การจําลองมอนติคาร์โลสําหรับคํานวณปริมาณรังสีของอุปกรณ์กําหนดพื้นที่ขนาดมาตรฐานของอิเล็กตรอนพลังงาน 9
บทคัดย่อ
การรักษาผู้ป่วยโรคมะเร็งด้วยวิธีการทางรังสีรักษาต้องการความถูกต้องสูง เนื่องจากปริมาณรังสีที่ผู้ป่วยได้รับมีค่าสูง โดยเฉพาะการรักษาด้วยการฉายลําอิเล็กตรอนพลังงานสูงจากเครื่องเร่งอนุภาคที่มีการเกิดอันตรกิริยาในตัวกลางค่อนข้างซับซ้อนกว่าการฉายด้วยรังสีเอกซ์พลังงานสูง การศึกษาวิจัยครั้งนี้ทําการคํานวณค่าปริมาณรังสีในหุ่นจําลองน้ำด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โลเปรียบเทียบกับการวัดด้วยหัววัดรังสีไอออไนเซชัน โดยทําการจําลองมอนติคาร์โลลําอิเล็กตรอนพลังงาน 9 MeV พื้นที่ลํารังสีมาตรฐานขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตร จากเครื่องเร่งอนุภาคด้วยโปรแกรมมอนติคาร์โล EGSnrc ซึ่งประกอบด้วยโปรแกรม BEAMnrc สําหรับจําลองอันตรกิริยาที่เกิดขึ้นในเครื่องเร่งอนุภาคและโปรแกรม DOSXYZnrc สําหรับจําลองอันตรกิริยาในหุ่นจําลองนํ้าด้วยอนุภาคที่มาจากเครื่องเร่งอนุภาค สําหรับการจําลองมอนติคาร์โลได้ทําการจําลองอันตรกิริยาด้วยค่าพลังงานตั้งต้นเฉลี่ยตั้งแต่ 9.4-11 MeV และจําลองลําอิเล็กตรอนด้วยค่าการกระจายตัวแบบเกาส์เซียนตั้งต้นขนาด 0.05-0.15 เซนติเมตร จากนั้นเปรียบเทียบค่าที่คํานวณได้จากมอนติคาร์โลกับค่าที่ได้จากการวัดจริงในหุ่นจําลองนํ้าที่ระดับความลึก R90, R50 และ Rp ผลการวิจัยพบว่าค่าที่คํานวณได้จากการจําลองมอนติคาร์โลด้วยพลังงานตั้งต้นเฉลี่ย 10.8 MeV และลําอิเล็กตรอนแบบเกาส์เซียนขนาด 0.05 เซนติเมตร มีความใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการวัดจริงมากที่สุด ด้วยความแตกต่างของระยะ R90, R50 และ Rp เท่ากับ 0.047, 0.004 และ 0.004 เซนติเมตร ตามลําดับ การศึกษาวิจัยครั้งนี้ทําให้ทราบว่าการจําลองมอนติคาร์โลสามารถคํานวณค่าปริมาณรังสีได้สอดคล้องกับการวัดจริงด้วยหัววัดรังสี ซึ่งอาจนําไปใช้ในการประเมินความถูกต้องของการกําหนดปริมาณรังสีที่ใช้ในการรักษาผู้ป่วยได้
บทนํา
การรักษาโรคมะเร็งด้วยวิธีการทางรังสีรักษาต้องการความถูกต้องในการกําหนดปริมาณรังสีอย่างมาก เนื่องจากรังสีที่ใช้ในการรักษามีพลังงานและปริมาณที่สูงมาก หากเกิดความผิดพลาดเพียงเล็กน้อยอาจส่งผลให้ผู้ป่วยเกิดภาวะข้างเคียงจากการได้รับปริมาณรังสีสูงได้ ดังนั้นเพื่อให้การรักษามีความถูกต้องและเป็นสากลจึงได้มีการกําหนดมาตรฐานการกําหนดปริมาณรังสีขึ้นเพื่อป้องกันความผิดพลาดจากการรักษาด้วยรังสีรักษา สําหรับการรักษาด้วยวิธีการทางรังสีรักษาส่วนใหญ่ใช้วิธีการรักษาด้วยรังสีเอกซ์หรือแกมมาในกรณีที่ก้อนมะเร็งอยู่ลึกใต้ผิวหนัง