Monte Carlo evaluation of collapsed-cone convolution calculations in head and neck radiotherapy treatment plans

The presence of air and bone interfaces makes the dose distribution for head and neck cancer treatments difficult to accurately predict. This study compared planning system dose calculations using the collapsed-cone convolution algorithm with EGSnrcMonte Carlo simulation results obtained using the Monte Carlo DICOMToolKit software, for one oropharynx, two paranasal sinus and three nodal treatment plans. The difference between median doses obtained from the treatment planning and Monte Carlo calculations was found to be greatest in two bilateral treatments: 4.8%for a retropharyngeal node irradiation and 6.7% for an ethmoid paranasal sinus treatment. These deviations in median dose were smaller for two unilateral treatments: 0.8% for an infraclavicular node irradiation and 2.8% for a cervical node treatment. Examination of isodose distributions indicated that the largest deviations between Monte Carlo simulation and collapsed-cone convolution calculations were seen in the bilateral treatments, where the increase in calculated dose beyond air cavities was most significant.

A simple method for EPID-based in vivo dosimetry for radiotherapy treatments of head-and-neck cancers

This study used a homogeneous water-equivalent model of an electronic portal imaging device (EPID), contoured as a structure in a radiotherapy treatment plan, to produce reference dose images for comparison with in vivo EPID dosimetry images. Head and neck treatments were chosen as the focus of this study, due to the heterogeneous anatomies involved and the consequent difficulty of rapidly obtaining reliable reference dose images by other means. A phantom approximating the size and heterogeneity of a typical neck, with a maximum radiological thickness of 8.5 cm, was constructed for use in this study. This phantom was CT scanned and a simple treatment including five square test fields and one off-axis IMRT field was planned. In order to allow the treatment planning system to calculate dose in a model EPID positioned a distance downstream from the phantom to achieve a source-to-detector distance (SDD) of 150 cm, the CT images were padded with air and the phantom’s “body” contour was extended to encompass the EPID contour. Comparison of dose images obtained from treatment planning calculations and experimental irradiations showed good agreement, with more than 90% of points in all fields passing a gamma evaluation, at γ (3%, 3mm )Similar agreement was achieved when the phantom was over-written with air in the treatment plan and removed from the experimental beam, suggesting that water EPID model at 150 cm SDD is capable of providing accurate reference images for comparison with clinical IMRT treatment images, for patient anatomies with radiological thicknesses ranging from 0 up to approximately 9 cm. This methodology therefore has the potential to be used for in vivo dosimetry during treatments to tissues in the neck as well as the oral and nasal cavities, in the head-and-neck region.

Anatomical modelling of the pregnant radiotherapy patient

This study aimed to take existing anatomical models of pregnant women, currently used for radiation pro-tection and nuclear medicine dose calculations, and adapt them for use in the calculation of fetal dose from external beam radiotherapy (EBRT). The models investigated were ‘KATJA’, which was provided as an MCNPX geometry file, and ‘RPI-P6’, which was provided in a simple, voxelized bina-ry format. In-house code was developed, to convert both mod-els into an `egsphant’ format, suitable for use with DOSXYZnrc. The geometries and densities of the resulting phantoms were evaluated and found to accurately represent the source data. As an example of the use of the phantoms, the delivery of a cranial EBRT treatment was simulated using the BEAMnrc and DOSXYZnrc Monte Carlo codes and the likely out-of-field doses to the fetus in each model was calculated. The results of these calculations showed good agreement (with-in one standard deviation) between the doses calculated in KATJA and PRI-P6, despite substantial anatomical differ-ences between the two models. For a 36 Gy prescription dose to a 233.2 cm3 target in the right brain, the mean doses calcu-lated in a region of interest covering the entire uterus were 1.0 +/- 0.6 mSv for KATJA and 1.3 +/- 0.9 mSv for RPI-P6. This work is expected to lead to more comprehensive studies of EBRT treatment plan design and its effects on fetal dose in the future.

