With the publication of TRS-483 in late 2017 the IAEA has established an international code of practice 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 factors ($k^{f_{msr},f_{ref}}_{Q_{msr},Q_0}$) for the Leksell Gamma $Knife^{(R)}$$Perfexion^{TM}$ 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 code of practice to Monte Carlo simulation using the GEANT4 toolkit. $k^{f_{msr},f_{ref}}_{Q_{msr},Q_0}$ values were determined for three common ionization chamber detectors and five different phantom materials, with results indicating that in most phantom materials, all chambers were well suited for reference dosimetry with the Gamma $Knife^{(R)}$. Similarities and differences between the results of this study and previous ones were also analyzed and it was found that the results obtained herein were generally in good agreement with earlier PENELOPE and EGSnrc studies.
Park, Jin Hyung;Seo, Hee;Kim, Seoung Hoon;Kim, Young Soo;Kim, Chan Hyeong
Journal of Radiation Protection and Research
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v.37
no.4
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pp.191-196
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2012
A double-scattering type Compton camera which is appropriate to imaging a high-energy gamma source has been developed for nuclear material surveillance at Hanyang University. The double-scattering type Compton camera can provide high imaging resolution; however, it has disadvantage of relatively low imaging sensitivity than existing single-scattering type Compton camera. In this study, we introduce a novel concept of a dual-mode Compton camera which incorporates two different types of Compton camera, i.e., single- and double-scattering type. The dual-mode Compton camera can operate high-resolution mode and high-sensitivity mode in a single system. To maximize its performance, the geometrical configuration was optimized by using Geant4 Monte Carlo simulation toolkit. In terms of imaging sensitivity, high-sensitivity mode had higher sensitivity than high-resolution mode up to 100 times while high imaging resolution of the double-scattering Compton camera was maintained.
Shin, Jungwook;Shim, Hyunha;Kwak, Jungwon;Kim, Dongwook;Park, Sungyong;Cho, Kwan Ho;Lee, Se Byeong
Progress in Medical Physics
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v.18
no.4
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pp.226-232
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2007
We studied a Monte Carlo simulation of the proton beam delivery system at the National Cancer Center (NCC) using the Geant4 Monte Carlo toolkit and tested its feasibility as a dose verification framework. The Monte Carlo technique for dose calculation methodology has been recognized as the most accurate way for understanding the dose distribution in given materials. In order to take advantage of this methodology for application to external-beam radiotherapy, a precise modeling of the nozzle elements along with the beam delivery path and correct initial beam characteristics are mandatory. Among three different treatment modes, double/single-scattering, uniform scanning and pencil beam scanning, we have modeled and simulated the double-scattering mode for the nozzle elements, including all components and varying the time and space with the Geant4.8.2 Monte Carlo code. We have obtained simulation data that showed an excellent correlation to the measured dose distributions at a specific treatment depth. We successfully set up the Monte Carlo simulation platform for the NCC proton therapy facility. It can be adapted to the precise dosimetry for therapeutic proton beam use at the NCC. Additional Monte Carlo work for the full proton beam energy range can be performed.
The mass attenuation coefficients (μm) of polyethylene glycol (PEG) of different molecular weights (1000-200,000) were measured using single-beam photon transmission. The X-ray fluorescent (XRF) photons from Zinc (Zn), Zirconium (Zr), Molybdenum (Mo), Silver (Ag) and Cadmium (Cd) targets were used to determine the attenuation of gamma radiation of energy range between 8.67 and 23.19 keV in PEG samples. The results were compared to theoretical values using XCOM and Monte Carlo simulation using Geant4 toolkit which was developed to validate the experiment at those certain energies. The mass attenuation coefficients were then used to compute the effective atomic numbers, electron density and half value layers for the studied samples. The outcomes showed good agreement between experimental and simulated results with those calculated theoretically by XCOM within 5% deviation. The PEG 1000 sample showed slightly higher μm value compared with the other samples. The dependence of the photon energy and PEG composition on the values of μm and HVL were investigated and discussed. In addition, the values of Zeff and Neff for all PEG samples behaved similarly in the given photon energy range, and they decreased as the photon energy increased.
