Düzleştirici filtresiz tedavi sistemleri için kalem huzme kerneli geliştirilmesi
Development of pencil beam kernel for flattening filter free treatment systems
Yazar: MEHMET ERTUĞRUL ERTÜRK
Danışman: PROF. DR. CEMİL KOCAR ; PROF. DR. MEHMET TOMBAKOĞLU
Hacettepe Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Nükleer Enerji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Nükleer Mühendislik = Nuclear Engineering
Dizin: Monte Carlo benzetimi = Monte Carlo simulation ; Radyasyon fiziği = Radiation physics

Özet:
Kalem huzme algoritması radyoterapide radyasyon dozunun hesaplamasında kullanılan hızlı ve güvenli bir yöntemdir. Bu algoritma düzleştirici filtre kullanılarak elde edilen x-ışınlarına göre geliştirilmiştir. Bu çalışmada amaçlanan, düzleştirici filtresiz x-ışını enerjilerinin ışın karakteristiğinden faydalanarak kalem huzme kernellerini geliştirilmek ve geliştirilen bu kerneller ile heterojen ortamlarda etkin çalışacak bir hesap modeli oluşturmaktır. Heterojen ortamlarda doz hesabının her ortama ait kernellerle yapılması amaçlanmaktadır. Düzleştirici filtresiz x-ışını enerjilerinin farklı ortamlardaki doz dağılımı verileri su fantomu ölçümleri ve Monte Carlo benzeşimi ile elde edilmiştir. Monte Carlo benzeşimi için Varian firması tarafından sağlanan faz-uzay verileri kullanılmıştır. Kernel parametrelerini elde etmek için optimizasyon yöntemi kullanılmıştır. Optimizasyonda ceza fonksiyonu olarak gama analizi yöntemi kullanılmıştır. Optimizasyonla elde edilen kernel parametreleri kullanılarak, iki boyutlu ayrık konvolüsyon hesaplaması ile doz dağılımı hesaplanmıştır. Hesaplanan doz dağılımı ile su fantomu ölçümlerinden elde edilen doz profilleri gama analizi yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Hesaplanan doz dağılımı kullanılarak profildeki her bir ölçüm noktasına ait gama değerleri hesaplanmıştır. Elde edilen kernel ile hesaplanan dozun doğruluğu gama analizi yöntemi kullanılarak üç farklı şekilde kontrol edilmiştir. İlk yöntemde, kernel parametreleri elde etmek için kullanılan profiller ile elde edilen kernel kullanılarak hesaplanan doz profilleri karşılaştırılmıştır. Gama analizi kriterleri 1 mm %1 doz farkıdır ve eşik dozu %10'dur. İkinci yöntemde çok yapraklı kolimatörler ile şekillendirilmiş alanlar kullanılmıştır. Bu alanlardan yapılan ışınlamaların iki boyutlu dedektör aracılığıyla belirli derinliklerde doz haritaları elde edilmiştir. Karşılaştırma kriteri olarak 3 mm %3 doz farkı ve %10 eşik değeri kullanılmıştır. Karşılaştırma sonucunda elde edilen geçme oranları %95'in üstündedir. Üçüncü karşılaştırma yöntemi olarak yoğunluk ayarlı radyoterapi (YART) alanlarının ışınlanmasıyla elde edilen iki boyutlu doz haritaları kullanılmıştır. Karşılaştırmada çok yapraklı kolimatörler ile ışınlanan alanlarda kullanılan kriterler kullanılmıştır. %99'un üzerinde bir geçme oranı elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci aşamasında kalem huzme algoritması ile ortamda soğrulan doz hesabının yapılabilirliği incelenmiştir. Bu amaçla, farklı homojen ortamlardan elde edilen kerneller ile doz dağılımı hesaplaması yapılmıştır. Heterojen ortamlardaki doz dağılımını hesaplamak amacıyla dikey ve yatay yönde doz dağılımı hesabında kullanılan iki ayrı kernel oluşturulmuştur. Heterojen ortamlar için hesaplama sonucunda elde edilen doz dağılımı, Monte Carlo benzeşimi ile elde edilen doz dağılımı ile gama analizi yöntemi kullanılarak karşılaştırılmış. Yatay düzlemdeki doz dağılımının karşılaştırılmasında kriter olarak 2 mm %2 doz farkı kullanılmıştır. Eşik değeri %10'dur. Karşılaştırma sonucunda %95'in üzerinde geçme oranı elde edilmiştir. İkinci aşamanın ikinci bölümünde geri ve ileri saçılma bileşenleri olan yüzde derin doz modeli önerilmiştir. Farklı fantomlar için kalem huzme algoritması ve Monte Carlo yöntemi ile yüzde derin doz eğrileri elde edilmiştir. Bu eğriler gama analizi yöntemi ile karşılaştırılmıştır. Karşılaştırma kriteri olarak 3 mm %3 doz farklı kullanılarak %95'in üzerinde geçme oranı elde edilmiştir. Sonuç olarak, düzleştirici filtresiz x-ışını enerjilerinde ışın karakteristiği göz önünde bulundurularak kerneller yeniden tanımlanabilir. Bu yeniden tanımlanma ile kerneldeki parametre sayısı azaltılabilir. Böylece hesaplama süresi kısaltılabilir. Ayrıca, ortamda soğrulan doz yaklaşımı kalem huzme algoritmasında kullanılabilir.