Suitability of diodes for point dose measurements in IMRT/VMAT beams

This study investigated a potential source of inaccuracy for diode measurements in modulated beams; the effect of diode housing asymmetry on measurement results. The possible effects of diode housing asymmetry on the measurement of steep dose gradients were evaluated by measuring 5x5 cm2 beam profiles, with three cylindrical diodes and two commonly used ionization chambers, with each dosimeter positioned in a 3D scanning water tank with its stem perpendicular to the beam axis (horizontal) and parallel to the direction of scanning. The resulting profiles were used to compare the penumbrae measured with the diode stem pointing into (equivalent to a “stem-first” setup) and out of the field (equivalent to a “stem-last” setup) in order to evaluate the effects of dosimeter alignment and thereby identify the effects of dosimeter asymmetry. The stem-first and stem-last orientations resulted in differences of up to 0.2 mm in the measured 20-80% penumbra widths and differences of up to 0.4 mm in the off axis position of the 90% isodose. These differences, which are smaller than previously reported for older model dosimeters, were apparent in the profile results for both diodes and small volume ionization chambers. As an extension to this study, the practical use of all five dosimeters was exemplified by measuring point doses in IMRT test beams. These measurements showed good agreement (within 2%) between the diodes and the small volume ionization chamber, with all of these dosimeters being able to identify a region 3% under-dosage which was not identified by a larger volume (6 mm diameter) ionization chamber. The results of this work should help to remove some of the barriers to the use of diodes for modulated radiotherapy dosimetry in the future.

Interplay of MLC, gantry and respiratory motion during DCAT delivery

This study investigated the possible interplay effects arising from the treatment of moving targets using the dynamic conformal arc therapy (DCAT) technique. Dose from a modulated test beam was measured, with and without phantom motion and with and without a 30o arc rotation, using a diode array placed on a sinusoidally moving platform. Measurements were repeated at five different collimator angles (0, 22.5, 45, 67.5 and 90o), at two different dose rates (300 and 600 MU/min). Results showed that the effect of respiratory motion on the measured dose distribution increased slightly when the beams were delivered as arcs, rather than with a static gantry angle, and that this effect increased substantially as the collimator angle was increased from 0o (MLC motion perpendicular to respiratory motion) to 90o (MLC motion parallel to respiratory motion). The dose oscillations arising from interplay between phantom and MLC motion were found to increase in magnitude when the dose rate was increased. These results led to the development of simple recommendations for minimizing the negative effects of motion interplay on DCAT dose distributions

Use of 3D printed materials as tissue-equivalent phantoms

This study used the specific example of 3D printing with acrylonitrile butadiene styrene (ABS) as a means to investigate the potential usefulness of benchtop rapid prototyping as a technique for producing patient specific phantoms for radiotherapy dosimetry. Three small cylinders and one model of a human lung were produced via in-house 3D printing with ABS, using 90%, 50%, 30% and 10% ABS infill densities. These phantom samples were evaluated in terms of their geometric accuracy, tissue equivalence and radiation hardness, when irradiated using a range of clinical radiotherapy beams. The measured dimensions of the small cylindrical phantoms all matched their planned dimensions, within 1mm. The lung phantom was less accurately matched to the lung geometry on which it was based, due to simplifications introduced during the phantom design process. The mass densities, electron densities and linear attenuation coefficients identified using CT data, as well as the results of film measurements made using megavoltage photon and electron beams, indicated that phantoms printed with ABS, using infill densities of 30% or more, are potentially useful as lung- and tissue-equivalent phantoms for patient-specific radiotherapy dosimetry. All cylindrical 3D printed phantom samples were found to be unaffected by prolonged radiation and to accurately match their design specifications. However, care should be taken to avoid oversimplifying anatomical structures when printing more complex phantoms.

Patient doses in ct, dental cone beam ct and projection radiography in Finland, with emphasis on paediatric patients

Diagnostic radiology represents the largest man-made contribution to population radiation doses in Europe. To be able to keep the diagnostic benefit versus radiation risk ratio as high as possible, it is important to understand the quantitative relationship between the patient radiation dose and the various factors which affect the dose, such as the scan parameters, scan mode, and patient size. Paediatric patients have a higher probability for late radiation effects, since longer life expectancy is combined with the higher radiation sensitivity of the developing organs. The experience with particular paediatric examinations may be very limited and paediatric acquisition protocols may not be optimised. The purpose of this thesis was to enhance and compare different dosimetric protocols, to promote the establishment of the paediatric diagnostic reference levels (DRLs), and to provide new data on patient doses for optimisation purposes in computed tomography (with new applications for dental imaging) and in paediatric radiography. Large variations in radiation exposure in paediatric skull, sinus, chest, pelvic and abdominal radiography examinations were discovered in patient dose surveys. There were variations between different hospitals and examination rooms, between different sized patients, and between imaging techniques; emphasising the need for harmonisation of the examination protocols. For computed tomography, a correction coefficient, which takes individual patient size into account in patient dosimetry, was created. The presented patient size correction method can be used for both adult and paediatric purposes. Dental cone beam CT scanners provided adequate image quality for dentomaxillofacial examinations while delivering considerably smaller effective doses to patient compared to the multi slice CT. However, large dose differences between cone beam CT scanners were not explained by differences in image quality, which indicated the lack of optimisation. For paediatric radiography, a graphical method was created for setting the diagnostic reference levels in chest examinations, and the DRLs were given as a function of patient projection thickness. Paediatric DRLs were also given for sinus radiography. The detailed information about the patient data, exposure parameters and procedures provided tools for reducing the patient doses in paediatric radiography. The mean tissue doses presented for paediatric radiography enabled future risk assessments to be done. The calculated effective doses can be used for comparing different diagnostic procedures, as well as for comparing the use of similar technologies and procedures in different hospitals and countries.