และใช้อิเล็กตรอนพลังงานสูงในการรักษาโรคมะเร็งที่อยู่ระดับตื้นจากผิวหนัง การถ่ายเทพลังงานรังสีให้กับเนื้อเยื่อจะมีความแตกต่างกันระหว่างรังสีแต่ละชนิดและการคํานวณเพื่อกําหนดปริมาณรังสีดังกล่าวมีความซับซ้อนแตกต่างกัน นอกจากนี้การถ่ายเทพลังงานของอิเล็กตรอนให้กับเนื้อเยื่อทําให้เกิดอันตรกิริยาที่มีความซับซ้อนมาก เนื่องจากอิเล็กตรอนเป็นอนุภาคที่มีมวลและประจุส่งผลให้เกิดการกระเจิงค่อนข้างมาก กรณีดังกล่าวไม่สามารถคํานวณปริมาณรังสีด้วยวิธีการอย่างง่ายได้ สําหรับความถูกต้องของการกําหนดปริมาณรังสีดังกล่าวสามารถตรวจสอบได้ด้วยการวัดค่าปริมาณรังสีในนํ้าด้วยหัววัดรังสี แต่ด้วยขั้นตอนการตรวจสอบค่อนข้างยุ่งยากและใช้เวลามากจึงทําให้เกิดการละเว้นการตรวจสอบความถูกต้องของปริมาณรังสีดังกล่าว
อย่างไรก็ตาม การคํานวณปริมาณรังสีด้วยหลักการจําลองมอนติคาร์โลเป็นวิธีการที่ให้ผลการคํานวณที่มีความถูกต้องสูง โดยการจําลองมอนติคาร์โลเป็นการประยุกต์ใช้ทฤษฎีทางฟิสิกส์รังสีและสถิติเพื่อศึกษาการเคลื่อนที่ของอนุภาคและอันตรกิริยาในตัวกลาง (interaction with matter) ที่เกิดขึ้นในช่วงพลังงานที่ใช้ทางรังสีรักษา รูปแบบการคํานวณดังกล่าวจึงทําให้สามารถคํานวณการกระจายของปริมาณรังสีที่เคลื่อนที่ผ่านตัวกลางต่างๆ ได้อย่างถูกต้องแม่นยํา การศึกษาวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการจําลองมอนติคาร์โลเพื่อคํานวณปริมาณรังสีในทางรังสีรักษาเริ่มมีบทบาทมากยิ่งขึ้นและมีแนวโน้มในการนํามาใช้เป็นซอฟต์แวร์คอมพิวเตอร์วางแผนการรักษาได้ การศึกษาวิจัยครั้งนี้เป็นการคํานวณค่าปริมาณรังสีด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โลลําอิเล็กตรอนพลังงาน 9 MeV จากเครื่องเร่งอนุภาคเพื่อประเมินความถูกต้องของการคํานวณปริมาณรังสีด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โลเปรียบเทียบกับการวัดด้วยหัววัดรังสีซึ่งเป็นวิธีการมาตรฐานในการตรวจสอบปริมาณรังสีในปัจจุบัน
วิธีการศึกษาและวัสดุอุปกรณ์
การจําลองมอนติคาร์โลสําหรับคํานวณค่าปริมาณรังสี
การจําลองมอนติคาร์โลเพื่อคํานวณค่าปริมาณรังสีที่เกิดจากการฉายลําอิเล็กตรอนในนํ้าจากเครื่องเร่งอนุภาคพลังงาน 9 MeV ทําโดยใช้โปรแกรมมอนติคาร์โล EGSnrc code system ซึ่งเป็นโปรแกรมที่นิยมใช้ในการจําลองอันตรกิริยาของรังสีชนิดต่างๆ ในตัวกลาง ประกอบด้วยโปรแกรม BEAMnrc ใช้สําหรับจําลองการเกิดอันตรกิริยาภายในเครื่องเร่งอนุภาค และโปรแกรม DOSXYZnrc ใช้สําหรับจําลองอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนในตัวกลางนํ้า โดยการคำนวณค่าปริมาณรังสีด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โลด้วย EGSnrc code system ประกอบด้วยขั้นตอนดังต่อไปนี้
