Monte Carlo simulation of modern techniques of intensity modulated radiation therapy (IMRT)

Abstract

Clinical delivery of radiation therapy faces an old dilemma: how to maximize the dose to the tumoral cells while spearing the surrounding healthy tissue. Along this path two major innovations will most likely play an important role in the future. The first has to do with the employment of so far unutilized physical processes and effects of radiation with matter. The second one is associated with the development of new radiation sources whose properties are better suited to achieve the latter goal. An important question arises in this respect: how to introduce new treatment modalities with minimal risk relying on our extensive past clinical experience with the conventional treatment techniques.The current PhD dissertation tries to answer this question by investigating alternative ways to modify the linear accelerator beam line and characterizing dosimetric properties at the macroscopic and nanoscopic level in application to Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) and/or Gold Nanoparticle Therapy (GNPT). Emphasis is given to IMRT with and without the presence of gold nanoparticles while the main tool used for all the studies is Monte Carlo method of radiation transport The dissertation is divided into three major parts. In the first one, an alternative linac design is investigated by removing the flattening filter of the beam and by studying its impact on IMRT delivery. The flattening free linac design keeps all the benefits of the standard linac, while improving significally dose rate and limiting head scatter. On the other hand it is being presents challenges for large IMRT fields and far off-axis points. In the second part of the dissertation an extensive qualitative and quantitative beam quality/ spectra study is carried for over 1300 different clinical irradiation conditions. The results from the second part are used in the third and last part of the dissertation in which the dosimetric impact of these different beam qualities on gold nanoparticle radiotherapy are studied. Optimal clinical irradiation techniques are identified which guarantee efficient and safe delivery of nanoparticle-enhanced radiotherapy. In summary, in this dissertation unutilized physical processes are investigated as the principle of new treatment modality (GNPT) and optimal radiotherapy techniques are determined for its gradual and safe introduction into the clinic.

Η ακτινοθεραπεία αντιμετωπίζει ένα παλαιό-συνεχές δίλλημα: πώς να μεγιστοποιηθεί η εναπόθεση δόσης στα καρκινικά κύτταρα με την ταυτόχρονη εκμηδένιση της δόσης στα αντίστοιχα περιβάλλοντα υγιή. Σκεπτόμενοι πάνω σε αυτούς τους άξονες υπάρχουν δύο κυρίαρχοι παράγοντες που πιθανον θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στο μέλλον. Ο πρώτος αφορά στην ανακάλυψη νέων φυσικών διαδικασιών και φαινομένων μεταξύ ακτινοβολίας και ύλης. Ο δεύτερος σχετίζεται με την ανάπτυξη νέων πηγών ακτινοβολίας, των οποίων οι ιδιότητες είναι προσαρμοσμένες έτσι ώστε να επιτευχθεί ο αρχικός στόχος. Προκύπτει λοιπόν ένα σημαντικό ερώτημα: Πώς να εισαχθούν νέες θεραπευτικές φόρμες με το μικρότερο δυνατό ρίσκο και βασισμένες στην ήδη υπάρχουσα κλινική εμπειρία που έχει προκύψει από τις υπάρχουσες συμβατικές θεραπευτικές τεχνικές;Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η προσπάθεια απάντησης στο τελευταίο ερώτήμα μέσω της διερεύνησης εναλλακτικών τρόπων τροποποίησης της δέσμης του γραμμικού επιταχυντή, καθώς επίσης και του χαρακτηρισμού των δοσιμετρικών ιδιοτήτων, σε μικροσκοπικό και νανοσκοπικό επίπεδο, εφαρμογών διαμορφωμένης έντασης ακτινοθεραπείας (IMRT) και/ ή θεραπείας με νανοσωματίδια χρυσού (GNPT). Ιδιαίτερη έμφαση δε, δόθηκε στην τεχνική IMRT , χρησιμοποιώντας ως κύριο εργαλείο την μέθοδο Μοντε Κάρλο. Συγκεκριμένα η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίστηκε σε τρία κυρίως μέρη. Στο πρώτο μελετήθηκε ένα εναλλακτικό σχέδιο γραμμικού επιταχυντή, μετά την αφαίρεση του φίλτρου της δέσμης, καθώς και οι αντίστοιχες επιδράσεις της χρήσης ενός τέτοιου μοντέλου σε περιπτώσεις θεραπείας με τεχνικές IMRT. Το προτεινόμενο σχέδιο γραμμικού επιταχυντή διατηρεί όλα τα πλεονεκτήματα ενός γραμμικού χωρίς φίλτρο, βελτιώνοντας σημαντικά τον ρυθμό δόσης και περιορίζοντας την σκέδαση που προέρχεται από την κεφαλή του γραμμικού. Από την άλλη η χρήση του παρουσιάζει προκλίσεις για μεγάλα πεδία και έκκεντρους στόχους. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας διδακτορικής διατριβής πραγματοποιήθηκε μία εκτεταμένη ποιοτική και ποσοτική μελέτη άνω των1300 φασμάτων διαφορετικών δεσμών ακτινοβολίας. Τα αποτελέσματα αυτής της μελέτης χρησιμοποιήθηκαν στο τρίτο και τελευταίο μέρος, στο οποίο μελετήθηκε το δοσιμετρικό αποτέλεσμα των προαναφερθέντων δεσμών ακτινοβολίας σε μικροσκοπικό επίπεδο, στην περίπτωση που νανοσωματίδια χρυσού είναι παρόντα. Επισημάνθηκαν οι βέλτιστες κλινικά τεχνικές ακτινοβόλησης που εγκυόνται αποτελεσματική και ασφαλή εναπόθεση δόσης για ακτινοθεραπεία επαυξημένη με νανοσωματίδια χρυσού. Εν κατακλείδι στην παρούσα διδακτορική διατριβή μελετήθηκαν μη εφαρμοσμένες φυσικές διεργασίες υπό το πρίσμα μίας καινούργιας θεραπευτικής φόρμας (GNPT) και καθορίστηκαν οι βέλτιστες τεχνικές ακτινοθεραπείας που θα οδηγήσουν σε σταδιακή και ασφαλή κλινική εφαρμογή της.