Rivetti, Luciano A. (2019) Software de cálculo redundante para tratamientos de teleterapia / Redundant calculation software for teletherapy treatment. Maestría en Física Médica, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro.
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Resumen en español
Los avances de la tecnología aplicada a la radioterapia han permitido la creación de aceleradores lineales con sistemas de colimación especiales, dando lugar a la implementación de técnicas complejas de irradiación, con fotones de altas energías, que producen distribuciones de dosis que se ajustan a la forma del tumor, disminuyendo la dosis en los tejidos sanos cercanos de manera optimizada. Tratamientos con estas modalidades son VMAT (del ingles, Volumetric modulated arc therapy) y IMRT (del ingles, Intensity-modulated radiation therapy). Como parte de un programa de garantía de calidad, es altamente recomendado que las clínicas de radioterapia cuenten con un sistema de cálculo redundante, independiente al algoritmo que usa el planificador, para realizar el control de calidad de los tratamientos y así disminuir los riesgos de accidentes radiológicos. En este trabajo se desarrollaron dos programas de calculo redundante, uno de ellos orientado únicamente para VMAT, llamado software campo-equivalente, y el otro para todos los tratamientos de teleterapia con fotones de alta energía, llamado software función-densidad. Ambos programas fueron desarrollados en lenguaje Python y requieren de: el correspondiente archivo DICOM del tratamiento, las funciones de distribución de dosis en profundidad (PDD) determinadas experimentalmente para distintos tamaños de campos y la función de dispersión total en fantoma, Scp, determinada a 10 cm de profundidad para distintos tamaños de campos de radiación cuadrados. El programa campo-equivalente permite aprovechar las propiedades de las funciones de dispersión en fantoma, [D/ψ]rel y de dispersión en colimador, Sc, para hallar la profundidad y el tamaño de la arista de un campo cuadrado dosis-equivalente a todo el tratamiento VMAT. Para ello el software requiere las unidades monitoras dispensadas, las profundidades radiológicas y las posiciones del colimador multilámina para cada punto de control del tratamiento VMAT. Cada punto de control corresponde a la subdivisión del tratamiento que hace el planificador computado. Estos datos son extraídos del archivo DICOM del tratamiento y luego son procesados por el programa desarrollado para obtener el campo cuadrado dosis equivalente al tratamiento. Si bien este campo cuadrado no presenta utilidad clínica, ofrece una simplificación al problema de calculo, permitiendo obtener la dosis de un tratamiento VMAT simplemente hallando la dosis que produciría este campo en las condiciones de irradiación calculadas. Con este método se calculo la dosis en el isocentro para distintos tratamientos VMAT producidos por un acelerador marca Elekta Synergy. El resultado se contrasto con los cálculos del planificador y se obtuvieron diferencias porcentuales menores al 1.6 %. En este trabajo se introdujo, también, una función que llamaremos densidad de dosis debido a que su integral de area sobre el campo irregular permite determinar la dosis en el isocentro. Esta función se obtuvo con los datos medidos de la función Scp para distintos campos cuadrados a distintas profundidades. Se encontró que dicha función se descompone en dos funciones, una que tiene en cuenta la contribución a la dosis de la radiación primaria y la otra la contribución de la radiación secundaria. Nos referimos como radiación primaria a las partículas cargadas que resultan de las primeras interacciones de la radiación proveniente directamente del cabezal del equipo con la materia, y como radiación secundaria a las partículas cargadas producidas por radiación dispersada en el medio. El programa función-densidad hace uso de la función homónima para calcular la dosis en el isocentro de los tratamientos de teleterapia. Este programa permite extraer de los archivos DICOM las unidades monitoras dispensadas, las profundidades radiológicas y las posiciones del colimador multilamina para cada punto de control del tratamiento. El programa discretiza los campos irregulares de cada punto de control en una matriz de dimensión NxN, donde N es un numero denido por el usuario y cada elemento de matriz contiene la distancia radial desde el elemento hasta el eje central de radiación. En cada elemento de matriz se evaluó la función densidad y se la pondero con las unidades monitoras y con el cuadrado de la distancia de la fuente. Así, se obtuvo un campo efectivo, cuya integral de área resulta ser la dosis producida en el isocentro por todo el tratamiento. Se calculo la dosis de cinco tratamientos realizados con técnicas VMAT analizados con el software de campos equivalentes. Se hallo que el software función-densidad presenta diferencias con el planificador computado menores al 1.1 %. Ademas, este software presenta menos dispersión en las diferencias porcentuales con las dosis calculadas con el planificador que el software campo-equivalente. También se calculo, con el software función-densidad, la dosis producida en el isocentro para ocho tratamientos IMRT, encontrando diferencias aceptables con el planificador excepto para un tratamiento de cáncer de mama donde las diferencias son del orden del 18 %. Por ultimo, se calculo la dosis asociada a diez controles de calidad de tratamientos IMRT encontrando que la diferencia entre la dosis calculada con el software y la medida es semejante a la diferencia entre la dosis calculada por el planificador y la medida. Se pudo concluir que ambos programas son prácticos, rápidos y producen, en la mayoría de los casos, desviaciones aceptables con la dosis producida en un punto debido a un tratamiento. Consecuentemente, estos programas podrían utilizarse en el ámbito clínico, siendo una herramienta fundamental para brindar confianza a la hora de llevar a cabo un tratamiento en radioterapia.