การสร้างส่วนประกอบเครื่องเร่งอนุภาค
การจําลองมอนติคาร์โลของลําอิเล็กตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาค CLINAC รุ่น 2100CD บริษัท Varian ทําโดยการสร้างโครงสร้างและส่วนประกอบของเครื่องเร่งอนุภาคตามรูปร่างและขนาดจริงด้วยโปรแกรม BEAMnrc ประกอบด้วย component module (CMs) ชนิด CONS3R, SLABS, CONESTAK, CHAMBER, MIRROR, JAWS และ APPLICATOR สําหรับสร้างเป็นส่วนประกอบภายในเครื่องเร่งอนุภาค primary collimator, vacuum window, upper & lower scattering foil, monitor chamber, mirror, secondary collimator, applicator และ insert cutout ตามลําดับ โครงสร้างและอุปกรณ์ทั้งหมดกําหนดให้เป็นวัสดุชนิดเดียวกันกับเครื่องเร่งอนุภาค สําหรับขนาดพื้นที่มาตรฐานของลําอิเล็กตรอนในการศึกษาวิจัยครั้งนี้กําหนดให้ electron applicator มีขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตร ที่ระยะจากต้นกําเนิดรังสีถึงผิวนํ้า (SSD) เท่ากับ 100 เซนติเมตร
การจําลองอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนภายในเครื่องเร่งอนุภาค
จําลองอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านส่วนประกอบต่างๆ ภายในเครื่องเร่งอนุภาค โดยกําหนดค่าพารามิเตอร์ที่ต้องทําการประเมินเพื่อให้การคํานวณมีความถูกต้อง ประกอบด้วยค่าพลังงานเฉลี่ยตั้งต้นตั้งแต่ 9.4, 9.6, 9.8, 10.0, 10.2, 10.4, 10.6 10.8 และ 11 MeV ตามลําดับ และค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้น (FWHM) ซึ่งกําหนดให้ค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นมีลักษณะ Gaussian distribution ที่มีขนาด 0.05, 0.1 และ 0.15 เซนติเมตร ตามลําดับ สําหรับการประเมินความถูกต้องของการคํานวณใช้วิธีการตรวจสอบจากค่าปริมาณรังสีที่ระดับความลึกร้อยละ 90, 50 และ practical range (R90, R50 และ Rp) ของค่า percentage depth dose (PDD) และ relative beam profile กําหนดให้จํานวนอนุภาคเริ่มต้น (initial particle) ที่ใช้ในการจําลองอันตรกิริยาเท่ากับ 5 x 108 อนุภาค เพื่อให้การคํานวณมีความถูกต้องสูง นอกจากนี้ยังมีพารามิเตอร์อื่นที่ใช้ในการจําลองอันตรกิริยาที่เกิดในส่วนหัวของเครื่องเร่งอนุภาค ประกอบด้วยพลังงานขั้นตํ่าที่กําหนดให้อนุภาคเคลื่อนที่หรือหยุด ซึ่งการศึกษาวิจัยครั้งนี้กําหนดค่า transport parameters ด้วยวิธี BCA แบบ EXACT และกําหนดค่า electron step algorithm ชนิด PRESTA-II ประกอบด้วย ECUT เท่ากับ 0.521 MeV และ PCUT เท่ากับ 0.01 MeV