Étude des facteurs de perturbation de chambres d’ionisation sous conditions non standard

Durant la dernière décennie, les développements technologiques en radiothérapie ont transformé considérablement les techniques de traitement. Les nouveaux faisceaux non standard améliorent la conformité de la dose aux volumes cibles, mais également complexifient les procédures dosimétriques. Puisque des études récentes ont démontré l’invalidité de ces protocoles actuels avec les faisceaux non standard, un nouveau protocole applicable à la dosimétrie de référence de ces faisceaux est en préparation par l’IAEA-AAPM. Le but premier de cette étude est de caractériser les facteurs responsables des corrections non unitaires en dosimétrie des faisceaux non standard, et ainsi fournir des solutions conceptuelles afin de minimiser l’ordre de grandeur des corrections proposées dans le nouveau formalisme de l’IAEA-AAPM. Le deuxième but de l’étude est de construire des méthodes servant à estimer les incertitudes d’une manière exacte en dosimétrie non standard, et d’évaluer les niveaux d’incertitudes réalistes pouvant être obtenus dans des situations cliniques. Les résultats de l’étude démontrent que de rapporter la dose au volume sensible de la chambre remplie d’eau réduit la correction d’environ la moitié sous de hauts gradients de dose. Une relation théorique entre le facteur de correction de champs non standard idéaux et le facteur de gradient du champ de référence est obtenue. En dosimétrie par film radiochromique, des niveaux d’incertitude de l’ordre de 0.3% sont obtenus par l’application d’une procédure stricte, ce qui démontre un intérêt potentiel pour les mesures de faisceaux non standard. Les résultats suggèrent également que les incertitudes expérimentales des faisceaux non standard doivent être considérées sérieusement, que ce soit durant les procédures quotidiennes de vérification ou durant les procédures de calibration. De plus, ces incertitudes pourraient être un facteur limitatif dans la nouvelle génération de protocoles.

Étude des artefacts en tomodensitométrie par simulation Monte Carlo

En radiothérapie, la tomodensitométrie (CT) fournit l’information anatomique du patient utile au calcul de dose durant la planification de traitement. Afin de considérer la composition hétérogène des tissus, des techniques de calcul telles que la méthode Monte Carlo sont nécessaires pour calculer la dose de manière exacte. L’importation des images CT dans un tel calcul exige que chaque voxel exprimé en unité Hounsfield (HU) soit converti en une valeur physique telle que la densité électronique (ED). Cette conversion est habituellement effectuée à l’aide d’une courbe d’étalonnage HU-ED. Une anomalie ou artefact qui apparaît dans une image CT avant l’étalonnage est susceptible d’assigner un mauvais tissu à un voxel. Ces erreurs peuvent causer une perte cruciale de fiabilité du calcul de dose. Ce travail vise à attribuer une valeur exacte aux voxels d’images CT afin d’assurer la fiabilité des calculs de dose durant la planification de traitement en radiothérapie. Pour y parvenir, une étude est réalisée sur les artefacts qui sont reproduits par simulation Monte Carlo. Pour réduire le temps de calcul, les simulations sont parallélisées et transposées sur un superordinateur. Une étude de sensibilité des nombres HU en présence d’artefacts est ensuite réalisée par une analyse statistique des histogrammes. À l’origine de nombreux artefacts, le durcissement de faisceau est étudié davantage. Une revue sur l’état de l’art en matière de correction du durcissement de faisceau est présentée suivi d’une démonstration explicite d’une correction empirique.

