Advanced

Dosimetrical studies on a tissue level using the MCNP4c2 Monte Carlo Simulations

Larsson, Erik (2004)
Medical Physics Programme
Abstract
The purpose of this thesis has been to learn the MCNP-code, its theory and limitations, and how to use it in the field of small-scale dosimetry. In order to evaluate the applicability of the code for future dosimetry studies it was applied on a novel small-intestinal dosimetry model. For some radiopharmaceuticals a significant amount of activity is excreted through the gastrointestinal tract. It has also been shown that the activity may concentrate in the intestinal wall. The absorbed dose to the wall might therefore be significant and need to be considered in risk estimations relating to the radiopharmaceuticals. Since, the small intestinal wall is impossible to distinguish from the intestinal contents with modern nuclear medicine... (More)
The purpose of this thesis has been to learn the MCNP-code, its theory and limitations, and how to use it in the field of small-scale dosimetry. In order to evaluate the applicability of the code for future dosimetry studies it was applied on a novel small-intestinal dosimetry model. For some radiopharmaceuticals a significant amount of activity is excreted through the gastrointestinal tract. It has also been shown that the activity may concentrate in the intestinal wall. The absorbed dose to the wall might therefore be significant and need to be considered in risk estimations relating to the radiopharmaceuticals. Since, the small intestinal wall is impossible to distinguish from the intestinal contents with modern nuclear medicine imaging; the general dosimetric models assume that all activity is located in the contents. This work is based on a model previously published to simulate S values to the radiosensitive crypt cells and villi in the small intestinal wall using Monte Carlo technique. The activity is assumed to be located in both intestinal contents and wall. The MC-program used in this work was the MCNP4c2- and MCNPX-code. The model calculates the contribution of nearby intestinal loops by assuming that the small intestine is a cylinder and that the intestinal loops build a hexagonal pattern. The work includes simulations with monoenergetic photons and electrons and the radionuclides 99mTc, 111In, 131I, 67Ga, 90Y and 211At. The results verify that for radionuclides used in nuclear medicine the cross-dose from nearby loops are essential. It is also confirmed that the fraction of cumulated activity in the intestinal wall to the contents is of great importance in order to estimate the absorbed dose. It was stated that the MIRD-, MIRDOSE3- and ICRP-model tends to overestimate the absorbed dose to the intestinal wall. (Less)
Abstract (Swedish)
För att uppskatta risker av joniserande strålning används begreppet absorberad dos, som är den absorberade energin per massenhet i ett organ. För radioaktiva läkemedel är absorberad dos inte direkt översättbart till risk, bland annat pga heterogena fördelningar av aktivitet på både vävnads- och cellnivå. Denna heterogenitet kan inte mätas med dagens scintillationskamera, då denna har en upplösning på ungefär 1 cm, eller ca 1000 cellradier. Den aktivitet man mäter är därmed ett medelvärde över ca 109 celler, varför man inte avgöra om aktiviteten är homogent eller heterogent fördelad i vävnaden.

För en del radioaktiva läkemedel kan en stor del av aktiviteten elimineras via tarmsystemet. Detta kan leda till att tarmväggen utsätts för en... (More)
För att uppskatta risker av joniserande strålning används begreppet absorberad dos, som är den absorberade energin per massenhet i ett organ. För radioaktiva läkemedel är absorberad dos inte direkt översättbart till risk, bland annat pga heterogena fördelningar av aktivitet på både vävnads- och cellnivå. Denna heterogenitet kan inte mätas med dagens scintillationskamera, då denna har en upplösning på ungefär 1 cm, eller ca 1000 cellradier. Den aktivitet man mäter är därmed ett medelvärde över ca 109 celler, varför man inte avgöra om aktiviteten är homogent eller heterogent fördelad i vävnaden.

För en del radioaktiva läkemedel kan en stor del av aktiviteten elimineras via tarmsystemet. Detta kan leda till att tarmväggen utsätts för en hög absorberad dos. Problemet med tunntarmen är att tarmväggen är ca 3-6 mm tjock, och därför inte kan särskiljas från tarminnehållet mha scintillationskameran. Nuvarande använda modeller för beräkning av absorberad dos till tarmväggen bygger på att all aktivitet befinner sig i tarminnehållet. Detta gäller inte för alla radioaktiva läkemedel och andelen aktivitet i tarmvägg jämfört med aktivitet i tarminnehåll kan erhållas från djurförsök där aktiviteten i utdissekerad tarm resp. tarminnehåll mäts.

