長庚大學校訊

蒙地卡羅模擬－質子治療研究的好幫手

醫放系 趙自強助理教授

本校醫放系於 2013 年 11 月 27 日至 12 月 1 日辦理「第二屆 GEANT4 ( GEometryANd Tracking Ver. 4 ) 在重粒子放射治療應用工作坊」。本屆工作坊特別邀請日本 Nagaoka University of Technology 的 Tsukasa Aso 博士與其領導的另外三位日本質子治療專家，親手教導 GEANT4 與 PTSim ( Particle Therapy Simulation ) 在重粒子劑量模擬之技術。此工作坊為期三天半，原本計畫開放 12 位學員參與學習，最後卻湧進了包含高雄長庚醫院、林口長庚醫院、以及長庚大學共 21 位學員，與會者學習態度高昂。

三天半的學習中，每天上午為課程講解，下午為實際上機操作，在 Nagoya Proton Therapy Center 的物理師 Chihiro Omachi 博士、Hyogo Ion Beam Medical Center 的主任物理師 Tomohiro Yamashita 博士，以及日本高能研究機構的 Wataru Takase 老師的親手教導之下，學員學習到了質子治療研究所需的蒙地卡羅模擬技巧，並使用中研院台灣格網中心的 Grid Computing Environment 進行快速平行模擬教學，為未來長庚體系質子治療研究的蒙地卡羅模擬種下深遠的種子。

近年來放射腫瘤治療發展迅速，利用各種方式控制輻射劑量集中於腫瘤患部，並盡量減少正常組織輻射暴露，期望能在提高腫瘤控制率的同時，降低副作用發生的機率。每年都有新的治療方法出現，例如：強度調控式放射治療 ( IMRT )、影像導航放射治療 ( IGRT )、快弧刀 ( Rapid Arc )、電腦刀 ( Cyberknife )、螺旋光子刀 ( Tomotherapy ) 等。近年來，質子治療和重粒子治療在國際放射治療學界中熱烈發展，以小小台灣為例，可能就會興建三至六座質子/重粒子中心，導致政府不得不以總治療室數控制國內質子/重粒子中心的興建，而長庚醫療體系可能就會佔其中半數以上。質子/重粒子在人體內具有優異的劑量特性，對正常組織輻射暴露遠低於光子或電子放射治療，且降低病人對二次癌症的風險，對生活品質保障有很大的幫助。

利用亂數來模擬隨機過程已有很長的歷史，而這種方法就稱為蒙地卡羅方法，它被廣泛地應用在許多問題的探討上，如輻射與物質的作用、DNA 間的交互作用、森林的成長、人口的變遷、股市的變化、國民生產毛額的成長。利用圖 1 可大概了解蒙地卡羅方法，在進行模擬之前，需先知道所要研究的題目具有什麼樣的條件，這些條件間的機率分布是什麼，然後透過一個隨機亂數產生器來決定事件的流程，最後就可以模擬出結果。如果輸入的條件正確，模擬的次數夠多，結果自然正確，若輸入錯誤的條件，或是模擬的次數太少，結果就未必可信了。

在質子或粒子治療於人體內劑量分佈的研究上，GEANT4 是目前最重要，也是最被廣泛應用的蒙地卡羅模擬研究工具。GEANT4 原是由歐洲核子研究組織 ( CERN，European Organization for Nuclear Research ) 與日本高能加速器研究機構 ( KEK，High Energy Accelerator Research Organization ) 為高能粒子遷移模擬研究所共同發展。為了讓 GEANT4 更容易用在癌症治療研究上，Tsukasa Aso 博士主導建立 PTSim 程式，在國際上已有許多以 PTSim 模擬日本國內類似設備之結果發表。

醫放系於 2012 年 11 月舉辦了為期一天的 GEANT4 在重粒子放射治療應用工作坊，有超過百位國內學者、專家、研究生參加，工作坊頗受好評。今年再接再厲舉辦第二次的工作坊，為期三天半，與去年純粹理論講解不同，今年工作坊為連續三天的上機課程。邀請日本國內曾參與 GEANT4 及 PTSim 發展之四位專家親手教導 GEANT4 與 PTSim 在重粒子劑量模擬之技術。希望藉由邀請其至國內授課之機會，將整套系統引進至國內，為國內新設置之質子治療提供重要的研究工具。國內正興建許多質子治療中心，因此邀請國外對質子治療有經驗的相關學者，將這些新的資訊介紹給國內學者及即將從事醫學物理的研究生，可以為病人做更好的服務。