Brakiterapi doz hesaplamalarında organ dozundaki belirsizliklerin analizi
Analysis of uncertainties in organ dose in brachytherapy dose calculations
Yazar: SİBEL SARIAYDIN
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEKİN YEĞİN
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nükleer Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Brakiterapi = Brachytherapy

Özet:
Brakiterapi tedavi planlama sistemlerinde doz hesaplamaları, Amerikan Tıp Fizikçiler Birliği (AAPM) TG-43 raporu tarafından önerilmiş doz hesaplama formülasyonu kullanılarak, homojen ve sonsuz bir su ortamında yapılmaktadır. Son zamanlarda, TG-43 formülasyonuna alternatif olarak geliştirilen model tabanlı doz hesaplama algoritmaları (MBDCAs), yüksek doz hızlı (HDR) 192Ir brakiterapi uygulamaları için, günümüz tedavi planlama sistemlerinde mevcut hale gelmiştir. TG-43 formülasyonunun aksine bu algoritmalar, gerçek hasta boyutlarını ve doku heterojenliklerini dikkate almaktadır. MBDCA' ları için temel teşkil eden ve gerçek hasta verilerine dayalı olarak heterojen bir doku ortamında doz hesabı yapabilen Monte Carlo (MC) tabanlı algoritmalar, henüz klinik HDR 192Ir brakiterapi uygulamalarına dahil edilmemiştir. Bununla birlikte, MBDCA ve TG-43 tabanlı doz hesaplamaları arasındaki farklılıkların değerlendirilmesi amacıyla, MC yöntemleri ile yapılmış test durum planlarına gerek duyulmaktadır. Bu tez çalışması, MBDCA' larının klinik kullanımı için gerekli olan verinin oluşturulabilmesi ve doz hesaplamalarında belirsizliğe neden olan faktörlerin incelenebilmesi amacıyla üç aşamadan oluşmaktadır.  İlk aşamada, HDR kaynak modelleri için hazırlanan AAPM TG-229 raporu dikkate alınarak, 192Ir HDR kaynakları için sıvı su ortamında MC tabanlı BrachyDose kod sistemi ile güncel TG-43 dozimetrik veri kümeleri elde edilmiş ve literatürdeki diğer çalışmaların veri kümeleriyle karşılaştırılmalı olarak sunulmuştur. Bu tez çalışmasında doz hızı sabiti ve radyal doz fonksiyonu değerlerinin ( kaynağa yakın radyal mesafeler için  ) diğer literatür sonuçları ile yakın bir uyum içinde olduğu gözlenmiştir. İkinci aşamada, bu çalışmada elde edilen dozimetrik veri kümeleri dikkate alınarak, hasta dozunun tahminlenmesinde etkisi olan faktörlerin doğru bir şekilde belirlenebilmesine yönelik, TG-43 dozimetri parametreleri üzerine detaylı birtakım analizler gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar incelendiğinde, kaynaktan 0.5 cm' den daha yakın mesafeler için elde edilen doz dağılımları ile kaynaktan uzak mesafeler için hesaplanan doz değerleri arasındaki farklılıkların, dozimetrik parametrelerin seçimine bağlı olduğu görülmüştür. Üçüncü aşamada, ortam materyallerinin doz hesaplamalarında oluşturacağı etkiyi incelemek amacıyla, sonsuz bir su ortamında MC tabanlı BrachyDose kod sistemi kullanılarak hesaplanan doz değerleri, heterojen bir ortamda gerçek saçılma koşulları dikkate alınarak hesaplanan doz değerleri ile karşılaştırılmıştır. Su ve doku ortamları için elde edilen doz hacim grafiklerinden (DVH), planlanan hedef hacmin %90' nını kapsayan D90 doz değerleri arasında ~%4' lük bir farkın meydana geldiği gözlenmiştir. Bu tez çalışması kapsamında elde edilen dozimetrik sonuçlar incelendiğinde, hasta tarafından alınan gerçek organ dozlarının, doku eşdeğeri bir ortam kullanıldığında, suda hesaplanan doz değerlerinden farklı olacağı görülmektedir.

Abstract:
Dose calculations in brachytherapy treatment planning systems are performed in a homogeneous and infinite water environment using dose calculation formalism recommended by AAPM TG-43 report. Recently, model-based dose calculation algorithms developed as an alternative to TG-43 formalism have become available in the nowadays treatment planning systems for high-dose rate 192Ir brachytherapy applications. In contrast to TG-43 formalism, these algorithms take into account the actual patient sizes and tissue heterogeneities. Monte Carlo (MC) based algorithms, which are the basis for model-based dose calculation algorithms and which can calculate doses in a heterogeneous tissue media based on actual patient data, have not yet been included in clinical HDR 192Ir brachytherapy applications. However, in order to evaluate the differences between MBDCA and TG-43 based dose calculations, test case plans with MC methods are required. This thesis study consists of three stages in order to generate the data required for clinical use of MBDCA and to investigate the factors causing uncertainty in dose calculations. In the first stage, taking into account of the AAPM TG-229 report prepared for HDR source models, the current TG-43 dosimetric data sets were obtained with MC-based BrachyDose code system for 192Ir HDR sources and presented in comparison with the data sets of other studies in the literature. In this study, it was observed that the radial dose function values (for radial distances close to the source  ) and dose rate constant were in close agreement with the other literature results. In the second step, detailed analyses were performed on TG-43 dosimetry parameters in order to accurately determine the factors affecting the patient dose estimation by taking into account the dosimetric data sets obtained in this study. When the results were examined, it was observed that the differences between the dose distributions obtained for distances less than 0.5 cm from the source and the calculated dose values for long distances from the source were dependent on the selection of dosimetric parameters. In the third step, in order to investigate the effect of medium materials on dose calculations, the dose values calculated using MC-based BrachyDose code system in an infinite water environment were compared with the calculated dose values considering the actual scattering conditions in a heterogeneous media. From the dose-volume graphs (DVH) obtained for water and tissue environments, a ~4% difference was observed between the D90 dose values, which included 90% of the planned target volume. When the dosimetric results obtained within the context of this thesis study are examined, it is seen that the actual organ doses taken by the patient will be different from the calculated dose values in the water when a tissue-equivalent medium is used.