Monte Carloszef/Ochr Rad II/7_metody... · 2016. 1. 8. · •PROBABILISTYKA . 9 Monte Carlo...
Transcript of Monte Carloszef/Ochr Rad II/7_metody... · 2016. 1. 8. · •PROBABILISTYKA . 9 Monte Carlo...
-
1
Monte Carlo
-
2
Monte Carlo
-
3
Monte Carlo
• Modelowanie matematyczne procesów zbyt złożonych, aby można było przewidzieć ich wyniki za pomocą podejścia analitycznego.
• Stochastyczna znajomość funkcji gęstości prawdopodobieństwa.
-
Zastosowania MC
• Obliczanie całek
• Procesy statystyczne:
– badania hydrogeologiczne
– zjawiska termomechaniczne w krzepnących odlewach
– przepływy
– …
– dozymetria promieniowania jonizującego
4
-
Metody numeryczne w dozymetrii
OCHRONA RADIOLOGICZNA 2
Jakub Ośko
-
6
Monte Carlo
Nazwa Monte Carlo pojawiła się w latach
40-tych XX w. podczas prac nad modelowaniem zjawisk fizycznych,
prowadzonych w Los Alamos, w ramach projektu budowy broni jądrowej.
-
7
Monte Carlo
John von Neumann Stanisław Ulam
-
8
Monte Carlo
• Metody Monte Carlo bazują na
symylacjach statystycznych.
• PROBABILISTYKA
-
9
Monte Carlo
• Liczby losowe są wykorzystywane do
wyznaczenia zasięgu i losu cząstki przez
porównanie prawdopodobieństwa
oddziaływań w każdym obszarze
modelowanej geometrii
• Niepewność statystyczna może być niższa
niż 1 %, a więc znacznie niższa niż w
pomiarach eksperymentalnych.
-
10
Monte Carlo
ZALETY
• Prosty sposób rozwiązania trudnych
problemów
• Brak potrzeby korzystania z teorii i wzorów
• Mała niepewność statystyczna
• Niskie koszty
-
11
Monte Carlo
WADY
• Model, a nie rzeczywistość
• Skończona liczba prób
• Zależność wyników od jakości generatora
liczb losowych
-
12
Monte Carlo i promieniowanie jonizujące
-
13
Cel
• Uzyskanie rozwiązania równania
Boltzman’a w prostszy spsób
• R-nie Boltzmana można rozwiązać za
pomocą:
– metoda różnic skończonych
– metoda elementów skończonych
– Metoda rzędnych dyskretnych
– Monte Carlo
-
14
Zastosowanie
• Transport promieniowania
• Obliczanie rozkładów dawek, …
• Obliczanie dawek od narażenia zewnętrznego
• Modele anatomiczne i obliczanie dawek od
narażenia wewnętrznego
-
15
Zastosowanie
• Ochrona radiologiczna
• Obrazowanie
• Radioterapia
-
16
Monte Carlo
• Tylko Monte Carlo umożliwia
uwzględnienie wszystkich oddziaływań
cząstek w niejednorodnym ośrodku jakim
jest ciało człowieka
-
17
Kody Monte Carlo
-
18
Kody Monte Carlo
MCNP/MCNPX
• Transport neutronów, fotonów, elektronów
• MCNPX to rozszerzenie MCNP
• Los Alamos National Laboratory, USA
-
19
Kody Monte Carlo
EGS
• Transport fotonów i elektronów
• Od keV do TeV
• Dozymetria medyczna
• EGS4, EGSnrc
• National Research Council, Kanada
-
20
Kody Monte Carlo
GEANT4
• Elektromagnetyczne, hadronic i optyczne
procesy, cząstki długożyciowe
• Od 250 eV do TeV
• Wysokoenergetyczne akceleratory
-
21
Kody Monte Carlo
PENELOPE
• Transport foton-elektron
• od eV do 1 GeV
-
22
Kody Monte Carlo
FLUKA
• Transport fotonów i elektronów 1keV – e3
TeV
• Neutrina, miony – dowolne energie
• Hadrony – do 20 TeV
• Antycząstki, neutrony, ciężkie jony
-
23
Dane wejściowe
• Opis źródła promieniowania
• Geometria
• Materiały
• Detekcja i obliczenia
• Parametry symulacji
-
24
Opis źródła promieniowania
• Rodzaj promieniowania
• Energia
• Współrzędne położenia źródła
• Kierunek emisji
• Kształt wiązki
• Kąt bryłowy
-
25
Geometria
• Elementy symulowanego układu zdefiniowane za pomocą brył geometrycznych i płaszczyzn
-
26
Geometria
• WALEC
1
-
27
Geometria
• WALEC
1
2
-
28
Geometria
• WALEC
1
2
3
-
29
Geometria
• WALEC
1
2
3
WALEC: +1 +2 -3
-
30