Resumen en inglés
Technological developments applied to radiotherapy have allowed the creation of lineal accelerators with particular collimations system. These machines can carry out complex treatments that adjust the radiation beams to match the shape of the tumor, reducing the dose delivered to surrounding normal tissue. Two treatments of these characteristics are VMAT (Volumetric modulated arc therapy) and IMRT (Intensitymodulated radiation therapy). It is very advisable that radiotherapy clinics have a redundant dose calculation system, independent to the algorithm which uses the treatment planning system, in order to do the quality assurance of the treatments. Throughout this thesis, we developed two redundant dose calculation software, one of them is oriented toward VMAT treatments, called equivalent-field software, and the other is oriented toward all the radiotherapy treatments, called density-function software. Both were developed in Python and require: the DICOM le of the treatment, the percent depth dose (PDD), experimentally measured for different fields size, and the output factor Scp measured at 10 cm depth for different square fields size. The field-equivalent software allows to take advantage of the properties of the output factors, [D/ψ]rel y Sc, to nd the depth and the side size of the square eld which is dose-equivalent to all the VMAT treatment. To do that, the software requires the monitor units (MU), the radiological depth and the multileaf position in each control point. These data are extracted from the DICOM le and then are processed by the program in order to nd the square eld which is dose-equivalent to all the treatment. In spite of the fact that this field doesn't have clinical utility, it simplies the difficulty of the calculation because it allows to get the dose of the treatment with just calculating the dose of a unique field. With this method, we assessed the isocenter dose for different VMAT treatments carried out with an accelerator Elekta Synergy. The result was compared with the dose calculated by the treatment planning system, getting percentage differences fewer than 1.6%. In this work, we presented a function that we called dose density function because its surface integral over all the irregular field allows to assess the isocenter dose. This function was found with the measured data of the function Scp for different square fields and depths. We found that this function can be divided into two functions, one that takes into account the contribution to the dose of the primary radiation, and the other takes into account the contribution of secondary radiation. Primary radiation are the charged particles which are generated by the primary interactions between radiation coming from the head of the accelerator and its surroundings, and the secondary radiation are the charged particles generated by scattered radiation. The density-function software uses the density function to assess the isocenter dose of different teletherapy treatments. This program allows to extract from the DICOM les the monitor units, the radiological depth and the multileaf position for each control point of the treatment. This program discretizes the irregular eld of each control point, in a NxN matrix, being N a number dened by the user. Each matrix element has the radial distance from the element to the central axis of irradiation, in this way we evaluated the density function weighted by the monitor units and the inversesquare law in each element. Thus, we got an effective eld whose surface integral is the isocenter dose for all the treatment. We evaluated the dose of the same ve VMAT treatments that we assessed with the equivalent-eld software. We found that the density-function software has differences with the treatment planning system fewer than 1.1%. Furthermore, this software has less dispersion in the percentage differences with the dose assessed with the treatment planning system than the equivalent-eld software. Moreover, we assessed with the density-function software, the isocenter dose generated for eight IMRT treatments, nding acceptable differences with the treatment planning system except for a breast cancer treatment in which the differences are roughly 18%. Finally, we evaluated the isocenter dose of ten IMRT quality assurances, finding that the error between the dose calculated by the software and the measurement are similar to the error between the dose calculated by the treatment planning system and the measurement. We could conclude that both software are useful, quick and generate, in the majority of the cases, acceptable deviation with the dose created in a point due to a treatment. Consequently, these programs could be useful in a medical center, being an important tool which gives condence to radiotherapy treatments.
