Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea CI
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v.45
no.4
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pp.12-18
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2008
Researches on particle physics have benefited our everyday life in many aspects. They have tested the safety of the objects we use everyday, conducted experiments to examine harmful environments to man, and treated diseases. Despite the usefulness of particle physics in a range of fields, however, it's difficult to conduct researches and experiments directly. But the advancements in the computer industry have allowed for experiments of particle physics in virtual simulations. One of the foremost simulation libraries for particle physics that have been researched actively these days, Geant4 has been put to diverse uses in particle physics. This study designed GUI so that physicists, who were not good at programming, could use a simulation library faster, more accurately, and more conveniently. It also developed the Geant4Editor, a simulation automation framework. The advantages of the Geant4Editor include automatic generations of essential classes in a simulation using Geant4 libraries and real-time reflection of user demands in a simulation. It also allows for efficient management of resources(user-created data) through the Data Manager.
This study offered a new method to calculate absorbed dose of actual patients through Monte Carlo Simulation by using the linkage of Geant4 and DICOM, and, the experimental value of absorbed dose at the center and Geant 4 simulation result according to the depth of PMMA mock phantom were compared by using MOSEF in order to verify Geant4 calculation code. In the area where there was no air space between the irregular gap due to incomplete compression of PMMA slab, the differences were $0.46{\pm}4.69$ percent and $-0.75{\pm}5.19$percent in $15{\times}15cm^2$ and $20{\times}20cm^2$ respectively. Excluding the error due to incomplete compression of PMMA mock phantom, the calculation values of the Monte Carlo simulation by linkage of Geant4 and DICOM was the same.
The Geant 4 simulated the linear accelerator (VARIAN CLINAC) based on the previously implemented BEAMnrC data, using the head structure of the linear accelerator. In the 10 MV photon flux, Geant4 was compared with the measured value of the percentage of the deep dose and the lateral dose of the water phantom. In order to apply the dose calculation to the body part, the actual patient's lung area was scanned at 5 mm intervals. Geant4 dose distributions were obtained by irradiating 10 MV photons at the irradiation field ($5{\times}5cm^2$) and SAD 100 cm of the water phantom. This result is difficult to measure the dose absorbed in the actual lung of the patient so the doses by the treatment planning system were compared. The deep dose curve measured by water phantom and the deep dose curve calculated by Geant4 were well within ${\pm}3%$ of most depths except the build-up area. However, at the 5 cm and 20 cm sites, 2.95% and 2.87% were somewhat higher in the calculation of the dose using Geant4. These two points were confirmed by the geometry file of Genat4, and it was found that the dose was increased because thoracic spine and sternum were located. In cone beam CT, the dose distribution error of the lungs was similar within 3%. Therefore, if the contour map of the dose can be directly expressed in the DICOM file when calculating the dose using Geant4, the clinical application of Geant4 will be used variously.
Geant4 is compatible with the Windows operating system in C++ language use, enabling interface functions that link DICOM or software. It was simulated to address the basic structure of the simulation using Geant4/Gate code and to specifically verify the density composition and lung cancer process in the human phantom. It was visualized using the Gate Graphic System, i.e. openGL, Ray Tracer: Ray Tracing by Geant4 Tracing, and using Geant4/Gate code, lung cancer is modeled in the human phantom area in 3D, 4D to verify the simulation progress. Therefore, as a large number of new functions are added to the Gate Code, it is easy to implement accurate human structure and moving organs.
As the breast cancer rate is increasing fast in Korean women, people pay more attention to mammography and number of mammography have been increasing dramatically over the last few years. Mammography is the only means to diagnose breast cancer early, but harms caused by radiation exposure shouldn't be overlooked. Therefore, it is important to calculate the radiation dose being absorbed into the breast tissue during the process of mammography for a protective measure against radiation exposure. Because it is impossible to directly measure the radiation dose being absorbed into the human body, statistical calculation methods are commonly used, and most of them are supposed to simulate the interaction between radiation and matter by describing the human body internal structure with anthropomorphic phantoms. However, a simulation using Geant4 Code of Monte Carlo Method, which is well-known as most accurate in calculating the absorbed dose inside the human body, helps calculate exact dose by recreating the anatomical human body structure as it is through the DICOM file of CT. To calculate the absorbed dose in the breast tissue, therefore, this study carried out a simulation using Geant4 Code, and by using the DICOM converted file provided by Geant4, this study changed the human body structure expressed on the CT image data into geometry needed for this simulation. Besides, this study attempted to verify if the dose calculation of Geant4 interlocking with the DICOM file is useful, by comparing the calculated dose provided by this simulation and the measured dose provided by the PTW ion chamber. As a result, under the condition of 28kVp/190mAs, the Difference(%) between the measured dose and the calculated dose was found to be 0.08 %~0.33 %, and at 28 kVp/70 mAs, the Difference(%) of dose was 0.01 %~0.16 %, both of which showed results within 2%, the effective difference range. Therefore, this study found out that calculation of the absorbed dose using Geant4 Simulation is useful in measuring the absorbed dose in the breast tissue for mammography.
