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A non Gaussian model for the lateral dose evaluation in hadrontherapy. development and Treatment Planning System implementation
A non Gaussian model for the lateral dose evaluation in hadrontherapy. development and Treatment Planning System implementation
Challenging issues in Treatment Planning System for hadrontherapy are the accurate calculation of dose distribution, the reduction in Memory space required to store the dose kernel of individual pencil beams and the shortening of computation time for dose optimization and calculation. In this framework, the prediction of lateral dose distributions is a topic of great interest because currently, a Double Gaussian parametrization is typically used as approximation although other parametrizations are also available. The best accuracy for this kind of calculations can be obtained by Monte Carlo (MC) methods, at the expense of a long computing time. As alternative, we propose a flexible model based on the full Molière theory for Coulomb multiple scattering. The use of the original equations of the theory allows to remove free parameters for the electromagnetic interaction with the advantage of full accuracy with a reasonable increase in the computing time. The contribution of the nuclear interactions are also fully taken into account with a two-parameters fit on FLUKA simulation and this part is added to the electromagnetic core with a proper weight. The model has been validate with MC simulations and with Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) experimental data. In a second step, the model has been inserted in a research Treatment Planning System CERR - A Computational Environment for Radiotherapy Research at the Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen, to compare its result against the ones obtained with the currently used Double Gaussian parametrization to evaluate the lateral energy deposition. A quantitative comparison has been done to evaluate the difference between a treatment plan obtained using the Double Gaussian parametrization and a treatment plan obtained using the model calculation, in the cases of a single beam and a full treatment plan in homogeneous water phantom and also a plan is performed in presence of inhomogeneities., Eine der anspruchsvollsten Herausforderungen in der Bestrahlungsplanung von Ionenstrahltherapie ist die präzise Berechnung der Dosisverteilung im Patienten, die Reduktion des Speicherbedarfs der Dosiskernel von einzelnen Pencil-beams, sowie die Verkürzung der Rechenzeit fur Dosisoptimierung und -berechnung. In diesem Rahmen ist die Berechnung der lateralen Protonen-Dosisverteilungen ein Thema von großem Interesse, da momentan eine Double Gaussian Parametrisierung als Näherung verwendet wird, obwohl weitere Parametrisierungen existieren. Die größte Genauigkeit fur diese Art von Berechnungen kann mit Monte Carlo (MC) Simulationen erzielt werden, jedoch auf Kosten langer Laufzeiten. Als Alternative wird in dieser Arbeit ein flexibles Modell vorgeschlagen, welches auf der vollständigen Moliere-Theorie fur Multiples Coulomb Streuung basiert. Die Verwendung der originalen Gleichungen der Theorie erlaubt die Reduktion der freien Parameter für die elektromagnetischen Wechselwirkungen, was den Vorteil der vollen Genauigkeit mit einer moderaten Erhöhung der Rechenzeit vereint. Der Beitrag von nuklearen Wechselwirkungen wird mit einem zwei-Parameter Fit an FLUKA Simulationen berucksichtigt und dieser Anteil wird dann zu dem elektromagnetischen Core mit einer Gewichtung addiert. Das Modell wurde in das Forschungs-Bestrahlungsplanungssystem CERR A Computational Environment for Radiotherapy Research implementiert, um die Ergebnisse bei der lateralen Dosis-Deposition mit der momentan verwendeten Double Gaussian Parametrisierung zu vergleichen. Ein quantitativer Vergleich wurde durchgeführt zwischen den Bestrahlungsplänen die einmal mit der Double Gauss Parametrisierung und einmal mit dem vorgeschlagene Modell berechnet wurden. Das untersuchte Szenario beinhaltete Pläne die entweder für einzelne Strahlen verschiedener Energien in einem homogenen Wasserphantom, ein voller Bestrahlungsplan in einem homogenen Wasserphantom, sowie einzelne Strahlen verschiedener Energien für ein Phantom mit Inhomogenitäten berechnet wurden., Temi di grande interesse nell’ambito dello sviluppo dei Software per il calcolo di piani di trattamento per adroterapia (Treatment Planning System (TPS)), sono la riduzione dei tempi computazionali del calcolo e dell’ottimizzazione della dose, e la riduzione della memoria richiesta per l’archiviazione della dose di ogni singolo fascio (pencil beam). In questo contesto, la valutazione della distribuzione laterale della dose è un argomento di grande interesse in quanto attualmente viene utilizzata una funzione a doppia gaussiana come approssimazione, che risulta non completamente accurata. Altre parametrizzazioni sono disponibili; anch’esse rimangono però approssimazioni. La migliore accuratezza per questo tipo di calcolo della dose viene ottenuta utilizzando le tecniche Monte Carlo (MC)che richiedono però tempi computazionali molto lunghi. In alternativa, questo lavoro propone un modello flessibile e analitico basato sulla teoria completa di Moli`ere per la valutazione dello scattering multiplo di Coulomb. L’utilizzo delle equazioni originali di questa teoria permette di rimuovere ogni parametro libero per il calcolo delle interazioni elettromagnetiche, ottenendo così il vantaggio di un’accuratezza pari a quella del metodo MC ma con tempi di calcolo di molto inferiori. Il contributo delle interazioni nucleari è considerato tramite un fit, con soli due parametri, sulle simulazioni MC FLUKA. La funzione viene aggiunta alla parte analitica elettromagnetica assegnando ad entrambe un fattore di peso di senso fisico, calcolato appropriatamente. Il modello così ottenuto è stato validato con simulazioni MC e con dati sperimentali del centro di adroterapia di Heidelberg, Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT). Successivamente, il modello è stato inserito nel TPS di ricerca CERR - A Computational Environment for Radiotherapy Research presso l’Università di Monaco Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen, per confrontare i risultati ottenuti valutando piani di trattamento che utilizzano l’approssimazione gaussiana per il calcolo della dose, con piani ditrattamento che utilizzano il modello per il calcolo della dose stessa. Uno studio quantitativo è stato svolto considerando i casi di: singoli fasci di energia fissata in un fantoccio di acqua omogeneo, un piano di trattamento completo (come caso reale della pratica clinica, che considera più fasci di diverse energie e posizioni) in un fantoccio di acqua omogeneo, e infine i casi di singoli fasci a energie fissate in fantocci che presentano disomogeneità.
Proton-Therapy, Hadrontherapy, Treatment Planning System, models, Monte Carlo, Molière theory, lateral dose profile
Bellinzona, Valentina Elettra
2017
English
Universitätsbibliothek der Ludwig-Maximilians-Universität München
Bellinzona, Valentina Elettra (2017): A non Gaussian model for the lateral dose evaluation in hadrontherapy: development and Treatment Planning System implementation. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics
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Abstract

