Robotik kollu lineer hızlandırıcı cihazı tedavi planlamasında kullanılan monte carlo ve ray tracıng hesaplama algoritmalarının karşılaştırılması
Comparison of robotic arm linear accelerator device used in treatment planning  monte carlo calculations and ray tracing algorithm
Yazar: MELİH ULUER
Danışman: PROF. DR. MELTEM SERİN
Acıbadem Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Radyasyon Onkolojisi Ana Bilim Dalı / Radyoterapi Fiziği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Onkoloji = Oncology ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine
Dizin: Akciğer neoplazmları = Lung neoplasms ; Algoritmalar = Algorithms ; Işın izleme = Ray tracing ; Karsinoma-küçük hücreli olmayan-akciğer = Carcinoma-non small cell-lung ; Neoplazmlar = Neoplasms ; Radyasyon dozajı = Radiation dosage ; Radyoterapi-bilgisayar yardımlı = Radiotherapy-computer assisted

Özet:
Bu çalışmada, robotik kollu lineer hızlandırıcı cihazı tedavi planlamasında kullanılan Monte Carlo ve Ray Tracing hesaplama algoritmalarının karşılaştırılması amaçlanmıştır. Robotik kollu lineer hızlandırıcı cihazı ile yapılan uygulamalar,   "Ray Tracing" ve "Monte Carlo" hesaplama algoritmaları ile farklı fantom setler kullanılarak karşılaştırılmıştır. Ayrıca küçük hücre dışı akciğer kanseri tanısı alarak Cyberknife ile tedavi uygulama endikasyonu konulan 10 hastada tedavi planlamaları yine Ray Tracing ve Monte Carlo hesaplama algoritmaları kullanılarak karşılaştırılmıştır. Homojen ve heterojen ortamlardaki algoritma farklarını gözlemlemek amacı ile 3 farklı fantom set oluşturulmuştur ve iki algoritma ile doz dağılımları karşılaştırılmıştır. Fantom setlerindeki Monte Carlo hesaplamaları % 1'lik belirsizlik değeri ile hesaplatılmıştır. Küçük hücreli dışı akciğer kanserli hasta için  Ray Tracing ile Monte Carlo planları, aynı hedef  kapsanması ve aynı normalizasyon planları yapılarak iki farklı şekilde karşılaştırılmıştır. Ayrıca Monte Carlo algoritması % 0,5'lik, % 1'lik ve % 2'lik belirsizlik hesaplamaları kendi içinde karşılaştırılmıştır. Çalışmada hedef dozları; CI, HI, hedef  kapsam değeri, MU, sıcak nokta doz değerleri ve kritik organ dozları; spinal kord, karşı ve ışınlanan taraftaki akciğer dozları karşılaştırılmıştır. Yapılan hesaplamalar sonucunda, fantom setlerde iki algoritma arasında homojen ortamda % 2 fark gözlemlenirken, heterojen ortamlarda, yani hava yoğunluğu fazla setlerde referans ölçüm noktalarındaki doz değerlerinde ortalama  ± % 3 fark gözlemlenmiştir. Hasta planı karşılaştırılmalarında ise algoritmalar arasında ortalama % 14 'lük bir hedef kapsam farkı vardır ve Ray Tracing algoritmasının 54 Gy tanımlanan dozun Monte Carlo algoritması ile yapılan hesaplamalarda 46.5 Gy 'lik doza karşılık geldiği gözlemlenmiştir. Monte Carlo algoritmasında, Ray Tracing ile aynı hedef kapsanma değerine ulaşmak için ise, normalizasyon değeri ortalama % 5 azalmıştır. Monte Carlo algoritması farklı belirsizlik değerleri arasında yapılan planlarda ise hesaplama süreleri ve kritik organ dozları belirgin farklar yaratmıştır. Monte Carlo algoritması ile farklı belirsizlik değerlerinde yapılan planlamalar sonuncunda spinal kord maksimum dozunda anlamlı bir fark görülmemiştir (p = 0,232). Işınlanan ve karşı taraftaki akciğer minimum ve ortalama dozları incelendiğinde anlamlı fark olduğu görülmüştür (p = 0,001).  Ray Tracing ve Monte Carlo algoritmalarının, hedef kapsam değerleri aynı tutulatak yapılan planlarda spinal kord değerlerinde anlamlı bir farka ulaşılmıştır (p = 0,028), fakat normalizasyon değerleri aynı tutularak yapılan planlamalarda bu fark anlamsızdır (p = 0,508). Hedef kapsam değerleri aynı tutularak yapılan planlamalarda ışınlanan taraftaki akciğer dozlarında maksimum (p = 0,037), karşı taraftaki akciğer dozlarında ise minimum (p = 0,015) değerlerde anlamlı fark gözlemlenmiştir. Normalizasyon değerleri aynı tutularak yapılan planlarda ise ışınlanan taraftaki akciğer maksimum doz değerleri (p = 0,007) ile 20 Gray alan hacim (V20) değerlerinde  (p =  0,024) ve karşı taraftaki akciğer minimum (p = 0,011) ve ortalama (p = 0,011) dozlarında anlamlı farklar olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Monte Carlo, Ray Tracing, Cyberknife, Belirsizlik Değeri

Abstract:
In this study, we aimed to compare Monte Carlo and Ray Tracing calculation algorithms used in the robotic arm linear accelerator therapy planning. Different phantom sets were compared using Ray Tracing and Monte Carlo calculation algorithms of Cyberknife treatment planning system Multiplan. These calculation algorithms were also compared in 10 non-small cell lung cancer patients previously treated treatment plans with Cyberknife Stereotactic Radiotherapy. Three different phantom sets were created to the impact of homogeneous and heterogeneous media  on treatment planning algorithms. Monte Carlo algorithm has been calculated in phantom set with %1 uncertanity. All treatment plans have been made using similar target coverage and normalization values for both algorithms. Monte Carlo algorithm was also compared for  %0.5, %1 and %2 uncertanity values. Main objective is in this study was comparision of CI, HI target coverage values, MU's, hotpoint values, spinal cord and lung doses. Our results have shown a difference of %2 in homogeneous media phantom sets for two algorithms. Furthermore, in heterogeneous media which has more air density, both algorithms differ approximately ±% 3. When patient treatments plans compared, there is %14 diffrence in target coverage between RAT and MC algorithms. Total dose calculated as 54 Gy with Ray Tracing algorithm was found be 46.5 Gy when Monte Carlo algorithm was used. Normalization value of MC algorithm is decreased %5 to achieve the same coverage value of Ray Tracing algorithm.
There are significant differences in calculation times and critical organ doses for different uncertanity values.  There is no statistical significance on spinal cord values between different uncertanity values (p=0,232). When we look at irridiated and contralateral lung, we have found statistical significance (p = 0,001) between two algorithms. When same target coverage is used for RAT and MC calculation treatments, statistically significance was observed for spinal cord values (p = 0,028), but when same normalization value was used statistical significance was disappeared (p = 0,508). Target coverage values was also same with siggnificant difference, for maximum lung dose (p = 0.037) and for minimum lung dose (p = 0.015). When the normalization values were same a significant difference, was found for maximum dose at the ipsilateral lung (p = 0.007) and for volume which receives 20 Gray dose (V20) (p = 0.024) and for the minimum (p = 0.011) and mean contralateral lung dose (p = 0.011). 

.
Key words : Monte Carlo, Ray Tracing, Cyberknife, Uncertainity