Abstract:
Pencil beam algorithm is a fast and accurate method for dose computation at Radiotherapy. This algorithm was developed for filtered x-ray energies. The aim of this study was developing pencil beam kernels by utilizing x-ray characteristics of flattening filter free energy, and build a calculation model working at inhomogeneous medium. It was also purposed to make dose calculation at inhomogeneous medium kernel of each medium. Dose distribution data of flattening filter free x-ray at different mediums were gotten with water phantom measurements and Monte Carlo modeling. Phase-space data provided by Varian were used for Monte Carlo modeling. Optimization method was used to obtain kernel parameters. Gama analysis method was used as penalty function at optimization. Dose distribution was obtained with two dimensional discrete convolutions by using these kernel parameters. Gama values of each measurement points were calculated on dose profile by using calculated dose distribution. Accuracy of dose distributions, which were calculated with evaluated kernels, was controlled with three different methods by using gamma analysis technique. At the first, measured profiles used for kernel evaluation were compared with profiles that were calculated with evaluated kernels. Criteria's of gamma analysis were 1 mm distance to agreement, 1% dose difference and the threshold was 10%. Multileaf collimator shaped fields were used at the second stage of calculation accuracy control.  Validity of evaluated kernel was controlled with shaped field with multileaf collimators (MLC) at the second phase. Dose maps of irradiated MLC shaped fields at different depths were measured with two dimensional detector. Criteria's of gamma analysis were 3 mm 3% dose difference criteria and with 10% threshold. Passing ratio of each comparison was found greater than 95%. Acquired dose maps by irradiation of intensity modulated radiation therapy (IMRT) field were used at the third phase of the comparison. Criteria were used at MLC shaped fields were also used in this phase, and a passing ratio greater than 99% were achieved. At the second stage, capability of dose to medium calculation ability of pencil beam algorithm was investigated. Thus, dose distributions were calculated with the kernels evaluated from different homogeneous mediums. In order to calculate dose distributions at heterogeneous medium, two different kernels were prepared for calculate dose distribution at depth and lateral directions. Dose distributions evaluated at heterogeneous mediums pencil beam calculation were compared with dose distributions evaluated with Monte Carlo simulation by using gamma analysis method. Criteria used for comparison of lateral dose distribution were 2 mm 2% with 10% threshold. A passing ratio greater than 95% was achieved. At the second part of the second stage a percentage depth dose calculation model with forward scatter and backward scatter kernel was suggested. Percentage depth dose curves evaluated with pencil beam algorithm and Monte Carlo methods for different phantoms. These curves were compared with gamma analysis method. Passing ratio's greater than 95% were achieved by the criteria of 3 mm 3%. As a result, the kernels can be redefined by considering the beam characteristics of the flattening filter free x-ray energies. With this redefinition, the number of parameters in the kernel can be reduced. Thus, the calculation time can be shortened. In addition, dose to medium approach can be used in the pencil beam algorithm.