การสร้างหุ่นจําลองนํ้าสําหรับคํานวณค่าปริมาณรังสีดูดกลืน
สร้างหุ่นจําลองนํ้าสําหรับใช้ในการคํานวณค่าปริมาณรังสีดูดกลืนจากส่วนหัวของเครื่องเร่งอนุภาคด้วยโปรแกรม DOSXYZnrc ซึ่งมีขนาด 67.5 x 64.5 x 56 ลูกบาศก์เซนติเมตร โดยหุ่นจําลองนํ้าที่สร้างขึ้นสําหรับจําลองมอนติคาร์โลมีขนาดเท่ากับหุ่นจําลองนํ้าที่ใช้ในการวัดปริมาณรังสีในนํ้าด้วยหัววัดรังสีชนิดไอออไนเซชันแชมเบอร์ (ionization chamber) ขนาด 0.13 cc
การคํานวณค่าปริมาณรังสีในหุ่นจําลองนํ้า
ทําการคํานวณหาค่า percentage depth dose (PDD) และ relative beam profile ในหุ่นจําลองนํ้าด้วยโปรแกรม DOSXYZnrc โดยแบ่งขนาดของวอกเซลสําหรับการคํานวณค่า percentage depth dose ตามแนวกึ่งกลางลํารังสีออกเป็น 3 ช่วงเพื่อลดเวลาในการคํานวณ ประกอบด้วยวอกเซลขนาด 0.5x0.5x0.2 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่ระดับผิวนํ้าถึงความลึก 6 เซนติเมตร จากนั้นกําหนดให้มีขนาด 0.5x0.5x0.5 ลูกบาศก์เซนติเมตรจนถึงความลึก 16 เซนติเมตร และให้มีขนาด 0.5x0.5x40 ลูกบาศก์เซนติเมตรที่ฐานหุ่นจําลองนํ้า ตามลําดับ สําหรับค่า relative beam profile กําหนดวอกเซลในแนวแกน x ให้มีขนาดตั้งแต่ 0.25 ถึง 0.5 เซนติเมตร แกน y กําหนดวอกเซลขนาด 0.5 เซนติเมตรตลอดพื้นที่ลํารังสี และแกน z ใช้วอกเซลขนาดตั้งแต่ 0.1 ถึง 1 เซนติเมตรตลอดระยะลึกที่เก็บค่าปริมาณรังสี
การวิเคราะห์ผลการคํานวณปริมาณรังสีด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โล
ทําการวิเคราะห์ผลการจําลองมอนติคาร์โล EGSnrc ในส่วนของเครื่องเร่งอนุภาคด้วยโปรแกรม BEAMnrc และคํานวณค่าปริมาณรังสีในนํ้าด้วยโปรแกรม DOSXYZnrc ผลที่ได้จากการประเมินหาค่าพลังงานตั้งต้นที่เหมาะสมสําหรับการจําลองมอนติคาร์โลด้วยค่าปริมาณรังสีที่ระดับความลึกร้อยละ 90, 50 และ practical range (R90, R50 และ Rp) จาก percentage depth dose เปรียบเทียบค่าปริมาณรังสีระหว่างค่าจากการจําลองมอนติคาร์โลและการวัดปริมาณรังสีในนํ้าด้วยหัววัดรังสี โดยทําการวิเคราะห์จากค่าความแตกต่างระหว่างค่าระดับความลึกร้อยละ 90, 50 และ practical range สําหรับค่า relative beam profile ใช้การวิเคราะห์ค่าปริมาณรังสีภายในพื้นที่ร้อยละ 80 ของลํารังสีทั้งหมด โดยประเมินด้วยค่าเฉลี่ยเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างที่ระดับความลึกร้อยละ 90 และ 50 ตามลําดับ
ผลการศึกษา
