Υπολογιστική και πειραματική δοσιμετρία σε εφαρμογές ακτινοθεραπείας με έμφαση σε ανομοιογενείς γεωμετρίες

Abstract

The success of the clinical practice in contemporary brachytherapy applications depends heavily on the accuracy of the dosimetric data used for the treatment planning, which is an integral part of the whole procedure to maximize the therapeutic benefit. The continuously increasing accuracy in determining the target volume, originating from the developments in medical imaging, has led to the rapid technological progress of brachytherapy techniques, which in turn increased accuracy demands in the dosimetrical treatment planning. As a result, dosimetry using the Monte Carlo simulation method has recently been recognized as the golden standard in contemporary treatment planning for external radiotherapy. For the energy range of brachytherapy however, because of the multiple scattering with low energy transfer to be simulated, the calculation times cannot reach the clinically acceptable levels, so that the Monte Carlo method cannot be introduced in the clinical practice of brachytherapy, particularly for the 192Ir sources that are used in the vast majority of applications. At present, therefore, the treatment planning in brachytherapy is based on look-up tables or precalculated dosimetric data with Monte Carlo simulation for a given source geometry within a homogeneous spherical water phantom of fixed dimensions. These data, superimposed for each source dwell position, give the total dose distribution in each brachytherapy application. But, as the geometry in which these data were calculated departs from the actual geometry of the patient, the whole process ignores the heterogeneous composition of the patient (lung, bone, air, etc.) and the actual patient dimensions as well as any probes used that consist of materials of high atomic number. Results have been reported in the literature highlighting significant errors in clinical brachytherapy dosimetry. In the context of this thesis an effort was made to “modernize” the treatment planning of brachytherapy in the clinical practice, moving from the implant dosimetry that is from its inception, to a truly personalized dosimetric treatment planning that takes into account the actual geometry and inhomogeneities of each patient. Recently, it has been suggested in the literature the use of a method based on solving the linear Boltzman transfer equation for brachytherapy dosimetry. This method is also called “discrete ordinates” method as based on “discretization” of all variables (energy, space, direction) to deterministically define the photon energy flux at each point of an arbitrary geometry. The computational and experimental validation of the performance of this method to achieve clinically acceptable dosimetric accuracy in computational times appropriate for clinical use was the main subject of the thesis, through the use of new commercially available treatment planning system designed for brachytherapy applications, the BrachyvisionTM by Varian Medical Systems. It should be noted that the company incorporated the results of this work to the advanced version of the commercial treatment planning system. As a natural sequence of the above and in an effort to conserve the global uniformity of the clinical practice, a quality control method was proposed for the developing contemporary brachytherapy treatment planning systems, which perform dosimetry calculations based on these advanced dose calculation algorithms. Finally, a method of determining the dosimetric uncertainties due to seed construction parameters was developed and calculations were performed of the broad photon beam transmission factor from monoenergetic data for use in brachytherapy structural shielding applications.

