ABSTRAK
KONTAMINASI ELEKTRON DAN NEUTRON PADA BERKAS FOTON VARIAN TRILOGY CLINAC iX Oleh
Sitti Yani NIM : 30212004 (Program Studi Doktor Fisika) Partikel kontaminasi berupa elektron dan neutron yang diproduksi oleh head linear accelerator (Linac), akibat interaksi antara foton dengan komponen penyusun head Linac dan udara di antara pasien dan head Linac. Partikel kontaminasi ini memberikan kontribusi secara signifikan terhadap dosis permukaan pada pasien yang diradiasi. Tiga metode yang dapat digunakan untuk menghitung dosis akibat partikel kontaminasi pada head Linac yakni pengukuran langsung dengan menggunakan magnet, metode analitik dan simulasi Monte Carlo (MC). Di antara ketiga metode tersebut, simulasi MC dapat memberikan hasil yang paling akurat. Untuk mengetahui karakteristik partikel kontaminasi yang dihasilkan, informasi material dan geometri setiap komponen head Linac memegang peranan penting dalam metode MC. Oleh karena itu, penelitian ini bertujuan untuk mengkarakteriasi partikel kontaminasi dari berkas foton yang diproduksi oleh Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan metode simulasi MC untuk ukuran medan paparan yang luas dan sempit. Dalam penelitian ini, proses validasi dari hasil simulasi dilakukan dengan membandingkan hasil yang diperoleh dari simulasi dengan data hasil pengukuran dan hasil-hasil penelitian lain yang relevan. Penelitian ini terdiri atas empat tahapan. Tahap pertama adalah proses commissioning yang dilakukan dengan menghitung deviasi distribusi dosis hasil simulasi MC terhadap data pengukuran di Tan Tock Seng Hospital (TTSH) Singapura. Tujuan dari proses commissioning ini adalah menentukan energi awal elektron dalam menyimulasikan berkas foton 6 and 10 MV. Commisioning dilakukan dengan tiga langkah yakni pemodelan head Linac melalui BEAMnrc, karakterisasi model melalui BEAMDP dan analisis deviasi percent depth dose (PDD) serta profil dosis antara hasil simulasi dan pengukuran dengan DOSXYZnrc. Head Linac dibagi menjadi 2 bagian (komponen patient-dependent dan patient-independent) agar waktu simulasi dapat direduksi. Pembentukan ukuran medan paparan melalui penggunaan millennium MLC 120 leaf Varian Clinac iX. Energi elektron datang divariasikan pada energi 6,1; 6,2; 6,3 dan 6,4 MeV untuk berkas foton 6 MV serta 10,1; 10,2; 10,3 dan 10,4 MeV untuk 10 MV dengan FWHM (full width at half maximum) 1,0 mm. Energi elektron datang hasil commissioning dipilih berdasarkan deviasi PDD dan profil dosis yang memiliki nilai ≤ 5%. Berdasarkan hasil analisis deviasi diperoleh energi elektron awal yang
iii
digunakan untuk simulasi berkas foton 6 dan 10 MV masing-masing sebesar 6,4 dan 10,3 MeV. Pengaturan dimensi voxel pada simulasi EGSnrc dibedakan berdasarkan peruntukannya agar memberikan hasil dan waktu simulasi yang lebih tepat. Pengaturan dimensi voxel pada perhitungan PDD dan profil dosis berbeda dengan memperhatikan daerah build-up dan fall-off. Tahap berikutnya adalah simulasi kontaminasi elektron yang dilakukan dengan EGSnrc-code untuk berkas foton 6 dan 10 MV. Data file phase space (phsp) pada akhir simulasi tahapan awal penelitian dianalisis untuk membedakan jenis partikel di dalamnya (semua partikel, foton dan elektron). Informasi partikel dalam file ini juga diinvestigasi untuk menghitung jumlah elektron yang dihasilkan oleh head Linac dengan ukuran medan paparan yang berbeda. Perhitungan PDD dan profil dosis yang menggunakan sumber semua partikel dan foton disimulasikan pada phantom air berukuran 40×40×40 cm3. Dosis akibat keberadaan elektron dihitung berdasarkan selisih dosis yang dihasilkan oleh kedua sumber partikel yang berbeda tersebut. Dosis akibat kontribusi elektron kontaminasi meningkat dengan penambahan ukuran medan paparan dan menurun seiring dengan bertambahnya kedalaman. Dosis akibat kontaminasi untuk berkas foton 6 MV ini sebesar 39,3%; 28,2% dan 16,4% masing-masing pada kedalaman 0,3; 0,5 dan 0,7 cm dari permukaan phantom untuk medan paparan 10×10 cm2. Nilai ini diperoleh dengan membandingkan dosis akibat kontaminasi elektron terhadap dosis semua partikel. Dosis akibat kontaminasi elektron pada ukuran medan paparan yang kecil (kurang dari 6×6 cm2) memiliki nilai yang kecil. Besar dosis akibat kontaminasi elektron yang diterima oleh permukaan phantom air adalah 2,14% pada ukuran medan paparan 4×4 cm2 untuk Linac 6 MV. Lebar