จากการคํานวณปริมาณรังสีของลําอิเล็กตรอนพลังงาน 9 MeV ในนํ้าด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โล เมื่อใช้พลังงานเฉลี่ยตั้งต้นของอิเล็กตรอนจากช่วงพลังงาน 9.4 ถึง 11 MeV เมื่อกําหนดค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นเท่ากับ 0.1 มิลลิเมตร และใช้พื้นที่ลํารังสีขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตรที่ระยะ SSD เท่ากับ 100 เซนติเมตร ผลการเปรียบเทียบค่า percentage depth dose ระหว่างการวัดค่าปริมาณรังสีด้วยหัววัดรังสีและจําลองมอนติคาร์โล เมื่อเปรียบเทียบค่าที่ได้จากการจําลองมอนติคาร์โลด้วยค่าพลังงานเฉลี่ยตั้งต้น 9.4-11 MeV ซึ่งมีค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นเท่ากับ 0.1 เซนติเมตร กับค่าจากการวัดด้วยหัววัดรังสีไอออไนเซชันจากเครื่องเร่งอนุภาค พบว่าการจําลองมอนติคาร์โลของอิเล็กตรอนพลังงานเฉลี่ยตั้งต้น 10.8 MeV มีความใกล้เคียงกับค่าที่ได้จากการวัดจริงมากที่สุด โดยมีค่าความแตกต่างของ R90, R50 และ Rp เท่ากับ 0.047, 0.004 และ 0.004 เซนติเมตร ตามลําดับ เมื่อทําการประเมินค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นระหว่าง 0.05-0.15 เซนติเมตร ด้วยพลังงานเฉลี่ยตั้งต้น 10.8 MeV ได้ผลการเปรียบเทียบระหว่างการจําลองมอนติคาร์โลและการวัดด้วยหัววัดรังสี พบว่าค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนเท่ากับ 0.05 เซนติเมตร มีค่าใกล้เคียงกับค่าที่วัดจริงมากที่สุด โดยมีค่าเฉลี่ยเปอร์เซ็นต์ความแตกต่างระหว่างค่าปริมาณรังสีที่ระดับความลึกร้อยละ 90 และ 50 เท่ากับ 0.715 และ 1.342 ตามลําดับ
อภิปรายผลการศึกษา
การศึกษาวิจัยในครั้งนี้ได้ทําการหาค่าพลังงานเฉลี่ยตั้งต้นและค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นที่เหมาะสมสําหรับคํานวณค่าปริมาณรังสีในตัวกลางนํ้าจากเครื่องเร่งอนุภาคพลังงาน 9 MeV ด้วยโปรแกรมมอนติคาร์โล EGSnrc ซึ่งได้ทําการสร้างส่วนหัวของเครื่องเร่งอนุภาคให้มีส่วนประกอบต่างๆ ที่เหมือนกับเครื่องเร่งอนุภาคจริงเพื่อความถูกต้องของการจําลองอันตรกิริยาของอิเล็กตรอนในตัวกลาง ปัจจัยที่ส่งผลต่อความถูกต้องของการจําลองมอนติคาร์โลประกอบด้วยการกําหนดจํานวนอนุภาคเริ่มต้นในการจําลองซึ่งจะต้องมีจํานวนที่มากพอเพื่อให้ค่าทางสถิติมีความสอดคล้องกับการวัดจริง การศึกษาวิจัยครั้งนี้กําหนดค่าจํานวนอนุภาคที่ใช้ในการจําลอง 5x10^8 อนุภาค ทําให้ค่าการคํานวณมีความถูกต้องค่อนข้างสูง โดยเมื่อทําการเปรียบเทียบค่าปริมาณรังสีด้วยค่า percentage depth dose และ relative beam profile ระหว่างการจําลองมอนติคาร์โลและการวัดจริง พบว่าค่าพลังงานเฉลี่ยเริ่มต้นเท่ากับ 10.8 MeV และค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้น 0.05 เซนติเมตร พื้นที่ลํารังสีขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตร มีค่าใกล้เคียงกับการวัดด้วยหัววัดรังสีมากที่สุด