Challenging issues in Treatment Planning System for hadrontherapy are the accurate calculation of dose distribution, the reduction in Memory space required to store the dose kernel of individual pencil beams and the shortening of computation time for dose optimization and calculation. In this framework, the prediction of lateral dose distributions is a topic of great interest because currently, a Double Gaussian parametrization is typically used as approximation although other parametrizations are also available. The best accuracy for this kind of calculations can be obtained by Monte Carlo (MC) methods, at the expense of a long computing time. As alternative, we propose a flexible model based on the full Molière theory for Coulomb multiple scattering. The use of the original equations of the theory allows to remove free parameters for the electromagnetic interaction with the advantage of full accuracy with a reasonable increase in the computing time. The contribution of the nuclear interactions are also fully taken into account with a two-parameters fit on FLUKA simulation and this part is added to the electromagnetic core with a proper weight. The model has been validate with MC simulations and with Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT) experimental data. In a second step, the model has been inserted in a research Treatment Planning System CERR - A Computational Environment for Radiotherapy Research at the Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen, to compare its result against the ones obtained with the currently used Double Gaussian parametrization to evaluate the lateral energy deposition. A quantitative comparison has been done to evaluate the difference between a treatment plan obtained using the Double Gaussian parametrization and a treatment plan obtained using the model calculation, in the cases of a single beam and a full treatment plan in homogeneous water phantom and also a plan is performed in presence of inhomogeneities.

