures de calcul. Ce projet a donc pour objectif de développer une référence clinique pour le calcul de dose dans le cadre de la radiochirurgie stéréotaxique. L'outil WebTPS pourrait être particulièrement utile en clinique, l'algorithme de calcul de dose du CK étant limité dans plusieurs situations de traitement. / Purpose: The scope of this study is to implement a clinical Monte Carlo dose calculation system based on the EGSnrc engine. This web-based tool will be mostly used to evaluate clinical treatment plans in highly heterogeneous phantoms. Methods: The Monte Carlo calculation tool is based on the DOSXYZnrc user code. The platform automatically converts CyberKnife clinical plan to the user code input files. Phantoms can be created from HU to ED curves or by manually assigning material using medical contours. Parallel computation is made on a Compute Canada high-performance cluster to reduce simulation time. A Monte Carlo CyberKnife model is built on BEAMnrc user code using the manufacturer specifications. Simulated and experimental data is compared to estimate the electron beam parameters. The beam energy estimation is based on percent depth dose (PDD) comparison while the full width at half max (FWHM) is validated by output factor (OF) and off-axis ratio (OAR). An EGS_chamber model of the PTW60012 diode is used in the OF calculation. A set of phase-spaces is generated from the optimal model and for each collimator to calculate dose contribution from each incident beam. Results: The linac model optimisation yielded a 0.5% PDD agreement between experimental and simulation data, and a 0.5% or 1 mm for OAR. DOSxyz simulation of full treatment plan, based on the preliminary CyberKnife model, were achieved. Total Monte Carlo dose calculation have been achieved for heterogeneous phantoms. Uncertainty under 1% can be achieved for less than 2 hour of computing time. However, computing time estimation is nontrivial due to its dependence on cluster availability. Conclusion: This work aims to develop a suitable tool for reference plan dose calculation. This web-based tool would be used in several clinical and research applications where the CyberKnife embedded ray-tracing algorithm would show significant limitations. Because it is destined to a clinical use, the whole dose calculation system will be rigorously validated. / Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada. / Le Cyberknife (Accuray, Sunnyvale, CA) est un appareil de radiochirurgie stéréotaxique sans cadre. Il a été développé pour administrer de fortes doses dans des volumes restreints. Aussi, pour obtenir une conformation optimale de traitement, des champs circulaires de petites dimensions sont utilisés (\phi = 0,5 à 6 cm). L'étude dosimétrique de ces petits champs doit être menée selon de nouveaux standards puisque ceux-ci échappent aux définitions du TG-51. L'objectif de ce projet est d'implanter une plateforme de calcul de dose de type Monte Carlo pour le CyberKnife en clinique. Il s'articule autour de deux réalisations principales. Tout d'abord, une caractérisation dosimétrique du modèle Monte Carlo de l'accélérateur linéaire du CyberKnife a été menée à travers des simulations Monte Carlo générées par le moteur de EGSnrc. Cette étude est basée sur la caractérisation de la réponse d'un détecteur à un champ de type CK à partir de simulations EGS_chamber. Cette approche permet de prendre en compte l'impact du détecteur sur les mesures expérimentales. Cet aspect est d'autant plus important que le modèle Monte Carlo de l'accélérateur est validé à partir de mesures expérimentales. Les résultats obtenus montrent une bonne concordance, <1% ou 1 mm, entre les mesures expérimentales et les données de simulations pour les grands champs. Pour les champs de diamètre < 12,5 mm, le modèle est moins exact et une correction est appliquée pour atteindre une différence de <1% ou 1 mm. Deuxièmement, ce modèle validé du CK a été implanté dans un cadre de calcul Monte Carlo complet. Une plateforme de calcul dédiée aux calculs Monte Carlo, WebTPS, a été adaptée aux calculs de dose CK. Cette plateforme reçoit les données relatives au plan de traitement et lance des calcul EGSnrc sur un superordinateur. Cette approche tend à réduire les approximations lors de l'évaluation dosimétrique de plans de traitements cliniques. Une incertitude inférieure à 1% peut être atteinte en deux heures de calcul. Ce projet a donc pour objectif de développer une référence clinique pour le calcul de dose dans le cadre de la radiochirurgie stéréotaxique. L'outil WebTPS pourrait être particulièrement utile en clinique, l'algorithme de calcul de dose du CK étant limité dans plusieurs situations de traitement. / Purpose: The scope of this study is to implement a clinical Monte Carlo dose calculation system based on the EGSnrc engine. This web-based tool will be mostly used to evaluate clinical treatment plans in highly heterogeneous phantoms. Methods: The Monte Carlo calculation tool is based on the DOSXYZnrc user code. The platform automatically converts CyberKnife clinical plan to the user code input files. Phantoms can be created from HU to ED curves or by manually assigning material using medical contours. Parallel computation is made on a Compute Canada high-performance cluster to reduce simulation time. A Monte Carlo CyberKnife model is built on BEAMnrc user code using the manufacturer specifications. Simulated and experimental data is compared to estimate the electron beam parameters. The beam energy estimation is based on percent depth dose (PDD) comparison while the full width at half max (FWHM) is validated by output factor (OF) and off-axis ratio (OAR). An EGS_chamber model of the PTW60012 diode is used in the OF calculation. A set of phase-spaces is generated from the optimal model and for each collimator to calculate dose contribution from each incident beam. Results: The linac model optimisation yielded a 0.5% PDD agreement between experimental and simulation data, and a 0.5% or 1 mm for OAR. DOSxyz simulation of full treatment plan, based on the preliminary CyberKnife model, were achieved. Total Monte Carlo dose calculation have been achieved for heterogeneous phantoms. Uncertainty under 1% can be achieved for less than 2 hour of computing time. However, computing time estimation is nontrivial due to its dependence on cluster availability. Conclusion: This work aims to develop a suitable tool for reference plan dose calculation. This web-based tool would be used in several clinical and research applications where the CyberKnife embedded ray-tracing algorithm would show significant limitations. Because it is destined to a clinical use, the whole dose calculation system will be rigorously validated.