Analysis of cone-beam ct dose in image-guided radiation therapy for brain and prostate cancer patients via gpu-based Monte Carlo simulations

La radioterapia guidata da immagini (IGRT), grazie alle ripetute verifiche della posizione del paziente e della localizzazione del volume bersaglio, si è recentemente affermata come nuovo paradigma nella radioterapia, avendo migliorato radicalmente l’accuratezza nella somministrazione di dose a scopo terapeutico. Una promettente tecnica nel campo dell’IGRT è rappresentata dalla tomografia computerizzata a fascio conico (CBCT). La CBCT a kilovoltaggio, consente di fornire un’accurata mappatura tridimensionale dell’anatomia del paziente, in fase di pianificazione del trattamento e a ogni frazione del medisimo. Tuttavia, la dose da imaging attribuibile alle ripetute scansioni è diventata, negli ultimi anni, oggetto di una crescente preoccupazione nel contesto clinico. Lo scopo di questo lavoro è di valutare quantitativamente la dose addizionale somministrata da CBCT a kilovoltaggio, con riferimento a tre tipici protocolli di scansione per Varian OnBoard Imaging Systems (OBI, Palo Alto, California). A questo scopo sono state condotte simulazioni con codici Monte Carlo per il calcolo della dose, utilizzando il pacchetto gCTD, sviluppato sull’architettura della scheda grafica. L’utilizzo della GPU per sistemi server di calcolo ha permesso di raggiungere alte efficienze computazionali, accelerando le simulazioni Monte Carlo fino a raggiungere tempi di calcolo di ~1 min per un caso tipico. Inizialmente sono state condotte misure sperimentali di dose su un fantoccio d’acqua. I parametri necessari per la modellazione della sorgente di raggi X nel codice gCTD sono stati ottenuti attraverso un processo di validazione del codice al fine di accordare i valori di dose simulati in acqua con le misure nel fantoccio. Lo studio si concentra su cinquanta pazienti sottoposti a cicli di radioterapia a intensità modulata (IMRT). Venticinque pazienti con tumore al cervello sono utilizzati per studiare la dose nel protocollo standard-dose head e venticinque pazienti con tumore alla prostata sono selezionati per studiare la dose nei protocolli pelvis e pelvis spotlight. La dose media a ogni organo è calcolata. La dose media al 2% dei voxels con i valori più alti di dose è inoltre computata per ogni organo, al fine di caratterizzare l’omogeneità spaziale della distribuzione.

Finite Element Modeling of Spiral Frequency Steerable Acoustic Transducers (FSATs) for guided waves based Structural Health Monitoring of plate-like structures

Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging area of research associated to improvement of maintainability and the safety of aerospace, civil and mechanical infrastructures by means of monitoring and damage detection. Guided wave structural testing method is an approach for health monitoring of plate-like structures using smart material piezoelectric transducers. Among many kinds of transducers, the ones that have beam steering feature can perform more accurate surface interrogation. A frequency steerable acoustic transducer (FSATs) is capable of beam steering by varying the input frequency and consequently can detect and localize damage in structures. Guided wave inspection is typically performed through phased arrays which feature a large number of piezoelectric transducers, complexity and limitations. To overcome the weight penalty, the complex circuity and maintenance concern associated with wiring a large number of transducers, new FSATs are proposed that present inherent directional capabilities when generating and sensing elastic waves. The first generation of Spiral FSAT has two main limitations. First, waves are excited or sensed in one direction and in the opposite one (180 ̊ ambiguity) and second, just a relatively rude approximation of the desired directivity has been attained. Second generation of Spiral FSAT is proposed to overcome the first generation limitations. The importance of simulation tools becomes higher when a new idea is proposed and starts to be developed. The shaped transducer concept, especially the second generation of spiral FSAT is a novel idea in guided waves based of Structural Health Monitoring systems, hence finding a simulation tool is a necessity to develop various design aspects of this innovative transducer. In this work, the numerical simulation of the 1st and 2nd generations of Spiral FSAT has been conducted to prove the directional capability of excited guided waves through a plate-like structure.