Exposure computational models with voxel phantoms coupled to EGSnrc Monte Carlo code

José Wilson Vieira; Viriato Leal Neto; Pedro Henrique Avelino de Andrade; Alex Cristóvão Holanda de Oliveira; Vanildo Júnior de Melo Lima; Isabelle Viviane Batista de Lacerda; Luís Rodrigo Dandrada; Arykerne Nascimento Casado da Silva; William de Souza Santos; Ivan Eufrázio de Santana; Whoody Alem Wanderley Araripe Farias; Larissa Cristina Silva dos Santos; Fernanda Gonçalves Oliveira; Fernando Roberto de Andrade Lima

doi:10.15392/2319-0612.2023.2157

Authors

José Wilson Vieira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Viriato Leal Neto Instituto Federal Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Pedro Henrique Avelino de Andrade Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Alex Cristóvão Holanda de Oliveira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Vanildo Júnior de Melo Lima Departamento de Anatomia, Universidade Federal de Pernambuco
Isabelle Viviane Batista de Lacerda Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste
Luís Rodrigo Dandrada Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Arykerne Nascimento Casado da Silva Departamento de Física, Universidade Federal de Pernambuco
William de Souza Santos Instituto de Física, Universidade Federal de Uberlândia
Ivan Eufrázio de Santana Departamento de Energia Nuclear, Universidade Federal de Pernambuco
Whoody Alem Wanderley Araripe Farias Departamento de Energia Nuclear, Universidade Federal de Pernambuco
Larissa Cristina Silva dos Santos Departamento de Energia Nuclear, Universidade Federal de Pernambuco
Fernanda Gonçalves Oliveira Instituto Federal de Educação, Ciência e Tecnologia de Pernambuco
Fernando Roberto de Andrade Lima Centro Regional de Ciências Nucleares do Nordeste

DOI:

https://doi.org/10.15392/2319-0612.2023.2157

Keywords:

Exposure Computational Models, Voxel phantoms, Monte Carlo, EGSnrc

Abstract

In computational dosimetry of ionizing radiation, the energy deposited in radiosensitive organs and tissues is evaluated when an anthropomorphic simulator (phantom) is irradiated using Exposure Computational Models (ECMs). An ECM is a virtual scene with a phantom positioned mathematically relative to a radioactive source. The initial state includes information like the type of primary particle, its energy, starting point coordinates, and direction. Subsequently, robust Monte Carlo (MC) codes are used to simulate the particle's mean free path, interaction with the medium's atoms, and energy deposition. These are common steps for simulations involving photons and/or primary electrons. The GDN (Research Group on Numerical Dosimetry and the Research Group on Computational Dosimetry and Embedded Systems) has published ECMs with voxel phantoms irradiated by photons using the MC code EGSnrc. This work has led to specific computational tools development for various numerical dosimetry stages, including input file preparation, ECM execution, and result analysis. Since 2004, the GDN developed in-house applications like FANTOMAS, CALDose_X, DIP, and MonteCarlo. Certain previously used phantoms are reintroduced to provide historical context in the ECMs' production timeline, emphasizing additive modifications inherent in systematic theme studies. The dosimetric evaluations used the binary version of the MASH (Male Adult mesh) phantom, converted to the SID (Dosimetric Information System) text file type. This format has been used by the group since 2021 to couple a voxel phantom to the EGSnrc user code. The ECM included an environmental dosimetry problem simulation. Most of these tools are accessible on the GDN page (http://dosimetrianumerica.org).

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References

KRAMER, R., VIEIRA, J. W., KHOURY, H. J., LIMA, F. R. A., FUELLE, D., All About MAX: A Male Adult Voxel Phantom for Monte Carlo Calculations in the Area of Radiation Protection Dosimetry, Phys. Med. Biol., 48, 1239-1262, 2003. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/48/10/301

KRAMER, R., KHOURY, H. J., VIEIRA, J. W., LOUREIRO, E. C. M., LIMA, V. J. M., LIMA, F. R. A., HOFF, G., All About FAX: A Female Adult Voxel Phantom for Monte Carlo Calculation in Radiation Protection Dosimetry, Phys. Med. Biol., 49, 5203-5216, 2004. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/49/23/001

VIEIRA, J. W., Construção de um Modelo Computacional de Exposição para Cálculos Dosimétricos Utilizando o Código Monte Carlo EGS4 e Fantomas de Voxels, Tese de Doutorado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2004.

KAWRAKOW, I., MAINEGRA-HING, E., ROGERS, D. W. O., TESSIER, F., WALTERS, B. R. B., The EGSnrc Code System: Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, NRCC Report PIRS-701, National Research Council of Canada, Ottawa, 2021.

VIEIRA, J. W., MonteCarlo – Um Software para Uso em Avaliações Dosimétricas das Radiações Ionizantes, Tese para Progressão à Classe Titular do IFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2017.

CABRAL, M. O. M., Desenvolvimento de um Modelo Computacional de Exposição para Uso em Avaliações Dosimétricas em Gestantes, Dissertação de Mestrado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2015.

SANTOS, P. N. C., Simulação de um Tratamento Radioterápico Crânio-Espinhal em um Fantoma de Voxel Infantil Utilizando Espaços de Fase Representativos de um Acelerador Linear, Dissertação de Mestrado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2016.