penumbra pada ukuran medan paparan yang sempit berkisar antara 0,4 – 0,6 cm untuk berkas foton head Linac 10 MV. Hal menarik dari hasil ini diperoleh bahwa kedalaman yang memiliki dosis maksimum (dmaks) mengalami pergeseran ke arah kedalaman yang lebih besar untuk medan paparan yang lebih luas. dmaks untuk medan paparan 1×1 dan 5×5 cm2 masing-masing berada pada kedalaman 2,1 dan 2,7 cm. EGSnrc memiliki keterbatasan jenis partikel yang dapat disimulasikan. Neutron tidak dapat disimulasikan menggunakan perangkat lunak ini sehingga simulasi kontaminasi neutron pada berkas foton 6 dan 10 MV dilakukan dengan MCNPXcode. Perangkat lunak MCNPX-code terlebih dahulu dibandingkan dengan EGSnrc-code untuk geometri yang sederhana sehingga proses commissioning head Linac tidak dilakukan lagi. Tahap ketiga, hasil-hasil simulasi MC dengan EGSnrc-code dibandingkan dengan hasil-hasil simulasi MCNPX-code. Simulasi dilakukan untuk membandingkan distribusi spektrum, ketidakpastian statistik dan waktu simulasi pada geometri sederhana (target sinar-X berkas foton 6 MV). Distribusi spektrum yang diperoleh menunjukkan bahwa spektrum yang dihasilkan tidak persis sama (deviasi kurang dari 5%) terutama pada daerah build-up. Namun,. Puncak 100% pada EGSnrc dan MCNPX masing-masing berada pada energi 0,245 dan 0,250 MeV. Sedangkan pada bagian fall-off, bentuk dan nilai spektrumnya serupa dengan perbedaan
iv
kurang dari 2%. Dengan nilai deviasi yang kecil, proses commissioning tidak dilakukan. Simulasi dengan MCNPX-code menggunakan energi elektron awal yang sama dengan hasil pada tahapan awal penelitian. Tahap terakhir adalah simulasi kontaminasi neutron pada berkas foton Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan MCNPX-code. Head Linac berkas foton 6 MV tidak menghasilkan kontaminasi neutron. Kontaminan ini hanya dihasilkan oleh head Linac berkas foton 10 dan 15 MV. Kontaminasi neutron diproduksi terutama pada komponen target, kolimator primer, JAWS X dan Y dan MLC. Kontaminasi neutron memberikan kontribusi pada berkas foton Linac Varian. Sebagian besar neutron yang dihasilkan mengalami hamburan ke ruang treatment yang dapat membahayakan pasien dan pekerja radiasi. Energi neutron pada scoring plane yang berjarak 100 cm dari target pada berkas foton 10 dan 15 MV masing-masing sebesar 2,239 dan 4,467 MeV. Neutron dengan energi tersebut berbahaya karena memiliki nilai bobot radiasi lebih tinggi dibandingkan dengan foton berenergi sama sehingga tidak dapat diabaikan. Simulasi kontaminasi elektron dan neutron pada berkas foton Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV dengan EGSnrc dan MCNPX-code memberikan hasil yang akurat. Kontaminan tidak dapat diabaikan terutama pada Linac dengan energi tinggi dan ukuran medan paparan yang besar. Kontaminasi elektron memegang peranan penting terhadap dosis permukaan pada ukuran medan paparan yang luas maupun sempit. Kata kunci: Radioterapi, Monte Carlo, Kontaminasi elektron, Kontaminasi Neutron
v
vi
ABSTRACT
ELECTRON AND NEUTRON CONTAMINATION IN VARIAN TRILOGY CLINAC iX PHOTON BEAM By
Sitti Yani NIM : 30212004 (Doctoral Program in Physics) Contaminating particles (electrons and neutrons) can be produced in a head linear accelerator (Linac) due to interactions between photon and head Linac components. The particles affect the dose distribution in the target and become the major contributor in the surface dose. To investigate the characteristics of contamination particles, the detailed information about the geometry and material from each component in the head Linac should be provided. From some literatures, there are three methods to determine electron contamination, e.g. direct measurement with a magnet, analytical method and Monte Carlo (MC) simulation. Nowadays, MC simulation provides an accurate and good method to investigate the particle contamination. Therefore, the aim of this study is to determine the characteristics of contaminant electrons and neutrons from head of Varian Clinac iX 6 MV photon beam using MC simulation for small and large field sizes. This research consists of 4 steps. The first step was the commissioning process. This process was to compare the dose distribution between simulation and measurement data from Tan Tock Seng Hospital (TTSH) Singapore to obtain the incident electron energy for 6 and 10 MV photon beam. MC simulation for