I denna studie har en ny tidigare publicerad tarmmodell (1) använts för att bestämma absorberad dos till de strålningskänsliga kryptcellerna i tarmväggen. Modellen tar hänsyn till aktivitetsupptaget i tunntarmsväggen och aktiviteten i tarminnehållet. Dessutom beräknas även det absorberade dosbidraget från intilliggande tarmslingor. Då detta är svårt att beräkna analytiskt, pga en svår geometri och många energier har arbetet gjorts med s.k Monte-Carlo simuleringar som genom slumptal och sannolikheter för hur partikeln växelverkar med vävnaden simulerar en partikels väg, samt dess energideponering, i vävnaden. Genom att simulera tillräckligt många partiklar ger detta en bild av verkligheten. Syftet med examensarbetet var att lära mig Monte Carlo-programmet MCNP4c2, dess teori, och begränsningar inom användningsområdet ”small-scale dosimetry”. Detta har gjorts med hjälp av att reproducera och verifiera data från arbetet beskrivet ovan, i vilket ett annat Monte Carlo-program använts, nämligen EGS4.

I detta arbetet simulerades först fotoner och elektroner med olika startenergier för att finna samband vid simuleringen av sex intressanta radionuklider som sönderfaller med ett helt spektra av energier. Resultatet av arbetet var att de båda Monte Carlo programmen ger ungefär samma resultat, dvs att de nuvarande använda modellerna, ICRP, MIRD och Mirdose för de studerade radionukliderna ganska kraftigt överskattar dosen till de känsliga kryptcellerna. De skillnader mellan arbetena som upptäcktes kunde förklaras av olika geometriska uppsättningar. Med detta i ryggen kan jag nu kan tillämpa Monte Carlo programmet använt i denna studie på nya modeller av andra organ och vävnadsgeometrier. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
Larsson, Erik
supervisor
organization
year
type
H2 - Master's Degree (Two Years)
subject
keywords
Nukleärmedicin
language
English
id
2156947
date added to LUP
2011-09-13 12:00:17
date last changed
2013-09-05 10:21:24
@misc{2156947,
  abstract     = {The purpose of this thesis has been to learn the MCNP-code, its theory and limitations, and how to use it in the field of small-scale dosimetry. In order to evaluate the applicability of the code for future dosimetry studies it was applied on a novel small-intestinal dosimetry model. For some radiopharmaceuticals a significant amount of activity is excreted through the gastrointestinal tract. It has also been shown that the activity may concentrate in the intestinal wall. The absorbed dose to the wall might therefore be significant and need to be considered in risk estimations relating to the radiopharmaceuticals. Since, the small intestinal wall is impossible to distinguish from the intestinal contents with modern nuclear medicine imaging; the general dosimetric models assume that all activity is located in the contents. This work is based on a model previously published to simulate S values to the radiosensitive crypt cells and villi in the small intestinal wall using Monte Carlo technique. The activity is assumed to be located in both intestinal contents and wall. The MC-program used in this work was the MCNP4c2- and MCNPX-code. The model calculates the contribution of nearby intestinal loops by assuming that the small intestine is a cylinder and that the intestinal loops build a hexagonal pattern. The work includes simulations with monoenergetic photons and electrons and the radionuclides 99mTc, 111In, 131I, 67Ga, 90Y and 211At. The results verify that for radionuclides used in nuclear medicine the cross-dose from nearby loops are essential. It is also confirmed that the fraction of cumulated activity in the intestinal wall to the contents is of great importance in order to estimate the absorbed dose. It was stated that the MIRD-, MIRDOSE3- and ICRP-model tends to overestimate the absorbed dose to the intestinal wall.},
  author       = {Larsson, Erik},
  keyword      = {Nukleärmedicin},
  language     = {eng},
  note         = {Student Paper},
  title        = {Dosimetrical studies on a tissue level using the MCNP4c2 Monte Carlo Simulations},
  year         = {2004},
}