Verification of a Pencil Beam Based Treatment Planning System Using a Virtual Monte Carlo Based Linear Accelerator

Abstract

A Monte Carlo generated linear accelerator is implemented into a pencil beam based treatment planning system (TPS) to study the possibility to verify the TPS with a Monte Carlo method. The implemented accelerator is then used to study two inhomogeneous lung geometries; lungslab and mediastinium. Advantages of a Monte Carlo method over conventional measurements are that accelerator output variations are eliminated and more complicated geometries can be studied. The Monte Carlo calculations are performed with the EGS4 module XYZP. The difference between Monte Carlo simulated and TMS calculated profiles and depth doses is less than +/- 2 % except in the buildup region for the characterisation geometry. This result shows that it is possible to perform a verification of a pencil beam based TPS with a Monte Carlo based virtual accelerator. In the inhomogeneity study the deviations between TPS and TMS are small in the unit-density regions. In the low-density regions the TPS overestimates the dose. The deviations in the lung for the mediastinium geometry increase with increasing energy from 3.5 % for 6 MV to 9.5 % for 18 MV. The results from the inhomogenity study point out the widely known fact that the pencil beam concept does not handle changes in lateral electron transport, nor changes in scatter due to lateral inhomogeneities.

Abstract (Swedish)

Idag behandlas många former av cancer med joniserande strålning från linjäracceleratorer. Målet med behandlingen är att sterilisera cancercellerna med så liten påverkan som möjligt på den friska vävnaden. För att uppnå detta är det viktigt att ha en så bra bestämning som möjligt av den absorberade dosen till tumör- och normalvävnad. För detta ändamål används idag tredimensionella dosplaneringssystem.

För att uppfylla de internationella kraven på dosfördelningen i target-området är det viktigt att dosplaneringssystemet räknar så rätt som möjligt och att användaren är medveten om systemets begränsningar. Enligt internationella rekommendationer ska datorgenererade dosfördelningar reproducera mätta eller verkliga dosfördelningar inom +/- 2 % eller i skarpa gradienter 0.2 cm. För att verifiera ett dosplaneringssystem har man tidigare använt experimentella mätningar med till exempel dioder, jonkammare och TLD. Problem med experimentella mätningar är till exempel att mätgeometrin är begränsad, elektronfluensen kan påverkas, mätosäkerheter och framför allt att variationer i stråldoshastighet hos acceleratorn kan påverka resultatet.

I detta arbete har man studerat möjligheten att verifiera ett dosplaneringssystem med hjälp av en sannolikhetsbaserad beräkningsmetod, dvs Monte Carlo simulering. Denna metod eliminerar eller reducerar de tidigare nämnda problemen med experimentella mätningar. Om denna metod visar sig möjlig att använda skall även två komplicerade geometrier med vävnader sklit från mjukvävnad studeras, dvs bestrålning lungor.

Det karakteriseringsset som behövs för att implementera en accelerator i dosplaneringssystemet Monte Carlo simulerades. Sedan gjordes en jämförelse mellan simulerade indata och utdata från dosplaneringssystemet. Dessa data ligger väl inom de föreskrivna 2 % utom i de ytligt liggande lagren där avvikelsen är något större. Den större avvikelsen i detta område orsakas av brister i modelleringen av dos från kontaminerande laddade partiklar i dosplaneringssystemet.

För inhomogeniteter jämfördes dosfördelningar från Monte Carlo simuleringarna och dosplaneringssystemet för en geometri med vatten och lung skivor samt för en thorax liknande geometri med mediastinium och två lungor. I Monte Carlo data har man en transport av energi ut ur fältet som ger upphov till en minskad dos i fältet och en ökad penumbra. Denna transport av energi orsakas av att laterala elektroner får en ökad räckvidd i lågdensitetsregionen. Energitransporten modelleras inte av dosplaneringssystemet utan man får en överskattning av dosen i områden med låg densitet relativt vatten. Anledningen till detta är att dosplaneringssystemet inte hanterar lateral elektron ojämnvikt för andra medier än vatten. Överskattningen i mediastiniumgeometrin är 3.5 % för 6 MV och 9.5 % för 18 MV i fältet. I penumbraregionen är avvikelserna ännu större.

Studien har visat att det är möjligt att verifiera ett pencil beam baserat dosplaneringssystem med en virtuell Monte Carlo baserad accelerator. Detta medför att att avancerade och komplicerade geometrier, som normalt är omöjliga att studera med konventionella mätningar, kan nu studeras. Inhomogenitetsstudien visar det välkända faktum att pencil beam konceptet inte hanterar ändringar i lateral elektrontransport och inte heller ändringar i spridning på grund av laterala inhomogeniteter.

• author: Wieslander, Elinore
• supervisor: Tommy Knöös; Lars Weber
• organization: Medical Physics Programme
• year: 1999
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• keywords: Strålterapi
• language: English
• id: 2156914
• date added to LUP: 2011-09-13 11:54:32
• date last changed: 2011-12-06 14:45:15