สอดคล้องกับผลการวิจัยที่ทําการจําลองมอนติคาร์โลลําอิเล็กตรอนจากเครื่องเร่งอนุภาครุ่น TureBeam พบว่ามีความแตกต่างระหว่างการวัดจริงกับการจําลองอยู่ภายในร้อยละ 2 ในพื้นที่ลํารังสีขนาด 3x3 ถึง 25x25 ตารางเซนติเมตร การศึกษาวิจัยในครั้งนี้แสดงให้เห็นว่าการจําลองมอนติคาร์โลของพื้นที่ลํารังสีมาตรฐานมีค่าใกล้เคียงกับค่าปริมาณรังสีที่ได้จากการวัดจริงด้วยหัววัดรังสีซึ่งใช้เป็นค่าอ้างอิงในการคํานวณปริมาณรังสี ดังนั้นการคํานวณค่าปริมาณรังสีด้วยวิธีการจําลองมอนติคาร์โลสามารถนําไปใช้เพื่อตรวจสอบความถูกต้องของค่าปริมาณรังสีได้
สรุปผลการศึกษาและข้อเสนอแนะ
การศึกษาวิจัยในครั้งนี้ได้ทําการจําลองมอนติคาร์โลเปรียบเทียบกับการวัดปริมาณรังสีด้วยหัววัดรังสีในหุ่นจําลองนํ้าด้วยค่า percentage depth dose และ relative beam profile โดยทําการหาค่าพลังงานเฉลี่ยและค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้นที่เหมาะสมในตัวกลางนํ้าของเครื่องเร่งอนุภาคพลังงาน 9 MeV ด้วยโปรแกรมมอนติคาร์โล EGSnrc พบว่าค่าพลังงานเฉลี่ยเริ่มต้น 10.8 MeV และค่าความกว้างของลําอิเล็กตรอนตั้งต้น 0.05 เซนติเมตร ของพื้นที่ลํารังสีขนาด 15x15 ตารางเซนติเมตร ที่ระยะจากจุดกําเนิดรังสีถึงผิวนํ้า 100 เซนติเมตร มีค่าใกล้เคียงกับการวัดด้วยหัววัดรังสีมากที่สุด ซึ่งมีค่าร้อยละความแตกต่างของค่า percentage depth dose ที่ความลึก R90, R50 และ Rp และค่าเฉลี่ยร้อยละความแตกต่างของ relative beam profile ระหว่างการวัดและการคํานวณที่ความลึก R90 และ R50 ไม่เกิน 2 ดังนั้นการจําลองมอนติคาร์โลสามารถนําไปใช้ในการคํานวณปริมาณรังสีเพื่อตรวจสอบความถูกต้องของการคํานวณปริมาณรังสีได้ อย่างไรก็ตามควรศึกษาผลการจําลองมอนติคาร์โลที่พื้นที่ลํารังสีขนาดอื่นๆ ที่ใช้งานจริงเพื่อประเมินความถูกต้องของการจําลองมอนติคาร์โลสําหรับคํานวณค่าปริมาณรังสีให้กับผู้ป่วยได้อย่างถูกต้องต่อไป
บทความวิจัยโดยคณิต พงษ์พิริยะเดชะ และนันทวัฒน์ อู่ดี (สาขาวิชาฟิสิกส์การแพทย์ ภาควิชารังสีเทคนิค คณะสหเวชศาสตร์ มหาวิทยาลัยนเรศวร) จีระภา ตันนานนท์ กิตติพล เดชะวรกุล และจีรศักดิ์ คําฟองเครือ (งานรังสีรักษา โรงพยาบาลจุฬาภรณ์) ตีพิมพ์ในวารสารมหาวิทยาลัยนเรศวร: วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี ปีที่ 24 ฉบับที่ 2 พฤษภาคม-สิงหาคม 2559 หน้า 52-60 อ่านบทความฉบับเต็ม Click
Beautiful Quietness: เงียบแต่ไม่เหงา! ดินแดนแห่งการอ่านและพื้นที่ทางความคิด โลกของนักอ่านและพรมแดนแห่งความรู้ การอ่านสะท้อนความคิด ความคิดสะท้อนตัวตน ตัวตนสะท้อนจิตวิญญาณ pruetsara.wixsite.com