Monte Carlo techniques for electron radiotherapy

Abstract

In this work simulation of electron beams and electron postmastectomy radiotherapy are evaluated using Monte Carlo Techniques. To achieve this several steps were followed. The first step was to perform measurements for dose distributions on a water tank for the different energies and field sizes provided by ELEKTA SL18 Linac available at the University Hospital of Larisa. The measurements were performed for the central axis percent depth dose (pdd), and the off-axis dose profiles at the depth of maximum dose (Dmax). Choosing, installing and using a code for the simulation of the Linac follow this. EGSnrc and the accompanying BEAMnrcMP, DOSXYZnrc and BEAMDP codes were installed. The linear accelerator was simulated using the manual provided by ELEKTA Company as a guide. Percent depth dose and dose profiles were generated and compared with the measurements and fine tuning was made to match the measurements and calculations in order to verify the simulated Linac. To reach a good match on the pdd curves several trials were performed changing the energy of the beam and the energy width, or full width at half maximum. The differences for the PDD curves were more significant in the build-up region and especially at the surface. Possible contaminating neutrons, scattered electrons from the phantom, dependence on the measuring device, the choice of the effective point of measurements and other parameters could be responsible for this mismatch. The mismatch becomes much smaller as the beam energy increases. On the other hand a slight discrepancy between measurements and calculations is noticed at the fall-off region with higher energies. But, in general these differences are within the 2%-2mm range. Regarding the off-axis dose profiles there was a good match between measurements and calculations. To get to this agreement a slight change in the jaws opening had to be made. The major discrepancy between measurements and calculations was in the right shoulder, where the measurements showed slight depression for some energies and field sizes. When one shoulder is apparently depressed and varies from the other one that is in a good match with MC calculations we consider that the profile is verified. In the second part of the work, the different sources of systematic error in linear accelerator simulations were studied. This includes slight alterations in the input beam parameters, the phantom design and placement and the configuration of the Linac components. This study aims at helping future researchers assess from the discrepancy between measured and calculated Pdd and dose profiles, where the mistake in simulation could possibly be.

Στην παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε εξομοίωση δεσμών ηλεκτρονίων και δεσμών ηλεκτρονίων σε ακτινοθεραπεία μετά από μαστεκτομή με την χρήση τεχνικών Μόντε Κάρλο (Monte Carlo). Η διαδικασία για την επίτευξη αυτού ήταν η ακόλουθη. Στο πρώτο στάδιο της διαδικασίας αυτής πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις σε ομοίωμα νερού της κατανομής δόσης για διαφορετικές ενέργειες και μεγέθη πεδίων στον γραμμικό επιταχυντή SL18 της ELEKTA, ο οποίος βρίσκεται στο Πανεπιστημιακό Νοσοκομείο Λάρισας. Συγκεκριμένα λήφθηκαν μετρήσεις επί της εκατό δόσης βάθους στον κεντρικό άξονα της δέσμης (PDD) και προφίλ επί της εκατό δόσης εκτός του κεντρικού άξονα (OAR) σε βάθος της μέγιστης δόσης (Dmax). Ο χρησιμοποιούμενος κώδικας που εγκαταστάθηκε και χρησιμοποιήθηκε ήταν ο EGSnrc μαζί με τα προγράμματα BEAMnrcMP, DOSXYZnrc και BEAMDP. Για την εξομοίωση του γραμμικού επιταχυντή χρησιμοποιήθηκαν τα blue print της ELEKTA. Οι καμπύλες επί της εκατό δόσης και δόσης προφίλ που προέκυψαν από τις εξομοιώσεις συγκρίθηκαν με τις αντίστοιχες που λήφθηκαν στο ομοίωμα νερού. Σκοπός της σύγκρισης ήταν η διαφορά των καμπυλών να βρίσκεται εντός αποδεκτών ορίων έτσι ώστε να θεωρηθεί ότι ο γραμμικός επιταχυντής εξομοιώθηκε επιτυχώς. Προκειμένου να επιτευχθεί η καλύτερη δυνατή ταύτιση των καμπυλών PDD έγιναν αρκετές δοκιμές για την εύρεση της κατάλληλης ενέργειας της δέσμης και του κατάλληλου ενεργειακού εύρους ή πλήρους εύρους στα μισά του μέγιστου (FWHM). Οι διαφοροποιήσεις των PDD καμπυλών ήταν μεγαλύτερες στην περιοχή ανοικοδόμησης (build-up region) και ειδικότερα στην επιφάνεια. Πιθανοί λόγοι αυτού ήταν η ύπαρξη νετρονίων, σκεδαζόμενων ηλεκτρονίων από το ομοίωμα, εξάρτησης του μετρητή, επιλογή κατάλληλου σημείου μέτρησης και άλλων παραγόντων. Η διαφορές ελαττώνονται καθώς η ενέργεια της δέσμης αυξάνεται. Στην περιοχή μετά από τη μέγιστη δόση παρατηρείται για μεγάλες ενέργειες μικρή διαφορά μεταξύ μετρήσεων και εξομοίωσης. Σε γενικές γραμμές όμως οι διαφορές αυτές δεν ξεπερνούν το 2% - 2mm εύρος. Σε σχέση με τις καμπύλες OAR η σύγκριση έδειξε καλή ταύτιση μεταξύ μετρήσεων και εξομοιώσεων. Για την επίτευξη της ταύτισης αυτής έγινε μία σχετικά μικρή μεταβολή στα ανοίγματα των διαφραγμάτων πεδίου (jaws). Η μεγαλύτερη διαφορά μεταξύ μετρήσεων και εξομοιώσεων σημειώθηκε στον δεξί ώμο, όπου τα αποτελέσματα έδειξα μία ελαφριά πτώση για μερικές ενέργειες και εύρη πεδίων. Σε περίπτωση που ο ένας ώμος έχει ελαφριά πτώση σε σχέση με τον άλλο και ο άλλος βρίσκεται εντός αποδεκτών ορίων, τότε θεωρείται ότι το εξομοιωμένο προφίλ είναι σωστό. Στο δεύτερο κομμάτι της παρούσας εργασίας μελετήθηκαν οι διαφορετικές πηγές συστηματικών λαθών στην εξομοίωση γραμμικών επιταχυντών. Αυτό σήμαινε μικρές μεταβολές στις εισαγόμενες παραμέτρους της, στον σχεδιασμό του ομοιώματος και της τοποθέτησης του και της διαμόρφωσης των τμημάτων του γραμμικού. Σκοπός της παρούσας μελέτης ήταν να βοηθηθούν μελλοντικοί ερευνητές στην γνώση του που βρίσκεται το πιθανό λάθος κατά την εξομοίωση PDD και OAR.