Η επιτυχία της κλινικής ακτινοθεραπευτικής πρακτικής στις σύγχρονες εφαρμογές βραχυθεραπείας εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ακρίβεια των δοσιμετρικών δεδομένων που χρησιμοποιούνται για τον σχεδιασμό της, ο οποίος αποτελεί αναπόσπαστο τμήμα της ακτινοθεραπευτικής προσπάθειας για τη μεγιστοποίηση του θεραπευτικού οφέλους.. Η συνεχώς αυξανόμενη ακρίβεια στον καθορισμό του όγκου στόχου βάσει των εξελίξεων στην ιατρική απεικόνιση, οδήγησε στη ραγδαία ενσωμάτωση τεχνολογικής προόδου στις τεχνικές υλοποίησης της βραχυθεραπείας που με τη σειρά της αύξησε τις απαιτήσεις ακρίβειας κατά το δοσιμετρικό σχεδιασμό. Ως αποτέλεσμα η δοσιμετρία με τη μέθοδο προσομοίωσης Monte Carlo έχει πρόσφατα αναγνωριστεί ως σύγχρονο μέτρο αναφοράς στο σχεδιασμό της εξωτερικής ακτινοθεραπείας. Για την περιοχή ενεργειών της βραχυθεραπείας όμως, λόγω των πολλαπλών σκεδάσεων με μικρή μεταφορά ενέργειας που θα πρέπει να προσομοιωθούν, ο χρόνος υπολογισμού δεν μπορεί να φτάσει σε κλινικά αποδεκτά επίπεδα με αποτέλεσμα η μέθοδος Monte Carlo να μην μπορεί να εισαχθεί στην κλινική πράξη της βραχυθεραπείας ιδίως για πηγές 192Ir οι οποίες χρησιμοποιούνται στη συντριπτική πλειοψηφία των εφαρμογών. Επί του παρόντος λοιπόν, ο δοσιμετρικός σχεδιασμός της βραχυθεραπείας βασίζεται σε πίνακες δόσης ή δοσιμετρικά δεδομένα που υπολογίζονται εκ των προτέρων με Monte Carlo προσομοίωση για δεδομένη γεωμετρία πηγής, εντός ομοιογενούς σφαιρικού ομοιώματος νερού συγκεκριμένων διαστάσεων. Τα δεδομένα αυτά, υπερτιθέμενα για κάθε θέση πηγής, δίνουν την κατανομή δόσης σε κάθε εφαρμογή βραχυθεραπείας. Καθώς όμως η γεωμετρία στην οποία υπολογίστηκαν εκ των προτέρων, αφίσταται της πραγματικής γεωμετρίας του ασθενούς, η μέθοδος αυτή αγνοεί την ανομοιογενή σύσταση του ασθενούς (πνεύμονες, οστούν, αέρας κ.α.) και τις πραγματικές του διαστάσεις καθώς και τυχόν καθετήρες που χρησιμοποιούνται και αποτελούνται από υλικά υψηλού ατομικού αριθμού. Σαν αποτέλεσμα έχουν αναφερθεί στη διεθνή βιβλιογραφία σημαντικά σφάλματα στην κλινική δοσιμετρία της βραχυθεραπείας. Στo πλαίσιo της παρούσας διατριβής έγινε μια προσπάθεια για τον εκσυγχρονισμό του δοσιμετρικού σχεδιασμού της βραχυθεραπείας στην κλινική πράξη, ώστε από δοσιμετρία εμφυτεύματος που αποτελεί από καταβολής της, να εξελιχθεί σε πραγματικά εξατομικευμένο δοσιμετρικό σχεδιασμό που λαμβάνει υπόψη την πραγματική γεωμετρία και τις ανομοιογένειες κάθε ασθενούς. Σχετικά πρόσφατα έχει προταθεί στη διεθνή βιβλιογραφία η χρησιμοποίηση μεθόδου επίλυσης της γραμμικής εξίσωσης διάδοσης Boltzman στη δοσιμετρία της βραχυθεραπείας. Η μέθοδος αυτή καλείται και μέθοδος «διακριτών μεταβλητών» καθώς βασίζεται στη «διακριτοποίηση» (discretisation) των μεταβλητών (ενέργεια, χώρος, κατεύθυνση) για το ντετερμινιστικό καθορισμό της ενεργειακής ροής φωτονίων σε κάθε σημείο τυχούσας γεωμετρίας. Η υπολογιστική και πειραματική δοκιμασία επιδόσεων της μεθόδου αυτής για την τεκμηρίωση της δυνατότητας επίτευξης κλινικά αποδεκτής ακρίβειας σε χρόνο υπολογισμού κατάλληλο για κλινικό περιβάλλον, αποτέλεσε το κυρίως αντικείμενο της διδακτορικής διατριβής μέσω της χρήσης του νέου εμπορικά διαθέσιμου συστήματος σχεδιασμού βραχυθεραπείας BrachyvisionTM και κατόπιν ανάθεσης της δοσιμετρικής του επικύρωσης από την εταιρεία Varian Medical Systems, η οποία και ενσωμάτωσε αποτελέσματα της εργασίας αυτής στην εξελιγμένη έκδοση του εμπορικού συστήματος σχεδιασμού θεραπείας. Ως φυσικό ακόλουθο των παραπάνω και στην προσπάθεια διατήρησης της παγκόσμιας ομοιομορφίας της κλινικής πρακτικής, προτάθηκε μια μέθοδος ποιοτικού ελέγχου των σταδιακά εισαγόμενων σύγχρονων συστημάτων σχεδιασμού βραχυθεραπείας, τα οποία εκτελούν δοσιμετρικούς υπολογισμούς βασιζόμενα στους προηγμένους αυτούς αλγορίθμους υπολογισμού της δόσης. Τέλος, στο πλαίσιο δοκιμασίας επιδόσεων εναλλακτικών μεθόδων δοσιμετρίας στη βραχυθεραπεία, αναπτύχθηκε μία μέθοδος καθορισμού των δοσιμετρικών αβεβαιοτήτων που οφείλονται στα κατασκευαστικά χαρακτηριστικά των πηγών, και έγιναν υπολογισμοί του παράγοντα διέλευσης ακτινοβολίας φωτονίων βάσει μονο-ενεργειακών δεδομένων, για χρήση στην ακτινοπροστασία εφαρμογών βραχυθεραπείας.