Modeling and simulation of filters and devices for conformal radiotherapy

Abstract

This doctoral thesis addresses dynamic intensity modulation by means of physical beam modifiers. The principles of gravity oriented devices were generalized and extended preserving principles of a beam shaping but introducing motor driven patient oriented beam modifying devices. Beam modifying devices were divided in two categories protectors and shapers. The protectors are diminished copies of the Organs At Risk (OARs) and stay parallel to them during gantry rotation keeping them in the attenuated field for every gantry angle. Shapers are placed at the both sides of the protector to ensure uniform dose in the Planning Target Volume (PTV). Mathematical formalism for calculations of the dimensions and the initial coordinates of the beam modifying devices was developed as well as the laws of their motion during gantry rotation were derived. A software tool incorporating the mathematical background with user interface to facilitate the introduction of the input parameters was created. The software module was subsequently integrated into a Monte Carlo Radiation Therapy Simulator (MCRTS) used to simulate particle transport through the designed system. Simulation studies of field shaping in rotational therapy by means of beam modifying devices were carried out. Dose distributions in solid geometry and voxel based neck models were evaluated. Furthermore the effectiveness of the shapers to modify the dose distribution outside the protected area was studied. The results of simulation studies showed that rotational therapy with beam modifying devices offers adequate protection of the OAR and a uniform dose distribution outside the protected region. Studies using shapers of different materials were also carried out and resulted in similar dose distributions. Additionally the effect of protector’s parameters on the dose distribution in rotational therapy was studied in the thesis. A range of materials consisting of commonly used for protection in radiotherapy as well as by some new metal polymer composites was under investigation. The metal polymer composites can rival the lead in the protection of vital organs if the density provided is high. The presented technique has showed promising results in terms of conformal dose delivery and can be a preferred choice in radiotherapy departments due to comprehensive and adequate protection of the OAR and uniform dose in PTV ensured as well as of its cost effectiveness.

Αντικείμενο αυτής της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της δυναμικής σύμμορφηςακτινοθεραπείας με χρήση φυσικών διαμορφωτών δέσμης. Η δυναμική διαμόρφωση δέσμης επιτυγχάνεται με δυο ειδών φυσικούς διαμορφωτές δέσμης τους προστατευτές που είναι αντίγραφα σε σμίκρυνση του υπό προστασία οργάνου κατασκευασμένα από υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού, και διατηρούν διεύθυνση παράλληλη σε αυτό κατά την περιστροφή και τους διαμορφωτές που τοποθετούνται και στις δυο πλευρές του προστατευτή εξασφαλίζοντας ομοιόμορφη δόση στην περιοχή του όγκου. Για τον σκοπό αυτό αναπτύχθηκε μαθηματικό μοντέλο που περιγράφει τις βέλτιστες διαστάσεις καιτις ακριβείς θέσεις των διαμορφωτών κατά τη διάρκεια της περιστροφής της ακτινογραφικής κεφαλής με βάση τις αρχές που διέπουν την κίνησή τους. Παράλληλα αναπτύχθηκε ένα εργαλείο λογισμικού που ενσωματώνει το μαθηματικό υπόβαθρο και διευκολύνει την εισαγωγή των παραμέτρων θέσης και σύστασης των διαμορφωτών δέσμης. Το εργαλείο λογισμικού ενσωματώθηκε στον προσομοιωτή θεραπείας ακτινοβολίας Monte Carlo (MCRTS) που χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση της διάδοσης της ακτινοβολίας στη γεωμετρία του σχεδιασμένου συστήματος. Πραγματοποιήθηκαν μελέτες προσομοίωσης για την αποτελεσματικότητα της φυσικής διαμόρφωσης δέσμης στην περίπτωση όγκων στη περιοχή της κεφαλής και του αυχένα βασισμένες σε γεωμετρική περιγραφή είτε με αναλυτικά αντικείμενα είτε με στοιχειώδεις όγκους. Μελετήθηκε επίσης η επίδραση των διαμορφωτών στην τροποποίηση της κατανομής δόσης στις περιοχές που περιβάλλουν την προστατευμένη περιοχή. Οι μελέτες αυτές έδειξαν ότι η περιστροφική θεραπεία με διαμόρφωση δέσμης προσφέρει την επαρκή προστασία και ομοιόμορφη κατανομή δόσεων έξω από την προστατευμένη περιοχή. Προσομοιώσεις που χρησιμοποίησαν διαμορφωτές διαφορετικών υλικών οδήγησαν σε παρόμοιες κατανομές δόσεων. Επιπλέον μελετήθηκε η επίδραση των παραμέτρων του προστατευτή στη κατανομή δόσης στην περιστροφική θεραπεία. Εξετάστηκε η επίδραση μιας σειράς υλικών που συνήθως χρησιμοποιούνται για προστασία στην ακτινοθεραπεία καθώς επίσης και η επίδραση μερικών νέων μέταλλο-πολυμερών σύνθετων υλικών. Τα μέταλλο-πολυμερή σύνθετα παρέχουν προστασία στα ζωτικής σημασίας όργανα συγκρίσιμη με αυτή του μολύβδου εάν η πυκνότητα τους είναι υψηλή. Η τεχνική που μελετήθηκε έδωσε πολύ ικανοποιητικά αποτελέσματα από άποψη κατανομής δόσης και σχέσης κόστους αποτελέσματος.