[論文レビュー] Update of the CLRP Monte Carlo TG-43 parameter database for high-energy brachytherapy sources

Habib Safigholi, Marc Chamberland+4 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2022

Advanced Radiotherapy Techniques被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、オープンソースの egs_brachy コードを用いて、33 種類の高エネルギー brachytherapy 用線源（169Yb、192Ir、137Cs、60Co）の CLRP_TG43v2 モンテカルロデータベースを更新し、線源幾何モデルの精度向上、統計的精度の向上、線源体積補正の改善を図った。主な貢献は、電子輸送効果を定量的に評価した、完全にベンチマーク済みで自由に利用可能な TG-43 パrameter データベース（線量率定数、径方向線量関数、不均一関数、PSS 線量表を含む）の提供であり、60Co 線源において特に精度が向上し、臨床的および研究用線量測定に寄与する。

ABSTRACT

PURPOSE: To update and extend version 2 of the Carleton Laboratory for Radiotherapy Physics (CLRP) TG-43 dosimetry database (CLRP_TG43v2) for 33 high-energy (HE, $\geq50$~keV) brachytherapy sources using egs_brachy, an open-source EGSnrc application. A comprehensive dataset of TG-43 parameters is compiled, including detailed source descriptions, dose-rate constants, radial dose functions, 1D and 2D anisotropy functions, along-away dose-rate tables, Primary and Scatter Separated (PSS) dose tables, and mean photon energies escaping each source. The database also documents the source models which will be freely distributed with egs_brachy. ACQUISITION AND VALIDATION METHODS: Datasets are calculated after a recoding of the source geometries using the egs++ geometry package and its egs_brachy extensions. Air kerma per history is calculated in a 10x10x0.05 cm3 voxel located 100 cm from the source along the transverse axis and then corrected for the lateral and thickness dimensions of the scoring voxel to give the air kerma on the central axis at a point 100cm from the source's mid-point. Full-scatter water phantoms with varying voxel resolutions in cylindrical coordinates are used for dose calculations. For validation, data are compared to those from CLRP_TG43v1 and published data. DATA FORMAT AND ACCESS: Data are available at https://physics.carleton.ca/clrp/egs_brachy/seed_database_HDRv2 or http://doi.org/10.22215/clrp/tg43v2. POTENTIAL APPLICATIONS: The CLRP_TG43v2 database has applications in research, dosimetry, and brachytherapy planning. This comprehensive update provides the medical physics community with more precise and in some cases more accurate Monte Carlo TG-43 dose calculation parameters, as well as fully benchmarked and described source models which are distributed with egs_brachy.

研究の動機と目的

• 一貫性がありオープンソースの egs_brachy シミュレーションを用いて、高エネルギー brachytherapy 線源の CLRP_TG43v2 モンテカルロ TG-43 線量測定データベースを更新・拡張すること。
• 従来の CLRP_TG43v1 データベースと比較して、統計的精度、線源幾何モデル、体積補正手法の向上を図ること。
• 電子輸送および初期ベータ線放出が TG-43 パrameter に与える影響、特に 60Co 線源において定量すること。
• 研究および臨床的線量測定用途に向け、完全にベンチマーク済みで自由に配布可能な egs_brachy 用の線源モデルセットを提供すること。
• Primary および Scatter Separated (PSS) 線量表およびすべての HE 線源の脱出光子エネルギー情報の追加により、高度な治療計画を支援すること。

提案手法

• EGS++ ジオメトリープログラムおよび egs_brachy 拡張機能を用いて、一貫性があり高精度なモデル化が可能なように、線源幾何形状を再コード化した。
• EGSnrc を用いた egs_brachy を用いたモンテカルロシミュレーションを実施し、特に高エネルギー線源において効率を向上させるために、kerma スコアリングにトラック長推定法を採用した。
• 水の全散乱型ファントムと円筒形状のボクセルグリッドを用いて、TG-43 パrameter（線量率定数、径方向線量関数、1次元／2次元不均一関数）を計算した。
• 100 cm の線源-検出器距離におけるスコアリングボクセルの有限サイズを補正するため、空気kerma/シミュレーション履歴を調整することで、線源体積補正を適用した。
• 代表的な線源（169Yb、192Ir、137Cs、60Co）について、電子輸送を含む・含まないシミュレーションを比較し、DRC、g(r)、F(r,θ) への影響を評価した。
• CLRP_TG43v1 および既存の出版データとの比較を通じて、33 種類のすべての高エネルギー線源において一貫性と正確性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 改善された線源幾何モデルと体積補正が、高エネルギー brachytherapy 線源の TG-43 パrameter の正確性にどのように影響するか？
• RQ2 電子輸送および初期ベータ線放出が、高エネルギー brachytherapy 線源の線量率定数、径方向線量関数、不均一関数に与える影響は何か？
• RQ3 新しい egs_brachy シミュレーションは、CLRP_TG43v1 などの以前のデータベースと比較して、統計的不確実性をどの程度低減するか？
• RQ4 更新された CLRP_TG43v2 データベースにおける TG-43 パrameter は、出版データおよび以前のバージョンと比較して、一貫性および精度の面でどのように異なるか？
• RQ5 すべての HE 線源に Primary および Scatter Separated (PSS) 線量表および脱出光子エネルギー情報が含まれることの意義は何か？

主な発見

• 更新された CLRP_TG43v2 データベースには、33 種類の高エネルギー brachytherapy 線源（1 169Yb、23 192Ir、5 137Cs、4 60Co）が含まれており、前回の CLRP_TG43v1 データベースに比べて 18 種類の HE 線源が追加された。
• 60Co 線源では、電子輸送が小さな半径で不均一関数に顕著な影響を及ぼし、活性ペレットに近い位置（1 cm、0°）では F(1 cm, 0°) 値が 2.5 を超えるほど不均一性が顕著である一方、他の線源では不均一性が小さい。
• 169Yb、192Ir、137Cs 線源では、電子輸送効果による線量率定数および径方向線量関数への影響は無視できるが、60Co 線源では顕著であり、シミュレーションに含める正当性がある。
• 以前の研究と比較して、線量率定数の統計的精度が向上しており、臨床的および研究的利用における信頼性が向上した。
• CLRP_TG43v2 のすべての線源モデルは完全にベンチマーク済みであり、egs_brachy コードベースとともに自由に配布され、高度なモデルベース線量計算を支援する。
• すべての HE 線源に PSS 線量表および脱出光子エネルギー情報が含まれることで、より正確なモデルベース線量計算が可能となり、TG-186 の推奨事項と整合的である。