| Tipo de objeto: | Tesis (Maestría en Física Médica) |
|---|---|
| Palabras Clave: | Radiotherapy; Radioterapia; Dose; Dosis; [Teletherapy; Teleterapia; Volumetic modulated arc therapy; Intensity modulated radiation therapy] |
| Referencias: | [1] World Health Organization. Cáncer, 2018. URL http://www.who.int/es/news-room/fact-sheets/detail/cancer. 1 [2] Sanz, D. E. Análisis de algoritmos semiempíricos clásicos y desarrollo de nuevas formulaciones para el calculo de dosis absorbida en haces de fotones de alta energía. Tesis Doctoral, Instituto Balseiro, Universidad Nacional de Cuyo., 2003. Doctorado en Ingeniería Nuclear. 1, 2, 7, 13, 15 [3] The Swedish Council on Technology Assessment in Health Care (SBU). Systematic overview of radiotherapy for cancer including a prospective survey of radiotherapy. Acta Oncológica, 2003. 1 [4] Karzmark, C. J. Medical electron accelerators (usa: Mcgraw-hill, inc). 2 [5] Radiological Society of North America. Acelerador lineal, 2017. URL https://www.radiologyinfo.org/sp/info.cfm?pg=linac. 2 [6] Khan, F. M. The physics of radiation therapy. 2003. 3, 4 [7] Fiandra, C. Different IMRT solutions vs. 3d-conformal radiotherapy in early stage hodgkin's lymphoma: dosimetric comparison and clinical considerations. Radiation oncology, 2012. 6 [8] The Iternational Commission On Radiattion Units. Fundamental quantities and units for ionizing radiation. Journal of the ICRU Volume 11 No 1 2011, 2011. 6, 10 [9] Attix, F. H. Introduccion to Radiological Physics and Radiation Dosimetry. WILEY-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, 2004. 9, 10 [10] Loevinger, R. A formalism for calculation of absorbed dose to a medium from photon and electron beams. Med. Phys. 8 1-12, 1981. 10 [11] NORMA UY 108. Norma reguladora de seguridad radiológica para la práctica de radiodiagnóstico médico y odontológico, 2002. 11 [12] IAEA. Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: An international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water, 2006. 13 [13] Venselaar, J. L. M. A consistent formalism for the application of phantom and collimator scatter factors. Physics in Medicine and Biology, 27 October 1998. 13 [14] Gasteren, J. J. M. V. The determination of phantom and collimator scatter components of the output of megavoltage photon beams: measurement of the collimator scatter part with a beam-coaxial narrow cylindrical phantom. Radiotherapy and Oncology, 1991. 13 [15] Bjarngard, E. Tissue-phantom ratios from percentage depth doses. Medical physics, 1996. 15 [16] M J Day, E. G. A. The equivalent-field method for dose determinations in rectangular fields. National Institutes of Health physics, 1983. 16 [17] Attix, F. H. Introduccion to Radiological Physics and Radiation Dosimetry. WILEY-VCH Verlag GmbH and Co. KGaA, 2004. 36, 46 |
| Materias: | Medicina > Física médica |
| Divisiones: | Gcia. de área de Investigación y aplicaciones no nucleares > Gcia. de Física > Física médica |
| Código ID: | 888 |
| Depositado Por: | Tamara Cárcamo |
| Depositado En: | 09 Abr 2021 11:48 |
| Última Modificación: | 12 Abr 2021 11:41 |
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