다중 그룹 볼츠만의 타당성

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 1310(2023) 이 기사 인용

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레거시 원자로 볼츠만 솔버는 방사선 종양학 치료 계획에서 몬테카를로(MC) 코드 및 페르미-에이지스 반경험적 모델의 대안으로 임상 배포를 시작합니다. 오늘날 인증된 임상 솔버는 광자 빔으로 제한됩니다. 이 논문에서는 NJOY의 최첨단 다중 그룹 전자 단면 생성 모듈인 ELECTR가 1-20 MeV 단방향 전자 빔에 대한 Lockwood의 열량 측정, EGS-nrc 및 GEANT-4에 대해 제시되고 검증되었습니다. 원자로 DRAGON-5 솔버가 업그레이드되어 라이브러리에 액세스하고 BFP(볼츠만-포커-플랑크) 방정식을 풀 수 있습니다. 검증 목적으로 다양한 이종 방사선 치료 및 방사선 수술 팬텀 구성이 사용되었습니다. 사례 연구에는 흉부 벤치마크, 일반적인 유방 수술 중 방사선 요법의 벤치마크 및 이질성이 높은 환자와 유사한 벤치마크가 포함됩니다. 모든 빔에 대해 \(100\%\)의 물 ​​복셀은 \(2\%\) 미만의 BFP-MC 선량 오류에 대한 미국 의학 물리학자 협회의 정확도 기준을 충족했습니다. 적어도 \(97.0\%\)의 지방, 근육, 뼈, 폐, 종양 및 유방 복셀이 \(2\%\) 기준을 충족했습니다. 평균 BFP-MC 상대 오차는 모든 복셀, 빔 및 재료를 결합한 경우 약 \(0.56\%\)였습니다. \(Z=1\)(수소)에서 \(Z=99\)(아인슈타인)까지 균일한 슬래브를 조사하여 CEPXS 모드[US. Sandia National Lab., SAND-89-1685] 전체 주기율표에 대한 ELECTR에 포함되어 있습니다. 모든 Lockwood 벤치마크에서 NJOY-DRAGON 선량 예측은 \(98\%\) 복셀에 대한 실험 데이터 정밀도 내에 있습니다.

NJOY 핵 데이터 처리 시스템은 평가 핵 데이터 파일(ENDF)1의 점별 및 다중군 중성자 및 광자 단면을 처리하는 데 널리 사용됩니다. 현재 중성 입자 유발 평가에 대한 제한으로 인해 핵분열로 설계, 허가 및 안전 분석, 비축량 관리 모델링, 임계 안전 벤치마킹, 방사선 차폐 및 핵폐기물 관리2,3,4에 대한 시스템 적용 범위가 제한됩니다.

필요. 특히 초대형 전자 장치5(예: 실리콘 마이크로 전자 장치6), 저압 융합 플라즈마 제어7, 가스 방전 플라즈마8, 가속기 빔 전송(예: (e\(^-\) , e\(^+\)) ​​충돌기)9,10, 빔-빔 상호 작용5, 방사선 종양학 및 의학 물리학11,12,13. 전자 전달 코드/모델의 사용은 이미 방사선 종양학의 일상적인 임상 실습 작업 흐름에 널리 퍼져 있습니다. 매우 정확하지만 계산 비용과 시간이 많이 소요되는 것으로 알려진 몬테카를로(MC) 계산의 확률론적 특성을 피하기 위해 의학 물리학자들은 소위 커널 반경험적 모델(SEM)에 의존해 왔습니다. 수정된 MC 알고리즘(예: 전자 전송 수정, 확률이 낮은 이벤트 추적 제한 또는 복셀 기반 전송 방법 구현14 및 분산 감소 기술 기반 알고리즘15)은 일부 임상 루틴16,17에 존재하며 여기서는 논의하지 않습니다.

포인트 커널18, 연필 빔19,20,21, 축소된 원뿔 컨볼루션22 및 컨볼루션/중첩23,24은 임상 치료 계획 시스템(TPS)에 일반적으로 배포되는 모델입니다. 주요 가정은 복사 전달에 대한 Fermi-Eyges 소각 산란 이론25,26의 사용에서 비롯됩니다. 이는 (i) 하전 입자 다중 산란은 전파 방향의 매우 작은 변화만을 포함하고, (ii) 전자는 작은 비행 각도, 즉 궤도가 원뿔 내에 포함되어 생산 현장에서 이탈하는 것을 방지하고 (iii) 깊이 x에 있는 모든 전자는 미리 결정된 에너지 E(x)를 갖습니다. 결과적으로, 이러한 근사치는 입자 경로 길이를 깊이와 잘못 동일시하고, 낙오 효과, 치명적인 에너지 손실 및 큰 각도 편차를 무시합니다. 1981년에 Hogstrom et al.27은 전자빔(비결합 수송)에 대한 이 이론의 최초 적용을 제안했습니다. 미리 결정된 커널의 깊이 의존성으로 인해 모델은 계층화된 이질성만 설명할 수 있습니다. 후자는 확산 커널의 크기 조정을 통해 근사화됩니다. 이 연필빔 모델은 13년 후 Gustafsson29와 Ulmer30에 의해 광자빔에 대해 일반화되었습니다. 처음부터 이들 연구는 단순한 이질성 사례부터 복잡한 구성에 이르기까지 상당한 실패를 보고했습니다. 보정 계수 및 SEM 개선 - 예: Jette 및 Bielajew 2차 다중 산란 이론31, Storchi 및 Huizenga 각도 저지력 성분32, Bruinvis 등. 낙오된 모델33, Shiu 및 Hogstrom 재정의 알고리즘34, Yu et al. 다중선 모델35, Ahnesjö et al. (광자빔)21 및 Knoos et al. (전자빔)36 부분적 이질성 보정, Ulmer et al. 측면 스케일링37 또는 Tillikainen et al.38 빌드다운 모델이 필요했지만 \(22\%\)(밀도 섭동에 따른)39 또는 \(40\%\)(이질성에 가깝습니다)40의 일반적인 오류가 재발하는 것을 방지하지 못했습니다. . Hensel et al.28은 Fermi-Eyges 다중 산란 가설이 천체 물리학에서는 사실로 알려져 있지만 인간 조직에서는 사실이 될 수 없다는 것이 문제라고 설명합니다. 즉, 탄성 Møller 산란과 Bhabha 산란이 전방 정점에 도달하더라도 다중 산란의 누적 효과로 인해 Fermi-Eyges 이론이 개발되지 않은 상당한 각도 변화가 발생합니다. 임상의는 이러한 한계를 알고 있습니다41,42,43.