Dual energy computed tomography (DECT) is used to classify two materials and quantify the mass density of each material in the human body. An energy modulation filter based DECT could acquire two images, which are generated by the low- and high-energy photon spectra, in one scan, with one tube and detector. In the case of DECT using the energy modulation filter, the filter should perform the optimization process for the type of materials and thicknesses for generating two photon spectra. In this study, Geant4 Monte-Carlo simulation toolkit was used to execute the optimization process for determining the property of the energy modulation filter. In the process, various materials used for the energy modulation filter are copper (Cu, $8.96g/cm^3$), niobium (Nb, $8.57g/cm^3$), stannum (Sn, $7.31g/cm^3$), gold (Au, $19.32g/cm^3$), and lead (Pb, $11.34g/cm^3$). The thickness of the modulation filter varied from 0.1 mm to 1.0 mm. To evaluate the overlap region of the low- and high-energy spectrum, Geant4 Monte-Carlo simulation is used. The variation of the photon flux and the mean energy of photon spectrum that passes through the energy modulation filter are evaluated. In the primary photon spectrum of 80 kVp, the optimal modulation filter is a 0.1 mm lead filter that can acquire the same mean energy of 140 kVp photon spectrum. The lead filter of 0.1 mm based dual energy CBCT is required to increase the tube current 4.37 times than the original tube current owing to the 77.1% attenuation in the filter.
Park, So-Hyun;Jung, Won-Gyun;Rah, Jeong-Eun;Park, Sung-Yong;Suh, Tae-Suk
Progress in Medical Physics
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v.21
no.4
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pp.311-322
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2010
In proton therapy, the analysis of secondary particles is important due to delivered dose outside the target volume and thus increased potential risk for the development of secondary cancer. The purpose of this study is to analyze the influence of secondary particles from proton beams on fluence and energy deposition in the presence of inhomogeneous material by using Geant4 simulation toolkit. The inhomogeneity was modeled with the condition that the adipose tissue, bone and lung equivalent slab with thickness of 2 cm were inserted at 30% (Plateau region) and 80% (Bragg peak region) dose points of maximum dose in Bragg curve. The energy of proton was varied with 100, 130, 160 and 190 MeV for energy dependency. The results for secondary particles were presented for the fluence and deposited energy of secondary particles at inhomogeneous condition. Our study demonstrates that the fluence of secondary particles is neither influenced insertion of inhomogeneties nor the energy of initial proton, while there is a little effect by material density. The deposited energy of secondary particles has a difference in the position placed inhomogeneous materials. In the Plateau region, deposited energy of secondary particles mostly depends on the density of inserted materials. Deposited energy in the Bragg region, in otherwise, is influenced by both density of inserted material and initial energy of proton beams. Our results suggest a possibility of prediction about the distribution of secondary particles within complex heterogeneity.
Park, Hyojun;Choi, Hyun Joon;Kim, Jung-In;Min, Chul Hee
Journal of Radiation Protection and Research
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v.43
no.1
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pp.10-19
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2018
Background: Monte Carlo (MC) simulation is the most accurate for calculating radiation dose distribution and determining patient dose. In MC simulations of the therapeutic accelerator, the characteristics of the initial electron must be precisely determined in order to achieve accurate simulations. However, It has been computation-, labor-, and time-intensive to predict the beam characteristics through predominantly empirical approach. The aim of this study was to analyze the relationships between electron beam parameters and dose distribution, with the goal of simplifying the MC commissioning process. Materials and Methods: The Varian Clinac 2300 IX machine was modeled with the Geant4 MC-toolkit. The percent depth dose (PDD) and lateral beam profiles were assessed according to initial electron beam parameters of mean energy, radial intensity distribution, and energy distribution. Results and Discussion: The PDD values increased on average by 4.36% when the mean energy increased from 5.6 MeV to 6.4 MeV. The PDD was also increased by 2.77% when the energy spread increased from 0 MeV to 1.019 MeV. In the lateral dose profile, increasing the beam radial width from 0 mm to 4 mm at the full width at half maximum resulted in a dose decrease of 8.42% on the average. The profile also decreased by 4.81% when the mean energy was increased from 5.6 MeV to 6.4 MeV. Of all tested parameters, electron mean energy had the greatest influence on dose distribution. The PDD and profile were calculated using parameters optimized and compared with the golden beam data. The maximum dose difference was assessed as less than 2%. Conclusion: The relationship between the initial electron and treatment beam quality investigated in this study can be used in Monte Carlo commissioning of medical linear accelerator model.
