Akciğer kanserinin cyberknife ile stereotaktik radyoterapisinde ray-trace ve monte carlo hesaplama algoritmalarıyla elde edilen doz dağılımlarının karşılaştırılması
Comparison of dose distributions to obtained by ray-trace and monte carlo calculation algorithms for with cyberknife stereotactic radiotherapy of lung cancer
Yazar: İSMAİL FARUK DURMUŞ
Danışman: PROF. DR. GÖNÜL KEMİKLER
İstanbul Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Onkoloji Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2013
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Akciğer hastalıkları = Lung diseases ; Akciğer neoplazmları = Lung neoplasms ; Doz-cevap ilişkisi-ilaç = Dose-response relationship-drug ; Radyocerrahi = Radiosurgery ; Radyocerrahi = Radiosurgery ; Radyometri = Radiometry ; Radyoterapi = Radiotherapy ; Radyoterapi-bilgisayar yardımlı = Radiotherapy-computer assisted ; Stereotaksik teknikler = Stereotaxic techniques

Özet:
Stereotaktik Vucüt Radyoterapisi, vucüdun herhangi bir yerinde üç boyutlu(3B) koordinatları belirlenmiş küçük hacimli hedef volümlere, yüksek radyasyon dozlarının hipofraksiyone olarak uygulanmasıdır. Bu çalışmanın amacı, CyberKnife?da akciğer tümörlerinin tedavisinde MultiPlan tedavi planlama sisteminde Ray-Tracing(RT) ve Monte Carlo(MC) algoritmalarıyla hesaplanan doz dağılımlarının karşılaştırılması ve inhomojen fantomda film dozimetrisiyle algoritmaların verifikasyonunu sağlamaktır.
Film ölçümlerinde kolimatör(kon) boyutu küçüldükçe inhomojenite etkileri iyice artmaktadır. Kolimatör boyutu arttıkça homojen fantom ışınlamalarına yakın doz dağılımları elde edildi. İnhomojen fantom ışınlamasında film ölçümleri ile MC hesabıyla elde edilen doz dağılımı uyum içerisindedir. Ancak RT-algoritması lateral electron transportunu ihmal ettiği için akciğer eşdeğeri ortamlarda dozu doğru hesaplayamamaktadır.
MC-algoritması ile mukayese edildiğinde RT-algoritmasıyla hazırlanan 37 akciğer planının PTV ve GTV`nin tüm dozlarını daha fazla hesaplamıştır. Özellikle, hastaların tamamı göz önüne alındığında PTV için RT?de %96 olan doz kapsaması, MC?da %68,2?ye düşmektedir. Akciğerlerdeki tümörlerde, RT-algoritması, akciğerdeki soğurulmanın zayıflamasını ve tekrar build-up oluşmasını hesaplayamadığı için akciğerdeki ve tümör başlangıcındaki dozları fazla hesaplamaktadır.
Planların MC-algoritması ile hesaplatılıp %95 kapsama için yeniden normalize edilmesi durumunda toplam MU değerinde ortalama %14.3 artış olmaktadır. Kritik organların maksimum dozları da anlamlı olarak artmıştır. Küçük hacimli tümörlerde iki algoritma arasında PTV?nin dozları ve kapsanmasında büyük farklar bulunmuştur. Orta hacimli tümörlerde iki algoritmada benzer sonuçlar elde edilmiştir. Perifer ve merkezi yerleşimli lezyonlarda iki algoritma içinde doz dağılımları benzer çıkmıştır. Akciğer SBRT?de tümör kontrol olasılığı, tümöre uygulanan dozla ilişkilidir.
Sonuç olarak, RT algoritması düşük yoğunluklu yapılarda dozu düşük tahmin eder ve bu etki küçük kolimatörlerde baskındır. MC algoritmasıyla büyük doz farklılıkları oluşur. RT-algoritması targette düşük, kritik yapılarda ise yüksek doza sebep olur. Bu nedenle özellikle küçük akciğer tümörlerinin tedavisinde MC-algoritması tercih edilmelidir.
Anahtar Kelimeler: CyberKnife, İnhomojenite, Monte Carlo, Ray-Tracing, Akciğer SBRT

Abstract:
Stereotactic Body Radiation Therapy(SBRT) defines as hypofraction application of high radiation dose on a small target volume defined as a three dimensional (3D). The aim of this study are to compare dose distribution by Monte Carlo(MC) and Ray-Tracing(RT) algorithms for lung patient at MultiPlan treatment system and verification of algorithms by film dosimetry in inhomogeneous phantom.
Gafchromic EBT film measurements are consistent with MC calculations for single beam irradiations of inhomogenous phantom. Film dosimetry results show that the effects of inhomogeneity increases as the collimator size decreases. While the collimator size increases, the dose distributions are found similar results to that of a homogeneous phantom are obtained. For the RT algorithm, large discepencies in the dose and re-build area in the tumor behind lung are observed.
Thirty seven lung plans which were prepared with RT-algorithm are calculated with MC-algorithm. Compared with MC, RT consistently overestimates the minimum doses to the planning target volumes by an average of 14 %. RT-algorithm overestimates the dose in all PTV?s plan related data. While PTV dose coverage rate is %96 at RT, it drops to %68.2 at MC. RT-algorithm can not calculate lung absorption and re- build-up region. Therefore, RT algoritm overestimates in low-density structures. Large deviations of up to 45% in the dose re-build area in tumor behind lung were observed.
Chancing the calculation algoritm from RT to MC produced large differencies total MU value increases by %14.31. Consistent results are obtained at tumors with medium volumes. Dose distributions at central or peripheral lesions are similar between two algorithms. Tumor control probability at lung SBRT is related to application dose.
In conclusion, RT overestimates doses in low- density structures and this effect is more pronounced as collimator size decreases. This study demonstrates that changing the calculation algorithm from RT to MC produced large discrepancies in target and critical organ doses coverage. RT algorithm potentially results in underdosing of targets and overdosing of adjacent critical structures. MC algorithm should be preferred, especially in the treatment of small lung tumors.
Key Words: CyberKnife, Inhomogeneity, Monte Carlo, Ray-Tracing, Lung SBRT