commissioning head Linac was divided into three stages. Those stages are head Linac modelling using BEAMnrc, characterization of modeled head Linac using BEAMDP and calculation of the difference between simulation and measurement data using DOSXYZnrc. In the first step, to reduce simulation time, a virtual head linac was built in two parts (patient-dependent components and patientindependent components). The incident electron energies were varied to 6,1; 6,2; 6,3 and 6,4 MeV for 6 MV photon beam and 10,1; 10,2; 10,3 and 10,4 MeV for 10 MV with 1 mm FWHM (full width at half maximum) of source. Phase-space files from the virtual model were characterized using BEAMDP. Percent depth doses (PDDs) and beam profiles at 10 cm depth resulted from MC calculations using DOSXYZnrc in water phantom were compared to measurement results. This process cycle was finished if the dose difference of measured and calculated PDDs and beam profiles was less than 5%. Results of the virtual model were close to the measurements from incident electron energy of 6.4 MeV and 10.3 MeV which were 6 and 10 MV, respectively. The MC model developed in this study accurately represents the Varian Clinac iX with millennium MLC 120 leaf and can be used for reliably patient dose calculations.
vii
The second step was to simulate electron contamination using EGSnrc code system. Electron contamination plays an important role in surface dose. The dose of contamination for 6 MV photon beam was 39,3%; 28,2% and 16,4% respectively at depths 0,3; 0,5 and 0,7 cm measured from phantom surface for field size 10×10 cm2. This value was obtained by comparing the dose of electrons contamination to dose of all particles from phsp file. Doses due to contamination of electrons in cases of small fields (less than 6 cm) were small. The simulation on 4×4 cm2 field showed that the dose of the contamination was 7.96% on the water phantom surface for 6 MV photon beam. The penumbra width (region at the edge of field size which dose rate changed rapidly from 80% to 20%) for all small field sizes of 10 MV photon beam was around 0,4 to 0,6 cm. It is important to point out that the depth with dose maximum (dmaks) for PDD curve has a little bit shifted. For the smallest field size 1×1 cm2, dmaks was 2,7 cm, while dmaks has increased to 2,1 cm for the largest field size 5×5 cm2. This dmaks shifting correspond to the number of scattered particle. The next step was comparing the spectral distribution, statistical uncertainty and simulation time between EGSnrc and MCNPX code system on simple geometry (X-ray target 6 MV photon beam). The output particles analyzed in this simulation was photon. The results showed that the spectrum from EGSnrc and MCNPX was not well-matched in which the difference was under 5% in build-up region and 2% in fall-off region. The spectral distribution curve was a visual representation of the X-ray spectrum produced by a 6 MV photon beam target. The 100% peak of EGSnrc and MCNPX spectral distribution were 0,245 and 0,250 MeV, respectively. Based on these results, the commissioning process was unnecessary for MCNPX-code. Therefore, incident electron energy used in MCNPX-code was configured using same energy with the energy resulted in EGSnrc-code commissioning process. lastly, simulation of neutron contamination for Varian Clinac iX 6, 10 dan 15 MV photon beam was performed using MCNPX. Neutron contamination was not found in 6 MV photon beam. These contaminants were found only in 10 and 15 MV formed mainly on X-ray target, primary collimator, vacuum window, flattening filter (FF), JAWS X and Y and MLC components. Contamination neutrons contributed to the photon beam despite most of them were scattered around in the treatment room. Neutrons energy in scoring plane located 100 cm from the target were 2,239 and 4,467 MeV for 10 and 15 MV photon beam, respectively. Neutrons at these levels of energy are dangerous for patients and radiation workers since they have a high relative biological effectiveness (RBE) and cannot be ignored. This study increased our knowledge of the clinical photon beams and associated contaminant electrons and neutrons for large and small field sizes. It demonstrated the accuracy of the Monte Carlo technique in simulating these contaminations. The higher head Linac energy and field sizes provide the large
viii