Background: A nondestructive test is commonly used to inspect the surface defects and internal structure of an object without any physical damage. X-rays generated from an electron accelerator or a tube are one of the methods used for nondestructive testing. The high penetration of X-rays through materials with low atomic numbers makes it difficult to discriminate between these materials using X-ray imaging. The interaction characteristics of neutrons with materials can supplement the limitations of X-ray imaging in material discrimination. Materials and Methods: The radiation image acquisition process for air-cargo security inspection equipment using X-rays and neutrons was simulated using a GEometry ANd Tracking (Geant4) simulation toolkit. Radiation images of phantoms composed of 13 materials were obtained, and the R-value, representing the attenuation ratio of neutrons and gamma rays in a material, was calculated from these images. Results and Discussion: The R-values were calculated from the simulated X-ray and neutron images for each phantom and compared with those obtained in the experiments. The R-values obtained from the experiments were higher than those obtained from the simulations. The difference can be due to the following two causes. The first reason is that there are various facilities or equipment in the experimental environment that scatter neutrons, unlike the simulation. The other is the difference in the neutron signal processing. In the simulation, the neutron signal is the sum of the number of neutrons entering the detector. However, in the experiment, the neutron signal was obtained by superimposing the intensities of the neutron signals. Neutron detectors also detect gamma rays, and the neutron signal cannot be clearly distinguished in the process of separating the two types of radiation. Despite these differences, the two results showed similar trends and the viability of using simulation-based radiation images, particularly in the field of security screening. With further research, the simulation-based radiation images can replace ones from experiments and be used in the related fields. Conclusion: The Korea Atomic Energy Research Institute has developed air-cargo security inspection equipment using neutrons and X-rays. Using this equipment, radiation images and R-values for various materials were obtained. The equipment was reconstructed, and the R-values were obtained for 13 materials using the Geant4 simulation toolkit. The R-values calculated by experiment and simulation show similar trends. Therefore, we confirmed the feasibility of using the simulation-based radiation image.
In this study we modeled the varian 2100C/D linear accelerator head and multi-leaf collimator by simulation with the GEANT4 Monte Carlo toolkit. Then central axis percentage depth dose profiles and lateral dose profiles within homogeneous water phantom($50{\times}50{\times}50\;cm^3$) were evaluated with 6 MV photon beam. The simulations were performed in two stages. In the first stage, photon energy spectrum at the target were computed were computed. Then spectra data was directly irradiated in the water phantom using sampling techniques. The simulation data were compared with experimental data to evaluate the accuracy of the model. Results showed that two data were matched within 2% error boundary. The proposed method will be applied for simulation of dose calculation and dose distribution study.
Arectout, A.;Zidouh, I.;Sadeq, Y.;Azougagh, M.;Maroufi, B.;Chakir, E.;Boukhal, H.
Nuclear Engineering and Technology
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v.54
no.1
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pp.301-309
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2022
This work aims to establish some X-ray qualities recommended by the International Standard Organization (ISO) using the half-value layer (HVL) and Hp(10) dosimetry approaches. The HVL values of the following qualities N-60, N-80, N-100, N-150 and N-250 were determined using various attenuation layers. The obtained results were compared to those of reference X-ray beam qualities and a good agreement was found (difference less than 5% for all qualities). The GAMOS (Geant4-based Architecture for Medicine-Oriented Simulations) radiation transport Monte Carlo toolkit was employed to simulate the production of X-ray spectra. The characteristics HVLs, mean energy and the spectral resolution of simulated spectra have been calculated and turned out to be conform to the ISO reference ones (difference less than the limit allowed by ISO). Furthermore, the conversion coefficients from air kerma to personal dose equivalent for simulated and measured spectra were fairly similar (the maximum difference less than 4.2%).
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[게시일 2004년 10월 1일]
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