Monte carlo simülasyonu ile ileri  radyoterapi planlarının lineer hızlandırıcı kayıt dosyaları üzerinden doz dağılım hesaplarının yapılması
Dose distribution calculations of advanced radiotherapy plans using monte carlo simulation based on linear accelerator treatment record files
Yazar: RECEP KANDEMİR
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KADİR AKGÜNGÖR ; PROF. DR. AYŞE NUR DEMİRAL
Dokuz Eylül Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Medikal Fizik Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Radyasyon Onkolojisi = Radiation Oncology

Özet:
Bu doktora çalışmasında, Monte Carlo simülasyonları kullanılarak Agility MLC (Multi-Leaf Collimator) başlıklı Elekta Synergy lineer hızlandırıcı cihazı başarıyla modellenmiş ve ileri radyoterapi planlarının (IMRT ve VMAT)  tedavi kayıt dosyaları üzerinden bağımsız (ikincil) doz hesaplamaları gerçekleştirilmiştir. Çalışmanın temel amacı, tedavi planlama sistemlerinden bağımsız olarak geliştirilen Monte Carlo hesaplama yöntemlerinin, tedavi kalite kontrol süreçlerinde güvenilir bir araç olarak kullanılabileceğini göstermektir.

Araştırma kapsamında, Elekta Synergy cihazının geometrik ve fiziksel özellikleri detaylı bir şekilde modellenmiş, faz-uzayı veri seti oluşturulmuş ve GAMOS yazılımı ile Monte Carlo simülasyon hesaplamaları yapılmıştır. Bu hesaplamalar, Beowulf bilgisayar kümesi üzerinde optimize edilmiş bir Python tabanlı otomasyon yazılımı ile eş zamanlı olarak çoklu bilgisayarlar ve sanal işlemciler kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Elde edilen doz dağılımları, Elekta MONACO tedavi planlama doz hesaplama sonuçları ile karşılaştırılmış ve gamma analizi sonuçlarına göre uyumlu veriler elde edilmiştir. Gamma geçme oranları, hesaplama yapılan voksel hacimlerinin boyutlarıyla orantılı kriterler temel alınarak analiz edilmiş ve sonuçlar kabul edilebilir sınırlar içinde bulunmuştur.

Bu çalışma, standart alan boyutlarında yapılan hesaplamaları, Agility$^{TM}$ MLC performans testlerini, post-model tedavi planlarını ve ileri radyoterapi teknikleri ile yapılan tedavi planlarının Monte Carlo doz dağılım hesaplamalarını kapsamaktadır. Tedavi kayıt dosyalarının Monte Carlo simülasyonlarıyla hesaplanması sayesinde, ölçüm cihazı kullanılmaksızın tedavi planlarının kalite kontrol çalışmaları gerçekleştirilmiştir. Elde edilen bulgular, Monte Carlo yönteminin klinik kalite kontrol süreçlerinde etkili bir araç olduğunu ve ileri radyoterapi planlarının tedavi kayıt dosyaları üzerinden güvenilir bir şekilde hesaplanabileceğini ortaya koymuştur.

Abstract:
In this doctorate study, the Agility MLC (Multi-Leaf Collimator) head equipped Elekta Synergy linear accelerator was successfully modeled using Monte Carlo simulations, and independent (secondary) dose calculations of advanced radiotherapy plans (IMRT and VMAT) were performed based on treatment log files. The primary aim of the study was to demonstrate that Monte Carlo calculation methods, developed independently of treatment planning systems (TPS), can serve as a reliable tool in treatment quality assurance (QA) processes.

As part of the research, the geometric and physical properties of the Elekta Synergy device were modeled, phase-space file generated, and Monte Carlo simulation calculations were carried out using the GAMOS software. These calculations were performed on a Beowulf computer cluster utilizing an optimized Python-based automation software that enabled simultaneous computations across multiple computers and virtual processors. The resulting dose distributions were compared with the dose calculation outputs of the Elekta MONACO treatment planning system, and consistent results were obtained according to gamma analysis. The gamma pass rates were analyzed based on criteria proportional to the voxel volumes of the calculated regions, and the results were found to be within acceptable limits.

This study encompasses calculations for standard field sizes, Agility$^{TM}$ MLC performance tests, post-model treatment plan evaluations, and Monte Carlo dose distribution calculations for advanced radiotherapy techniques. The ability to calculate treatment plans through Monte Carlo simulations of treatment log files has enabled the execution of treatment plan quality assurance studies without the use of measurement devices. The findings demonstrate that the Monte Carlo method is an effective tool in clinical quality assurance processes and that advanced radiotherapy plans can be reliably calculated based on treatment log files.