ANDRADE, P. H. A., Construção e Voxelização de um Fantoma MESH Masculino Adulto com Macro Circulação e Vasos Linfáticos, Tese de Doutorado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2018.

OLIVEIRA, E. S., Estimativa da Dose Efetiva em Fantomas de Voxel para Indivíduos de 15 Anos, Dissertação de Mestrado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2021.

VIEIRA, J. W., LIMA, F. R. A., A Software to Digital Image Processing to Be Used in the Voxel Phantom Development, Cellular and Molecular Biology, 55, 16-22, 2009.

ANDRADE, P. H. A., VIEIRA, J. W., OLIVEIRA, V. R. S., VELOSO, R. J. B., LIMA, F. R. A., Um Método para Voxelização de Geometrias 3D de Malhas, Brazilian Journal of Radiation Sciences, 08-01A, 01-10, 2020. DOI: https://doi.org/10.15392/bjrs.v8i1A.1000

ZUBAL I. G., The Yale Voxel Phantoms, http://noodle.med.yale.edu/zubal/, acessada em julho, 2022.

VIEIRA, J. W., STOSIC, B., LIMA, F. R. A., KRAMER, R., SANTOS, A. M., LIMA, V. J. M., Um Software para Editar Fantomas de Voxels e Calcular Coeficientes de Conversão para a Proteção Radiológica, In: RADIO 2005, ABENDE, Rio de Janeiro, 2005.

PETZOLD, C., Programming Windows, USA: Microsoft Press, 1999.

NELSON, W. R., HIRAYAMA, H., ROGERS, D. W. O., The EGS4 Code System. Report SLAC-265, Stanford Linear Accelerator Center, Stanford University, Stanford, 1985.

ICRP 89, Basic Anatomical and Physiological Data for Use in Radiological Protection Reference Values, International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 89, Pergamon Press, Oxford, 2003.

KRAMER, R., KHOURY, H. J., VIEIRA, J. W., CALDose X – A Software Tool for the Assessment of Organ and Tissue Absorbed Doses, Effective Dose and Cancer Risks in Diagnostic Radiology. Phys. Med. Biol., 53, 6437-6659, 2008. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/53/22/011

KRAMER, R., KHOURY, H. J., VIEIRA, J. W., LIMA, V. J. M., LOUREIRO, E. C. M., HOFF, G., KAWRAKOW, I., The FAX06 and the MAX06 Computational Voxel Phantoms, In Xu, X. G., Eckerman, K. F. (ed.), Handbook of Anatomical Models for Radiation Dosimetry, Series in Medical Physics and Biomedical Engineering, CRC Press, 2010A. DOI: https://doi.org/10.1201/EBK1420059793-c7

CASSOLA, V. F., LIMA, V. J. M., KRAMER, R., KHOURY, H. J., FASH and MASH: Female and Male Adult Human Phantoms Based on Polygon Mesh Surfaces: I. Development of the Anatomy, Phys. Med. Biol., 55, 133-162, 2010. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/55/1/009

KRAMER, R., CASSOLA, V. F., KHOURY, H. J., VIEIRA, J. W., LIMA, V. J. M., BROWN, K. R., FASH and MASH: Female and Male Adult Human Phantoms Based on Polygon Mesh Surfaces: II. Dosimetric Calculations, Phys. Med. Biol., 55, 163-189, 2010B. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/55/1/010

CASSOLA, V. F., Desenvolvimento de Fantomas Humanos Computacionais Usando Malhas Poligonais em Função da Postura, Massa e Altura, Tese de Doutorado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2011.

VIEIRA, J. W., Implementação de Análise Gráfica e Numérica de Resultados Dosimétricos no Software CALDose_X, In: X Congreso Regional Latinoamericano IRPA de Protección y Seguridad Radiológica, Sociedad Argentina de Radioprotección, Buenos Aires, 2015.

KRAMER, R., CASSOLA, V. F., VIEIRA, J. W., KHOURY, H. J., LIRA, C. A. B. O., BROWN, K. R., Skeletal Dosimetry Based on μCT Images of Trabecular Bone: Update and Comparisons, Phys. Med. Biol., 57, 3995-4021, 2012. DOI: https://doi.org/10.1088/0031-9155/57/12/3995

LIMA, V. J. M., Desenvolvimento de Fantomas MESH Infantis, Morfologicamente Consistentes com a Anatomia Humana, para Uso em Dosimetria, Tese de Doutorado em Tecnologias Energéticas e Nucleares, DEN-UFPE, Recife, Pernambuco, Brasil, 2011.

ICRP 145, Adult Mesh-Type Reference Computational Phantoms, ICRP Publication 145, Ann. ICRP 49 (3), 2020. DOI: https://doi.org/10.1177/0146645319893605

ICRP 103, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection, ICRP Publication 103, Ann. ICRP 37 (2-4), 2007.

SANTORO, A., MAHON, J. R., OLIVEIRA, J. U. C. L., MUNDIM FILHO, L. M., OGURI, V., SILVA, W. L. P., Estimativas e Erros em Experimentos de Física, Rio de Janeiro, ed. UFRJ, 2013.