Development of voxelised numerical phantoms using MCNP Monte Carlo code: Application to in vivo measurement

¹ Institut de protection et de sûreté nucléaire, DPHD, BP 6, 92265 Fontenay-aux-Roses Cedex, France.
² Institut de protection et de sûreté nucléaire, DPEA, BP 6, 92265 Fontenay-aux-Roses Cedex, France.

Revised: 9 July 2000
Accepted: 9 October 2000

Abstract

Although great efforts had been made to improve the physical phantoms used for calibrating in vivo measurement systems, for technical reasons they can only provide a rough representation of human tissue. Substantial corrections must therefore be made to calibration factors obtained with such calibration phantoms for extrapolation to a given individual. These corrections are particularly crucial and delicate in low-energy in vivo measurement when absorption in tissue is significant. To improve calibration for such special conditions, the possibility has been raised of using voxelised numerical phantoms associated with Monte Carlo computing techniques. In the method described below, a mathematical phantom, consisting of a voxelised representation derived from scanner images is used, with a specially-designed interface making it possible to not only reconstruct widely-differing contamination configurations and specify associated tissue compositions, but also automatically create an MCNP4b input file. After validation of the different sources and geometries, the complete procedure of reconstruction of the phantom and simulation of ²⁴¹Am lung measurement was carried out using a tissue equivalent calibration phantom of the type commonly used for lung calibration for actinides. The purpose of this work was to extend the use of this principle to the reconstruction of numerical phantoms on the basis of physiological data of individuals obtained from magnetic resonance and scanner images. The results obtained and the current limitations of this approach in the context are discussed.

Résumé

Développement de fantômes numériques voxélisés associé au code Monte Carlo MCNP : application à la mesure anthroporadiamétrique. Bien que d'importants efforts aient été réalisés pour améliorer la fabrication des fantômes physiques servant à l'étalonnage des installations anthroporadiamétriques, ils ne peuvent fournir, pour des raisons techniques, qu'une représentation plus ou moins grossière des tissus humains. Par conséquent, des corrections significatives doivent être faites sur les facteurs d'étalonnage obtenus par ces fantômes d'étalonnage en vue d'une extrapolation à un individu donné. Ces corrections sont particulièrement cruciales et très délicates pour la mesure in vivo basse énergie tant les absorptions dans les tissus sont significatives. Pour améliorer l'étalonnage dans ces conditions particulières, l'utilisation de fantômes numériques voxélisés associant les techniques de calcul Monte Carlo a déjà été évoquée. La méthode présentée ici utilise un fantôme mathématique, produit sous la forme de voxels reconstruit à partir d'images scanners, à l'aide d'une interface spécialement développée permettant d'une part, la reconstruction de configurations très variées de contaminations et de définir les compositions tissulaires associées et d'autre part, la création automatique du fichier d'entrée de MCNP4b. Après validation sur différentes sources et différentes géométries, la procédure complète, reconstruction du fantôme et simulation de la mesure pulmonaire de ²⁴¹Am, a été réalisée à partir d'un fantôme d'étalonnage équivalent tissus généralement utilisé pour l'étalonnage pulmonaire des actinides. Le but du travail présenté ici sera d'étendre l'utilisation de ce principe à la reconstruction de fantômes numériques basée sur les données physiologiques des personnes obtenues à partir d'images scanner ou IRM. Les résultats présentés et les limitations actuelles de cette approche sont discutés dans ce contexte.