Abstract

Eine der anspruchsvollsten Herausforderungen in der Bestrahlungsplanung von Ionenstrahltherapie ist die präzise Berechnung der Dosisverteilung im Patienten, die Reduktion des Speicherbedarfs der Dosiskernel von einzelnen Pencil-beams, sowie die Verkürzung der Rechenzeit fur Dosisoptimierung und -berechnung. In diesem Rahmen ist die Berechnung der lateralen Protonen-Dosisverteilungen ein Thema von großem Interesse, da momentan eine Double Gaussian Parametrisierung als Näherung verwendet wird, obwohl weitere Parametrisierungen existieren. Die größte Genauigkeit fur diese Art von Berechnungen kann mit Monte Carlo (MC) Simulationen erzielt werden, jedoch auf Kosten langer Laufzeiten. Als Alternative wird in dieser Arbeit ein flexibles Modell vorgeschlagen, welches auf der vollständigen Moliere-Theorie fur Multiples Coulomb Streuung basiert. Die Verwendung der originalen Gleichungen der Theorie erlaubt die Reduktion der freien Parameter für die elektromagnetischen Wechselwirkungen, was den Vorteil der vollen Genauigkeit mit einer moderaten Erhöhung der Rechenzeit vereint. Der Beitrag von nuklearen Wechselwirkungen wird mit einem zwei-Parameter Fit an FLUKA Simulationen berucksichtigt und dieser Anteil wird dann zu dem elektromagnetischen Core mit einer Gewichtung addiert. Das Modell wurde in das Forschungs-Bestrahlungsplanungssystem CERR A Computational Environment for Radiotherapy Research implementiert, um die Ergebnisse bei der lateralen Dosis-Deposition mit der momentan verwendeten Double Gaussian Parametrisierung zu vergleichen. Ein quantitativer Vergleich wurde durchgeführt zwischen den Bestrahlungsplänen die einmal mit der Double Gauss Parametrisierung und einmal mit dem vorgeschlagene Modell berechnet wurden. Das untersuchte Szenario beinhaltete Pläne die entweder für einzelne Strahlen verschiedener Energien in einem homogenen Wasserphantom, ein voller Bestrahlungsplan in einem homogenen Wasserphantom, sowie einzelne Strahlen verschiedener Energien für ein Phantom mit Inhomogenitäten berechnet wurden.

Abstract

Temi di grande interesse nell’ambito dello sviluppo dei Software per il calcolo di piani di trattamento per adroterapia (Treatment Planning System (TPS)), sono la riduzione dei tempi computazionali del calcolo e dell’ottimizzazione della dose, e la riduzione della memoria richiesta per l’archiviazione della dose di ogni singolo fascio (pencil beam). In questo contesto, la valutazione della distribuzione laterale della dose è un argomento di grande interesse in quanto attualmente viene utilizzata una funzione a doppia gaussiana come approssimazione, che risulta non completamente accurata. Altre parametrizzazioni sono disponibili; anch’esse rimangono però approssimazioni. La migliore accuratezza per questo tipo di calcolo della dose viene ottenuta utilizzando le tecniche Monte Carlo (MC)che richiedono però tempi computazionali molto lunghi. In alternativa, questo lavoro propone un modello flessibile e analitico basato sulla teoria completa di Moli`ere per la valutazione dello scattering multiplo di Coulomb. L’utilizzo delle equazioni originali di questa teoria permette di rimuovere ogni parametro libero per il calcolo delle interazioni elettromagnetiche, ottenendo così il vantaggio di un’accuratezza pari a quella del metodo MC ma con tempi di calcolo di molto inferiori. Il contributo delle interazioni nucleari è considerato tramite un fit, con soli due parametri, sulle simulazioni MC FLUKA. La funzione viene aggiunta alla parte analitica elettromagnetica assegnando ad entrambe un fattore di peso di senso fisico, calcolato appropriatamente. Il modello così ottenuto è stato validato con simulazioni MC e con dati sperimentali del centro di adroterapia di Heidelberg, Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT). Successivamente, il modello è stato inserito nel TPS di ricerca CERR - A Computational Environment for Radiotherapy Research presso l’Università di Monaco Ludwig-Maximilians-Universitat Munchen, per confrontare i risultati ottenuti valutando piani di trattamento che utilizzano l’approssimazione gaussiana per il calcolo della dose, con piani ditrattamento che utilizzano il modello per il calcolo della dose stessa. Uno studio quantitativo è stato svolto considerando i casi di: singoli fasci di energia fissata in un fantoccio di acqua omogeneo, un piano di trattamento completo (come caso reale della pratica clinica, che considera più fasci di diverse energie e posizioni) in un fantoccio di acqua omogeneo, e infine i casi di singoli fasci a energie fissate in fantocci che presentano disomogeneità.