Validation of the Eclipse(TM) Treatment Planning System for Synchrotron Microbeam Radiotherapy

Abstract

This work presents the first data from a calculation engine for synchrotron Microbeam Radiation Therapy (MRT) implemented in the EclipseTM Treatment Planning System from Varian Medical Services. The calculation engine constitutes a simple pencil beam algorithm estimating ‘peak’ dose and of Monte Carlo simulated Peak Valley Dose Ratios (PVDRs) that are used to obtain ‘valley’ dose. The aim of this work is to benchmark data calculated using Eclipse against measured and Monte Carlo simulated data in order to enable future clinical applications of the calculation engine.

Percentage Depth Dose (PDD) curves and field profiles in a homogeneous water phantom as well as PDD curves and point dose values in inhomogeneous, tissue equivalent phantoms were calculated. These data were compared against data measured using a PTW 31014 Pin-Point ionization chamber and GafChromic HD-V2 film as well as against Monte Carlo data simulated using the GEANT4 toolkit.

The data show that Eclipse performs very well in calculating ‘peak’ dose in a homogeneous water phantom and that it calculates ‘valley’ dose with some accuracy, although an underestimation of valley dose for smaller field sizes and an overestimation for larger field sizes is discovered. This is found to depend on the inability of Eclipse to account for the field size dependence of the peak to valley dose ratio (PVDR). Field profiles are also calculated with reasonable accuracy, although due to the simplistic nature of the algorithm used to calculate dose it does not completely calculate dose deposition from a synchrotron radiation X-ray beam. This simplification results in errors in the field profiles. When it comes to simulating dose in inhomogeneous mediums, Eclipse is struggling. The Eclipse calculated ‘peak’ dose distributions in phantoms containing lung equivalent tissue do not agree with Monte Carlo simulations or with what you would theoretically expect. Furthermore, for the ‘valley’ dose, an error in the algorithm causes the deposited dose to inexplicably drop to zero in some regions of the phantom for some phantom configurations.

Although there are limitations in the calculation engine in Eclipse and although there is still work to be done, the data generated in this work are overall encouraging and indicate that with further improvements there are possibilities and potential for this calculation engine to be implemented in the clinic in the future.

Popular Abstract (Swedish)

Cancer är den andra vanligast dödsorsaken i världen idag, näst efter hjärt-kärlsjukdom. Varje år insjuknar nästan 13 miljoner människor av cancer och även om dödligheten minskar i takt med att forskningen går framåt så finns det ännu cancersjukdomar som inte går att bota. I Sverige ges strålbehandling till hälften av alla som drabbas av cancer och står för 30 % av all cancerbot.

Vid en strålbehandling bestrålar man det område på kroppen där cancertumören sitter med joniserande strålning. Joniserande strålning verkar genom att förstöra cellers DNA så att de dör. När man bestrålar en tumör med joniserande strålning så kommer man inte bara att träffa tumörcellerna utan också omkringliggande frisk vävnad. Men eftersom frisk vävnad i regel är mer motståndskraftig mot joniserande strålning än tumörvävnad så kan man se till att ge en stråldos som är tillräckligt stor för att ta död på tumören och samtidigt tillräckligt liten för att omkringliggande frisk vävnad ska överleva. Detta fungerar dock inte för alla tumörer. Olika former av tumör och normalvävnad är olika mycket känsliga för strålning och vissa tumörer går inte att bestråla då de sitter nära frisk vävnad som är mycket strålkänslig eller då tumören själv är okänslig för strålning.

MRT står för Microbeam Radiation Therapy och är en ny form av strålbehandling som använder sig av strålning producerad i en synkrotron (en partikelaccelerator som kan producera högintensiv joniserande strålning) i form av mycket tunna strålknippen separerade från varandra, så kallade mikrostrålar. Det tycks vara så att cancerceller är mycket känsliga för den här sortens strålning samtidigt som friska celler är mycket motståndskraftiga mot den. Att använda den här sortens strålning till cancerbehandlingar skulle alltså kunna möjliggöra behandling av tumörtyper som man tidigare inte kunnat bota.

Hittills har man enbart bestrålat försöksdjur med mikrostrålar, men målet är att börja med kliniska försök på människor inom en inte allt för avlägsen framtid. Innan man kan göra detta finns dock ett antal problem att lösa. Ett av dessa är att man behöver ett så kallat dosplaneringsprogram, ett datorprogram som utifrån en röntgenbild av en patient beräknar hur stor stråldos olika delar av kroppen får då den bestrålas. Man förlitar sig på dessa beräkningar då man ska bestämma hur mycket strålning som ska ges till en patient, och det är därför mycket viktigt att beräkningarna blir rätt för att man inte ska ge för låg eller för hög dos, då en för låg dos kan resultera i att tumören inte försvinner och en för hög dos i att patienten får sjukdomar som följd av att den friska vävnaden fått mer strålning än vad den klarar av.

De dosplaneringsprogram som för närvarande finns fungerar inte för MRT, utan ett nytt program måste utvecklas. Detta har nyligen gjorts vid RMIT i Melbourne Australien. I det här arbetet används programmet för att beräkna dos i olika föremål, så kallade fantom, bestående av vatten samt av material tillverkat för att efterlikna mänsklig vävnad. Denna dos jämförs med mätdata från samma föremål för att se om stråldoserna som programmet beräknar är korrekta.

• author: Holm, Madeleine
• supervisor: Crister Ceberg; Jeffrey Crosbie; Per Engström
• organization: Medical Radiation Physics, Lund; Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20161
• year: 2016
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 8890999
• date added to LUP: 2016-09-07 11:55:31
• date last changed: 2017-01-09 16:28:58