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Type: TESE
Title: Aplicabilidade e validação do Geant4 para fótons e elétrons em radioterapia
Title Alternative: GEANT4 applicability and validation to Photons and Electrons in Radiotherapy
Author: Malthez, Anna Luiza Metidieri Cruz, 1985-
Advisor: Button, Vera Lúcia da Silveira Nantes, 1959-
Abstract: Resumo: Devido ao crescimento do uso de radiação ionizante em aplicações médicas, nas últimas décadas, os códigos para simulações de radiação interagindo com a matéria, baseados no Método de Monte Carlo, têm sido constantemente adaptados para aplicações em física médica. O método de Monte Carlo é um método estatístico de simulação numérica de problemas utilizando essencialmente uma sequência de números aleatórios. Atualmente, o método pode ser aplicado em simulações físicas, matemáticas e biológicas; o comportamento dos sistemas é descrito por amostragens aleatórias de funções de densidade de probabilidade e os acúmulos dos valores observados das amostragens produzem o resultado final da simulação. No caso de transporte de radiação, o valor esperado de grandezas de interesse, como, por exemplo, energia depositada ou dose em determinado meio ou volume de interesse simulado, pode ser estimado. Na maior parte das aplicações do método, o processo físico é simulado diretamente, necessitando somente da descrição matemática do processo físico, ou seja, da função densidade de probabilidade. Dentre os códigos mais utilizados para transporte de radiação, destacam-se: o EGS (Electron Gamma Shower); MCNP (Monte Carlo Neutron Photon Transport Code); ITS (Integrated Tiger Serie); PENELOPE (Penetration and Energy Loss of Positrons and Electrons) e o GEANT4 (Geometry and Tracking) disponibilizado pelo CERN (European Organization for Nuclear Research). O GEANT4 é um conjunto de ferramentas computacionais (toolkit) que utiliza programação orientada a objeto em C++, criado através de um projeto internacional e inicialmente utilizado para aplicações em física de altas energias; porém, atualmente é utilizado em áreas que compreendem desde astrofísica até física médica, com energias de 250 eV até 100 TeV. No toolkit do GEANT4 têm sido incorporados diversos processos físicos e partículas que permitem seu uso em física médica. Este código apresenta diversas vantagens em relação aos outros códigos, como, por exemplo, lidar com todos os tipos de partículas, geometrias complexas e estar em C++. Com o uso crescente dos códigos de Monte Carlo e das diversas aplicações do GEANT4 em física médica, publicadas recentemente, este código se apresentou como uma ferramenta promissora para aplicações na área de radioterapia, na qual vêm sendo utilizados diversos tipos de simulações. Considerando as vantagens deste código e suas aplicações em física médica, nesta dissertação de mestrado, foram desenvolvidas diversas simulações para verificar a aplicabilidade e validar o GEANT4 para aplicações em radioterapia. Por exemplo, foi estudada a dependência da energia depositada com parâmetros não-físicos do algoritmo de transporte de elétrons; o transporte de elétrons para energias de 1 a 20 MeV, que no G4 e em diversos outros códigos, apresentou problemas de grande relevância; e a influência do número de eventos nos resultados simulados. Também, foi avaliada a aplicação do G4 no transporte de radiação, através de simulações de elétrons e fótons emitidos por equipamentos e fontes usados em radioterapia, como acelerador linear e fontes de Co-60 e Ir-192, e através de cálculos de algumas grandezas, como dose, alcance e Stopping Power de elétrons monoenergéticos transportados em água. Os resultados em todas as simulações desenvolvidas apresentaram uma exatidão dentro de 2%, indicando que o GEANT4 pode ser utilizado, em simulações de fótons e elétrons, para aplicações em radioterapia

Abstract: Due to the increasing use of ionizing radiation in medical applications, in recent decades, the simulation codes for radiation interacting with matter, based on Monte Carlo Method, have been constantly adapted to applications in medical physics. TheMonte Carlo method is a statisticalmethod of numerical simulation of problems using essentially a sequence of random numbers. Currently, the method can be applied in physical, mathematical and biological simulations, the behavior of systems is described by random sampling of probability density functions and accumulation of the observed values of the samples producing the final result of the simulation. In the case of radiation transport, the expected value of quantities of interest such as, for example, dose or energy deposited in a medium or interest volume simulated, can be estimated. In most applications of the method, the physical process is simulated directly, requiring only the mathematical description of the physical process, ie the probability density function. Among the most commonly used codes for radiation transport are: the EGS (Electron Gamma Shower), MCNP (Monte Carlo Neutron Photon Transport Code), ITS (Integrated Tiger Series), PENELOPE (Penetration and Energy Loss of Electrons and Positrons) and Geant4 (Geometry and Tracking) released by CERN (European Organization for Nuclear Research). The GEANT4 is a set of computational tools (toolkit) that uses object-oriented programming in C++, created through an international project and initially used for applications in high energy physics, but is now used in areas that include from astrophysics to medical physics, with energies of 250 eV to 100 TeV. In the GEANT4 toolkit have been incorporated several physical processes and particles that allow its use in medical physics. This code has several advantages over other codes, for example, dealing with all types of particles and complex geometries and to be in C++. With the increasing use of Monte Carlo codes and the various applications of GEANT4 in medical physics, published recently, this code is presented as a promising tool for applications in radiotherapy, which have been used in various types of simulations. Considering the advantages of this code and its applications in medical physics in this dissertation, it was developed various simulations to verify the GEANT4 applicability and validation for radiotherapy applications. For example, it was study various aspects of implementation of the code, for example, the dependence of the energy deposited with non-physical parameters of the electrons transport algorithm, the transport of electrons to energies 1 to 20 MeV, in which GEANT4 and various other codes, presented problems of great relevance, and the influence of number of events in the simulated results. Also, it was evaluated the application of G4 in the transport of radiation through simulations of photons and electrons emitted by equipment and sources used in radiotherapy, as linear accelerator and sources of Co-60 and Ir-192, and by calculation of some quantities such as dose range and Stopping Power of monoenergetic electrons transported in water. The results in all simulations developed present a accuracy within 2%, indicating that Geant4 can be used, in simulations of photons and electrons, for applications in radiotherapy
Subject: Monte Carlo, Método de
Fótons
Elétrons
Radioterapia
Language: Português
Editor: [s.n.]
Date Issue: 2011
Appears in Collections:FEEC - Tese e Dissertação

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