Geometria
• WALEC
1
2
3
WALEC: +1 +2 -3
-
31
Materiały
• Każdy zdefiniowany obiekt jest zbudowany z określonego materiału:
– skład chemiczny
– liczba atomowa i masa atomowa każdego pierwiastka
– gęstość
– oddziaływanie promieniowania z materiałem
-
32
Materiały
• Istnieją biblioteki materiałów – użytkownik jedynie wybiera potrzebny mu materiał
• Użytkownik może zdefiniować potrzebny mu materiał
-
33
Detekcja i obliczenia
• Określenie wyniku symulacji:
– widmo promieniowania
– dawka
– strumień
– energia zdeponowana w ośrodku
– …
-
34
Parametry symulacji
• Czas trwania lub liczba zdarzeń
• Sposób generowania liczb losowych
• Ustawienie ziarna losowania (punktu startowego)
-
35
Dane wyjściowe
• Wyniki zadanych obliczeń
-
36
Przykłady zastosowań
-
37
Przykłady zastosowań
Widmo energetyczne jodu 131I zgromadzonego w tarczycy
PENELOPE
-
38
Przykłady zastosowań
Rozkład napięć w detektorze półprzewodnikowym
PENELOPE
-
39
Przykłady zastosowań
Geometria Marinelli
-
40
Fantomy
-
41
Zastosowanie fantomów
• Narażenie zewnętrzne w energetyce jądrowej
• Skażenia wewnętrzne
• Medycyna nuklearna
• Tomografia komputerowa
• Radioterapia
• Narażenie od środowiska
• Promieniowanie niejonizujące
-
42
Rodzaje fantomów
• przybliżone 1960-2000
• Voxel phantoms (od lat 80-tych)
• BREP (od 2000)
• fizyczne
-
43
Oak Ridge National Laboratory
• Pierwszy fantom antropomorficzny (1960)
• Elipsoidalne cylindry i stożki
• Fisher i Snyder
-
44
Fantom ORNL
-
45
MIRD-5
• Pierwszy fantom niejednorodny (1969)
• Fisher i Snyder
• Szkielet
• Płuca
• Pozostała tkanka miękka
-
46
Cristy-Eckerman
-
47
ADAM i EVA
• Na podstawie MIRD-5
-
48
Voxel phantoms
-
49
Voxel phantoms
• voxel – prosta reprezentacja pixela w 3D
• Fantomy powstały na podstawie
dwuwymiarowych obrazów RTG, CT i MRI
ciała człowieka
• Trzeci wymiar to grubość warstwy
-
50
Voxel phantoms
-
51
Voxel phantoms
• Zapewniają odwzorowanie budowy anatomicznej
• Mają określone: – wiek
– płeć
– narodowość, rasę (kaukaskie, japońskie, chińskie, koreańskie)
-
52
Konstrukcja voxel phantom
1. Wykonanie serii obrazów (CT, MRI)
2. Identyfikacja narządów i tkanek
3. Określenie gęstości i składu
chemicznego narządów i tkanek
4. Rekonstrukcja fantomu 3D z obrazów 2D
-
53
Fantomy GSF Fantom Opis Wiek
BABY 57 cm 4,2 kg 8 tygodni
CHILD 115 cm 21,7 kg 7 lat
DONNA 176 cm 79 kg 40 lat
FRANK głowa i korpus 48 lat
HELGA od połowy uda w górę 26 lat
IRENE 163 cm 51 kg 32 lata
GOLEM wg ICRP 23 38 lat
VISIBLE HUMAN od głowy do kolan 39 lat
LAURA 167 cm 59 kg 43 lata
KLARA kobieta w 24 tyg. Ciąży
na bazie Reginy
43 lata
REGINA Laura wg ICRP 89 43 lata
REX Golem wg ICRP 89 38 lat
-
54
Fantomy GSF
IRENE, BABY, CHILD
-
55
Japanese voxel phantom
-
56
Fantomy dziecięce
-
57
Noworodek
-
58
VIsual Photographic MAN
-
59
BREP phantoms
-
60
BREP
Boundary REPresentation
Zapewniają możliwość symulacji ruchu, np.
serca, powietrza w płucach.
-
61
• 23
-
62
BREP
http://en.wikipedia.org/wiki/File:BREP_Phantom_-_Torso.gif
-
63
4D NCAT
-
64
-
65
4D MOBY
-
66
Fantomy fizyczne
-
67
Fantomy fizyczne
• Służą do potwierdzenia wyników obliczeń
NARAŻENIE ZEWNĘTRZNE
Możliwość umieszczenia dozymetrów w
fantomie (RANDO, ATOM)
-
68
Fantomy fizyczne
RANDO
-
69
Fantomy fizyczne
NARAŻENIE WEWNĘTRZNE
Możliwość umieszczenia radionuklidów w
narządach lub obszarach ciała (BOMAB)
ZAPEWNIENIE JAKOŚCI OBRAZOWANIA
-
70
Oprogramowanie wykorzystujące Monte Carlo
-
71
LabSOCS, ISOCS
• Kalibracja liczników spektrometrycznych w dowolnej geometrii
• MCNP
-
72
Dziękuję za uwagę