Implantation et validation d’un modèle Monte Carlo du Cyberknife dans un outil de calcul de dose clinique

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Développement d'un nouveau critère pour déterminer les limites d'utilisation des détecteurs en dosimétrie non standard

Depuis quelques années, il y a un intérêt de la communauté en dosimétrie d'actualiser les protocoles de dosimétrie des faisceaux larges tels que le TG-51 (AAPM) et le TRS-398 (IAEA) aux champs non standard qui requièrent un facteur de correction additionnel. Or, ces facteurs de correction sont difficiles à déterminer précisément dans un temps acceptable. Pour les petits champs, ces facteurs augmentent rapidement avec la taille de champ tandis que pour les champs d'IMRT, les incertitudes de positionnement du détecteur rendent une correction cas par cas impraticable. Dans cette étude, un critère théorique basé sur la fonction de réponse dosimétrique des détecteurs est développé pour déterminer dans quelles situations les dosimètres peuvent être utilisés sans correction. Les réponses de quatre chambres à ionisation, d'une chambre liquide, d'un détecteur au diamant, d'une diode, d'un détecteur à l'alanine et d'un détecteur à scintillation sont caractérisées à 6 MV et 25 MV. Plusieurs stratégies sont également suggérées pour diminuer/éliminer les facteurs de correction telles que de rapporter la dose absorbée à un volume et de modifier les matériaux non sensibles du détecteur pour pallier l'effet de densité massique. Une nouvelle méthode de compensation de la densité basée sur une fonction de perturbation est présentée. Finalement, les résultats démontrent que le détecteur à scintillation peut mesurer les champs non standard utilisés en clinique avec une correction inférieure à 1%.

Méthodes de génération et de validation de champs de déformation pour la recombinaison de distribution de dose à l’aide d’images 4DCT dans le cadre d’une planification de traitement de cancers pulmonaires

Des efforts de recherche considérables ont été déployés afin d'améliorer les résultats de traitement de cancers pulmonaires. L'étude de la déformation de l'anatomie du patient causée par la ventilation pulmonaire est au coeur du processus de planification de traitement radio-oncologique. À l'aide d'images de tomodensitométrie quadridimensionnelles (4DCT), une simulation dosimétrique peut être calculée sur les 10 ensembles d'images du 4DCT. Une méthode doit être employée afin de recombiner la dose de radiation calculée sur les 10 anatomies représentant une phase du cycle respiratoire. L'utilisation de recalage déformable d'images (DIR), une méthode de traitement d'images numériques, génère neuf champs vectoriels de déformation permettant de rapporter neuf ensembles d'images sur un ensemble de référence correspondant habituellement à la phase d'expiration profonde du cycle respiratoire. L'objectif de ce projet est d'établir une méthode de génération de champs de déformation à l'aide de la DIR conjointement à une méthode de validation de leur précision. Pour y parvenir, une méthode de segmentation automatique basée sur la déformation surfacique de surface à été créée. Cet algorithme permet d'obtenir un champ de déformation surfacique qui décrit le mouvement de l'enveloppe pulmonaire. Une interpolation volumétrique est ensuite appliquée dans le volume pulmonaire afin d'approximer la déformation interne des poumons. Finalement, une représentation en graphe de la vascularisation interne du poumon a été développée afin de permettre la validation du champ de déformation. Chez 15 patients, une erreur de recouvrement volumique de 7.6 ± 2.5[%] / 6.8 ± 2.1[%] et une différence relative des volumes de 6.8 ± 2.4 [%] / 5.9 ± 1.9 [%] ont été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Une distance symétrique moyenne 0.8 ± 0.2 [mm] / 0.8 ± 0.2 [mm], une distance symétrique moyenne quadratique de 1.2 ± 0.2 [mm] / 1.3 ± 0.3 [mm] et une distance symétrique maximale 7.7 ± 2.4 [mm] / 10.2 ± 5.2 [mm] ont aussi été calculées pour le poumon gauche et droit respectivement. Finalement, 320 ± 51 bifurcations ont été détectées dans le poumons droit d'un patient, soit 92 ± 10 et 228 ± 45 bifurcations dans la portion supérieure et inférieure respectivement. Nous avons été en mesure d'obtenir des champs de déformation nécessaires pour la recombinaison de dose lors de la planification de traitement radio-oncologique à l'aide de la méthode de déformation hiérarchique des surfaces. Nous avons été en mesure de détecter les bifurcations de la vascularisation pour la validation de ces champs de déformation.

