[論文レビュー] A study of the irradiation technique used for the external beam radiotherapy of retinoblastoma

L. Brualla, P.A. Mayorga+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Ocular Oncology and Treatments参考文献 12被引用数 4

ひとこと要約

本研究は、6MVのバリアン・クリニック2100 C/D線形加速器を用い、水ホイップハムで実験的測定を実施した外部ビーム放射線療法における小領域、非軸上野のためのモンテカルロシミュレーションと解析的非等方的アルゴリズム（AAA）の評価を目的としている。Penelopeモンテカルロシミュレーションは測定値と良好に一致しており（線量差 <3%、距離一致 <0.3 cm）、一方でAAAはより大きな乖離を示しており（最大6%の線量差、0.3 cmのDTA）、特にペルムブラ領域とフィールド端縁におけるキンクアーティファクトの影響で、複雑な非軸上小領域においてモンテカルロ法による検証の重要性が浮き彫りになった。

ABSTRACT

Purpose: Retinoblastoma (RB) is the most common eye tumor in childhood and can be treated external radiotherapy. The purpose of this work is to evaluate the adequacy of Monte Carlo simulations and the accuracy of a commercial treatment planning system by means of experimental measurements. Dose measurements in water were performed using a dedicated collimator. Methods: A 6MV Varian Clinac 2100 C/D and a dedicated collimator are used for RB treatment. The collimator conforms a D-shaped off-axis field whose irradiated area can be either 5.2 or 3.1cm$^2$. Depth dose distributions and lateral profiles were measured and compared with Monte Carlo simulations run with PENELOPE and with calculations performed with the analytical anisotropic algorithm (AAA) using the gamma test. Results: PENELOPE simulations agree well with the experimental data with discrepancies in the dose profiles less than 3mm of distance-to-agreement and 3% of dose. Discrepancies between the results of AAA and the experimental data reach 3mm and 6%. The agreement in the penumbra region between AAA and the experiment is noticeably worse than that between the latter and PENELOPE. The percentage of voxels passing the gamma test when comparing PENELOPE (AAA) and the experiment is on average 99% (93%) assuming a 3mm distance-to-agreement and a discrepancy of 3% of dose. Conclusions: Although the discrepancies between AAA and experimental results are noticeable, it is possible to consider this algorithm for routine treatment planning of RB patients, provided the limitations of the algorithm are known and taken into account by the medical physicist. Monte Carlo simulation is essential for knowing these limitations. Monte Carlo simulation is required for optimizing the treatment technique and the dedicated collimator.

研究の動機と目的

• 網膜芽細胞腫瘍の放射線療法に用いられる小領域、非軸上野における線量計算の精度を、モンテカルロシミュレーションと解析的非等方的アルゴリズム（AAA）の観点から評価すること。
• 実験的測定とモンテカルロシミュレーションを比較することで、Eclipse治療計画システムに組み込まれたAAAアルゴリズムの臨床的性能を検証すること。
• 特にペルムブラ領域およびショルダー領域において、複雑なフィールドジオメトリにおけるAAAアルゴリズムの限界を特定すること。
• 正確なモンテカルロシミュレーションを用いて、治療技術および専用コリメーターの最適化を支援すること。

提案手法

• 6MVのバリアン・クリニック2100 C/D線形加速器を用い、専用の「D」字型コリメーターを装備した水ホイップハムで、実験的線量測定を実施した。
• 放射線輸送と線量分布の計算をモデル化するために、Penelopeコードを用いたモンテカルロシミュレーションを実施した。
• 比較のため、Eclipse治療計画システムを用いてAAAアルゴリズムによる線量計算を実施した。
• 深さ線量および横方向線量プロファイルを測定し、ガンマ分析（3%線量差、0.3 cm距離一致）を用いて両シミュレーション手法と比較した。
• フィールドをビーム軸に対して再配置することで、AAAの横方向プロファイルに観察されたキンクアーティファクトの原因を特定した。
• 実験データ、Penelopeシミュレーション、AAA結果の一致度を定量化するために、ガンマインデックス分析を用いた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Penelopeを用いたモンテカルロシミュレーションは、網膜芽細胞腫瘍の放射線療法に用いられる小領域、非軸上野における線量分布を、実験的測定と比較してどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 Eclipseに組み込まれた解析的非等方的アルゴリズム（AAA）は、これらの複雑なフィールド設定において、実験的データからどの程度乖離しているか？
• RQ3 AAAの横方向プロファイルに観察されたキンクアーティファクトの原因は何か？ また、その影響は眼のレンズ領域における線量計算にどのように現れるか？
• RQ4 AAAの限界が把握され、医療物理士が注意深く考慮される場合、AAAは網膜芽細胞腫瘍の治療計画において信頼性を持って使用できるだろうか？
• RQ5 モンテカルロシミュレーションは、被ばく線量を最小限に抑えるために、コリメーター設計および治療技術の最適化をどのように支援できるか？

主な発見

• Penelopeモンテカルロシミュレーションは実験的データと優れた一致を示し、3%線量差および0.3 cm距離一致基準下でガンマインデックス不一致率はわずか1%にとどまった。
• 解析的非等方的アルゴリズム（AAA）はより大きな乖離を示し、同様の基準下でガンマインデックス不一致率は7%に上昇したが、特にペルムブラ領域で顕著であった。
• AAAの横方向プロファイルに、y=0 cmで明確なキンクアーティファクトが観察された。これは2.5 mmピクセルグリッドと非軸上フィールドの幾何学的不一致に起因し、ペルムブラ幅が約2 mm過大評価されていた。
• このキンクは、中央ビーム軸がセロバンブロックに遮断されており、1ピクセルにわたる透過プロファイルに不連続性が生じたため、AAAアルゴリズムが誤って解釈したことが原因であった。
• AAAと実験的データの乖離は最大で6%の線量差および0.3 cmの距離一致に達しており、特にペルムブラおよびショルダー領域で顕著で、小領域、非軸上フィールドにおける限界を示している。
• これらの乖離が存在するが、医療物理士がその既知の限界を慎重に考慮すれば、AAAは依然として日常的な治療計画に使用可能であり、モンテカルロシミュレーションによる検証が不可欠である。