title: FLUKA Monte Carlo code as a tool for advanced evaluations of clinical proton plans
Creators: name: Rodriguez Acevedo, Naomi
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Monte Carlo Simulationen erlauben die Bewertung von Effekten, die bei der Plannung von Patientenbestrahlungen mit konventionellen Planungssystemen (eng. treatment planing system, TPS) nicht beurteilt werden können. Außerdem sind generische Monte Carlo Codes wie FLUKA aufgrund ihrer Flexibilität für Forschungszwecke im klinischen Umfeld und für komplexe Behandlungspläne geeignet. Um klinische Therapiepläne mit FLUKA auswerten zu können, war die Anpassung spezifischer Eingabeparameter erforderlich. Insbesondere mussten die einrichtungsspezifischen Kalibrierkurven, die die Umrechnung der Gewebemassendichten in Hounsfield-Einheiten definieren, angepasst werden. Auch das Strahlmodell musste für diesen Zweck adaptiert werden. Zur Überprüfung des Einflusses der oben genannten Parameter auf die simulierte Dosisverteilung wurden Therapiepläne mit dem von MedAustron in der klinischen Praxis eingesetzten Planungssystem "RayStation" erstellt. Zur Erstellung dieser Pläne wurden zwei verschiedene Phantome verwendet. Eines mit Materialien bekannter Dichte und eines mit gewebeäquivalenten Materialien. Die Pläne wurden für einen monoenergetischen Strahl mit nominalen Energien von 97.4 MeV bzw. 62.4 MeV optimiert. Die berechneten Dosisverteilungen wurden exportiert, mit dem Monte Carlo Code FLUKA neuberechnet und die Reichweiten der beiden Dosiskurven bei 80% der maximalen Dosis für jede Materialkategorie im Phantom verglichen. Die Abweichungen der Reichweiten der Dosisverteilungen von TPS und FLUKA liegen für alle drei Kalibrierkurven innerhalb der Auflösungsgrenze des TPS. Für bestimmte Materialkategorien sind die Abweichungen allerdings größer. Eine detailliertere Kalibrierung dieser Bereiche könnte daher in der Zukunft sinnvoll sein. Der Einfluss des Strahlmodells auf die Dosisverteilung wurde zunächst grob bewertet und zeigte eine Auswirkung vor allem im Plateaubereich der Bragg-Kurve. Außerdem wird ein Zusammenhang zwischen dem Fehlen des Strahlmodells in der FLUKA-Konfiguration und den Abweichungen in der Dosisverteilung vermutet. Insbesondere für Therapiepläne, bei denen der Strahl mit mehreren Materialien wechselwirkt. Schlussendlich konnte für den Fall des Teilchentherapiezentrums MedAustron gezeigt werden, dass Therapiepläne mit FLUKA evaluierbar sind, wenn sämtliche Eingabeparameter für die Simulationen miteinbezogen werden.
description: Monte Carlo simulations are powerful tools for evaluating the effects of patient irradiation that cannot be assessed using a standard treatment planning system (TPS) typically used at particle therapy centers like MedAustron. Furthermore, the flexibility of general purpose Monte Carlo codes such as FLUKA makes them suitable for research purposes in a clinical setting and for complex treatment plans. To assess clinical treatment plans using FLUKA, the commissioning of specific input parameters was necessary. This involved the recalculation of three facility-specific mass density to Hounsfield units (HU) calibration curves and the adaptation of the beam model. The treatment plans were created using the Raystation TPS, which is used by MedAustron in their clinical practice. The computed tomography (CT) scans of different phantoms were used, one with materials of known density and another made of tissue equivalent materials, to develop these plans. The plans were designed for a monoenergetic beam with nominal energies of 97.4 MeV and 62.4 MeV respectively. The dose distribution was recalculated using the Monte Carlo FLUKA code, and the ranges at 80% of the maximum dose for each material category in the phantom were compared. The differences in the range of the TPS and FLUKA recalculations for all three calibration curves are found within resolution limit of TPS. However, there are larger range differences for certain material categories. Therefore, a more detailed calibration of these regions may be of interest in the future. The impact of the beam model on the dose distribution was superficially evaluated, showing to have an effect mostly in the plateau region of the beam. It is also estimated that the absence of the beam model in the input configuration of FLUKA may lead to differences in dose distribution for plans where the beam interacts with multiple materials. In conclusion, the evaluation of specific treatment plans using FLUKA in a clinical setting is feasible, specially when considering all input parameters.