Segmentation du rein fonctionnel à partir de CTdouble énergie injectés

Les néphropaties (maladie des tissus rénaux) postradiques constituent l'un des facteurs limitants pour l'élaboration des plans de traitement lors des radiothérapies abdominales. Le processus actuel, qui consiste à évaluer la fonctionnalité relative des reins grâce à une scintigraphie gamma deux dimensions, ne permet pas d'identifier les portions fonctionnelles qui pourraient être évitées lors de l' élaboration des plans de traitement. Une méthode permettant de cartographier la fonctionnalité rénale en trois dimensions et d'extraire un contour fonctionnel utilisable lors de la planification a été développée à partir de CT double énergie injectés à l'iode. La concentration en produit de contraste est considérée reliée à la fonctionnalité rénale. La technique utilisée repose sur la décomposition à trois matériaux permettant de reconstruire des images en concentration d'iode. Un algorithme de segmentation semi-automatisé basé sur la déformation hiérarchique et anamorphique de surfaces permet ensuite d'extraire le contour fonctionnel des reins. Les premiers résultats obtenus avec des images patient démontrent qu'une utilisation en clinique est envisageable et pourra être bénéfique.

Planification de traitements de curiethérapie du sein à l’aide de l’imagerie par résonance magnétique

Ce mémoire présente l’étude de la faisabilité de la planification de traitements pour la curiethérapie interstitielle du sein en utilisant l’imagerie par résonance magnétique (IRM) seule au lieu de l’imagerie par tomodensitométrie (CT). L'imagerie CT étant la référence, la mesure des différences observables sur la distribution de doses provenant des deux types d’imagerie a été effectuée. Des fantômes de seins ont été fabriqués et utilisés, ainsi que l’imagerie de patients. La taille des fantômes en fonction du positionnement dans l’appareil d’IRM et la longueur reconstruite des cathéters ont été analysées. Les différences dans les distributions de doses de fantômes et de patients ont été calculées en s’assurant que la reconstruction des cathéters provenant des images CT et IRM est la seule variable. La différence dans les critères de doses à respecter est plus grande lorsque la taille du fantôme et/ou un déplacement latéral dans l’IRM sont plus grands. La longueur reconstruite des cathéters est comparable entre les deux techniques d’imagerie. Pour le petit fantôme des différences <2% ont été observées pour tous les critères de dose. Pour le grand fantôme et pour les patients, une valeur maximale de 5% est observée pour les critères sur la cible, mais peut atteindre 19% pour le critère Externe V150%/V100% pour le grand fantôme et 33% pour les patients. Par contre, le seuil clinique de ce critére est toujours respecté. Ceci nous indique que pour la plupart des patients, la zone à traiter serait bien couverte en utilisant les images IRM uniquement pour planifier.

Méthode efficace d'assignation de tissus humains par tomodensitométrie à double énergie

Pour analyser les images en tomodensitométrie, une méthode stœchiométrique est gé- néralement utilisée. Une courbe relie les unités Hounsfield d’une image à la densité électronique du milieu. La tomodensitométrie à double énergie permet d’obtenir des informations supplémentaires sur ces images. Une méthode stœchiométrique a été dé- veloppée pour permettre de déterminer les valeurs de densité électronique et de numéro atomique effectif à partir d’une paire d’images d’un tomodensitomètre à double énergie. Le but de cette recherche est de développer une nouvelle méthode d’identification de tissus en utilisant ces paramètres extraits en tomodensitométrie à double énergie. Cette nouvelle méthode est comparée avec la méthode standard de tomodensitométrie à simple énergie. Par ailleurs, l’impact dosimétrique de bien identifier un tissu est déterminé. Des simulations Monte Carlo permettent d’utiliser des fantômes numériques dont tous les paramètres sont connus. Les différents fantômes utilisés permettent d’étalonner les méthodes stœchiométriques, de comparer la polyvalence et la robustesse des méthodes d’identification de tissus double énergie et simple énergie, ainsi que de comparer les distributions de dose dans des fantômes uniformes de mêmes densités, mais de compo- sitions différentes. La méthode utilisant la tomodensitométrie à double énergie fournit des valeurs de densi- tés électroniques plus exactes, quelles que soient les conditions étudiées. Cette méthode s’avère également plus robuste aux variations de densité des tissus. L’impact dosimé- trique d’une bonne identification de tissus devient important pour des traitements aux énergies plus faibles, donc aux énergies d’imagerie et de curiethérapie.