Küçük alan radyoterapi tedavisinde kullanılan yüksek enerjili ışınların su ortamındaki doz dağılımlarının incelenmesi
Investigation of dose distributions of high energy beams used in small field radiotherapy treatment in water medium
Yazar: GÖRKEM AYDOĞDU
Danışman: DOÇ. DR. GÜLTEKİN YEĞİN
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Fizik Ana Bilim Dalı / Nükleer Fizik Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering
Dizin: Boyut etkisi = Size effect ; Monte Carlo Yöntemi = Monte Carlo Method ; Radyometri = Radiometry ; Radyoterapi = Radiotherapy

Özet:
Bu çalışmanın amacı, küçük alan radyoterapi uygulamalarında, tedavi planlama sistemi (TPS)' nde Monte Carlo tabanlı doz hesaplama algoritmalarının daha doğru doz tahminlemesi yapabilmelerine yönelik olarak voksel boyut etkilerinin araştırılmasıdır. Bu tez çalışmasında, cilt dokusunda ve deri altındaki yüzeye yakın bölgelerde doz dağılımları hesaplanarak voksel boyut etkileri incelendi. Tedavi alanı boyutu, ortam materyali ve foton enerjisi gibi fiziksel parametreler TPS' deki durumlar dikkate alınarak belirlendi. Doz hesaplamaları üç ayrı aşamada gerçekleştirildi. Bütün aşamalarda, EGSnrc Monte Carlo kodu tabanlı DOSXYZnrc kullanıcı kodu kullanıldı ve hasta vücudu 30x30x5 cm3 hacimli homojen bir su fantomu olarak kabul edildi. Doz dağılımları, farklı tedavi alanı boyutları, voksel boyutları ve foton enerjileri için z=1.0 cm' ye kadar farklı derinliklerde, yatayda ve X-ışını gelme doğrultusundaki düzlemde değişik senaryolarda ayrı ayrı hesaplandı. Birinci aşamada elde edilen sonuçlar değerlendirildiğinde, 1 MeV foton enerjisinde ideal voksel kenar uzunluk değerinin, alan boyutuna ve derinliğe bağlı olarak dikkate değer ölçüde değiştiği ortaya konuldu. İkinci aşamada 0.5x0.5 cm2 ve 3x3 cm2 tedavi alanlarında ve farklı foton enerjileri (2-10 MeV) için 1.0 cm derinliğe kadar farklı noktalardaki doz değerleri hesaplandı. İdeal voksel büyüklüklerinin, alan boyutuna, gelen foton enerjisine ve derinliğe bağlı olarak önemli şekilde değiştiği bulundu. Üçüncü aşamada 4 MV' lik bir hızlandırıcı başlığından çıkan X-ışını spektrumu için 0.5x0.5 cm2 ve 3x3 cm2 tedavi alanlarında doz hesaplamaları ayrı ayrı gerçekleştirildi. Monoenerjitik ve spektrum foton kaynakları kullanılarak elde edilen doz değerlerinin farklı olmasına rağmen ideal voksel kenar uzunluk değerlerinin birbirleriyle aynı olduğu gösterildi. Monte Carlo tekniği kullanılarak yapılan tüm hesaplamalarda ve her bir tedavi alanı için seçilen enerji ve geometri koşullarında 0.1 cm derinliğe kadar 0.01 cm voksel kenar uzunluk değerinin kullanılabilecek yatay düzlemdeki ideal voksel boyutu olduğu sonucuna varıldı. Küçük alanlar için güvenle kullanılabilecek voksel kenar uzunluk değerinin, hem spektrum hem de monoenerjitik foton kaynakları için, gelen foton enerjisi, tedavi alanın büyüklüğü ve derinlik değerlerindeki artışa bağlı olarak, daha büyük uzunluklarda seçilebileceği gösterildi. Geometri koşullarına göre tedavi alanı genişliği, gelen foton enerjisi ve derinliğe bağlı ideal voksel kenar uzunluk değerleri tablolar halinde sunuldu. Bu tablolarda detaylı olarak yer alan verilerin klinik kullanımda dikkate alınmaları halinde doz değerlerinin daha kesin bir şekilde hesaplanabileceği ve buna bağlı olarak da tedavi sonrasında hastalarda ortaya çıkabilecek hayati yan etkilerin önlenmesinde önemli katkı sağlanabileceği sonucuna varıldı.

Abstract:
The aim of this study is to investigate the voxel size effects of Monte Carlo-based dose calculation algorithms in small field radiotherapy applications and treatment planning system (TPS) for more accurate dose estimation. In this thesis study, voxel size effects were investigated by calculating dose distributions in skin tissue and subcutaneous field close to the surface. Physical parameters such as treatment field size, media material and photon energy were determined by considering the conditions in their TPS. Dose calculations were carried out in three separate stages. In all stages, the EGSnrc Monte Carlo code-based DOSXYZnrc user code was used and the patient's body was considered as a homogeneous water phantom with a volume of 30x30x5 cm3. Dose distributions were calculated separately in different scenarios for different treatment field sizes, voxel sizes and photon energies at different depths up to z=1.0 cm, horizontally and in the plane in the X-ray incident direction. When the results obtained in the first stage were evaluated, it was revealed that the ideal voxel edge length value at 1 MeV photon energy varies considerably depending on the field size and depth. In the second stage, dose values were calculated in 0.5x0.5 cm2 and 3x3 cm2 treatment areas and at different points up to 1.0 cm depth for different photon energies (2-10 MeV). Ideal voxel sizes were found to vary significantly depending on field size, incident photon energy and depth. In the third stage, dose calculations were carried out separately for the X-ray spectrum emanating from a 4 MV accelerator head in 0.5x0.5 cm2 and 3x3 cm2 treatment areas. Although the dose values obtained using monoenergetic and spectrum photon sources are different, the ideal voxel edge length values were shown to be the same. It was concluded that 0.01 cm voxel edge length value up to 0.1 cm depth is the ideal voxel size in the horizontal plane that can be used in all calculations using the Monte Carlo technique and under the selected energy and geometry conditions for each treatment area. It has been shown that the voxel edge length value that can be used safely for small field can be selected for larger lengths for both spectrum and monoenergetic photon sources, depending on the increase in the incident photon energy, the size of the treated area and the depth values. According to the geometry conditions, the treatment area width, incident photon energy and ideal voxel edge length values depending on the depth were presented in tables. It was concluded that if the data in these tables in detail are taken into account in clinical use, dose values can be calculated more precisely, and accordingly, a significant contribution can be made to the prevention of vital side effects that may occur in patients after treatment.