Technisium $(^{99m}Tc)$ is one of the most widely used radioactive isotopes for diagnosis in nuclear medicine. In general, technisium is produced inside the so called $^{99m}Tc$ generator which is usually made out of lead to shield relatively high energy radiation from $^{99}Mo$ and its daughter nuclide $^{99m}Tc$. In this paper, a GEANT4 simulation is carried out to test the safety of the $^{99m}Tc$ generator, taking the Daiichi product with radioactivity of 500 mCi as an example. According to the domestic regulation on radiation safety, the dose at 10 cm and 100 cm away from the surface of shielding container should not exceed 2.0 mSv/h and 0.02 mSv/h, respectively. The simulated dose turned out to be less than the limit, satisfying the domestic regulation.
To estimate the finger dose absorbed by $^{99m}Tc$ injection, simulations are carried out to calculate the dose equivalent of each finger per second with radioactivity of 370 MBq, based on the GEANT4 simulator. For the $^{99m}Tc$ source of the volume of 0.4mL and the radioactivity of 370 MBq, we obtained the dose equivalent of the right thumb ($0.29\;{\mu}Sv{\cdot}sec^{-1}$), the right index finger ($1.19\;{\mu}Sv{\cdot}sec^{-1}$), the right middle finger ($1.07\;{\mu}Sv{\cdot}sec^{-1}$), the left thumb ($4.36\;{\mu}Sv{\cdot}sec^{-1}$), and the left index finger ($3.37\;{\mu}Sv{\cdot}sec^{-1}$), respectively. This simulation results may serve as a useful data in the prediction of finger dose absorbed by $^{99m}Tc$ injection.
Radiation therapy is one of the beneficial choices in the treatment of cancer. This is a comparison of TPS(Treatment Planning System) and GEANT4-DICOM, which should be preceded by the best radiation therapy. A treatment plan for prostate cancer was established with Eclipse and the point doses 366.1 cGy, 189.1 cGy, 213.4 cGy, 127 cGy, 105.7 cGy of any five prostate, bladder, rectum, right femoral head and left femoral head were identified. GEANT4-DICOM simulation showed that the results of Eclipse and ${\pm}2%$ dose error were confirmed. The monthly X-ray output agreement management value recommended by TG-142 is ${\pm}2%$, which means that the experimental results can be meaningful. In conclusion, GEANT4-DICOM is an infinite way to obtain more extended dose information once the time constraints are overcome in the simulation.
The parallel Monte Carlo electron and photon transport (PMCEPT) code [Kum and Lee, J. Korean Phys. Soc. 47, 716 (2006)] for calculating electron and photon beam doses has been developed based on the three dimensional geometry defined by computed tomography (CT) images and implemented on the Beowulf PC cluster. Understanding the limitations of Monte Carlo codes is useful in order to avoid systematic errors in simulations and to suggest further improvement of the codes. We evaluated the PMCEPT code by comparing its normalized depth doses for electron and photon beams with those of MCNP5, EGS4, DPM, and GEANT4 codes, and with measurements. The PMCEPT results agreed well with others in homogeneous and heterogeneous media within an error of $1{\sim}3%$ of the dose maximum. The computing time benchmark has also been performed for two cases, showing that the PMCEPT code was approximately twenty times faster than the MCNP5 for 20-MeV electron beams irradiated on the water phantom. For the 18-MV photon beams irradiated on the water phantom, the PMCEPT was three times faster than the GEANT4. Thus, the results suggest that the PMCEPT code is indeed appropriate for both fast and accurate simulations.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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