[논문 리뷰] RapidBrachyMCTPS 2.0: A Comprehensive and Flexible Monte Carlo-Based Treatment Planning System for Brachytherapy Applications

Harry Glickman, Majd Antaki외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 06.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 29인용 수 9

한 줄 요약

RapidBrachyMCTPS 2.0은 정확한 방사선 분포 계산을 위해 Geant4를 통합한 몬테카를로 기반의 치료 계획 시스템으로, 방사선 치료에 적합한 독립형이고 사용자 친화적인 소프트웨어입니다. 이 시스템은 강도 조절 방사선 치료에서 도지 위치, 도지 시간 및 회전식 실드 각도의 고급 최적화를 가능하게 하며, 두 명의 환자 사례를 통해 복잡한 도구 및 소스 구성에 대한 유연성과 정확성을 입증하였습니다.

ABSTRACT

We have previously described RapidBrachyMCTPS, a brachytherapy treatment planning toolkit consisting of a graphical user interface (GUI) and a Geant4-based Monte Carlo (MC) dose calculation engine. This work describes the tools that have recently been added to RapidBrachyMCTPS, such that it now serves as the first stand-alone application for MC-based brachytherapy treatment planning. Notable changes include updated applicator import and positioning, three-plane contouring tools, and updated dose optimization algorithms that, in addition to optimizing dwell position and dwell time, also optimize the rotating shield angles in intensity modulated brachytherapy. The main modules of RapidBrachyMCTPS were validated including DICOM import, applicator import and positioning, contouring, material assignment, source specification, catheter reconstruction, EGSphant generation, interface with the MC code, and dose optimization and analysis tools. Two patient cases were simulated to demonstrate these principles, illustrating the control and flexibility offered by RapidBrachyMCTPS for all steps of the treatment planning pathway. RapidBrachyMCTPS is now a stand-alone application for brachytherapy treatment planning, and offers a user-friendly interface to access powerful MC calculations. It can be used to validate dose distributions from clinical treatment planning systems or model-based dose calculation algorithms, and is also well suited to testing novel combinations of radiation sources and applicators, especially those shielded with high-Z materials.

연구 동기 및 목표

• 방사선 치료 응용 분야에 적합한 종합적이고 유연하며 독립형 몬테카를로 기반 치료 계획 시스템을 개발하는 것.
• 강도 조절 방사선 치료에서 회전식 실드 각도 최적화를 통해 치료 계획 정확도를 향상시키는 것.
• DICOM 임포트, 윤곽선 설정 및 물질 할당을 포함한 전 과정 통합을 지원하는 사용자 친화적인 그래픽 사용자 인터페이스를 제공하는 것.
• 임상 사례를 활용하여 핵심 치료 계획 모듈의 성능을 검증하는 것.
• 특히 고Z 재료로 구성된 실드를 갖춘 신규 방사선 치료 소스 및 도구에 대한 연구를 지원하는 것.

제안 방법

• 정확한 방사선 분포 모델링을 위해 Geant4 기반 몬테카를로 방사선 분포 계산 엔진을 사용합니다.
• 환자의 해부학적 구조 및 도구 기하학적 구조를 지원하는 업데이트된 도구 임포트 및 위치 설정 도구를 포함합니다.
• 세 평면 윤곽선 설정 도구를 통해 기관 위험 부위 및 표적 부위의 정밀한 분할을 가능하게 합니다.
• 물질 할당 및 카테터 재구성 기능을 워크플로우에 통합하여 정확한 피험자 및 소스 모델링을 지원합니다.
• 효율적인 몬테카를로 시뮬레이션을 위해 EGSphant 피험자 모델을 생성하고, 방사선 분포 계산을 위한 MC 코드와 인터페이스를 제공합니다.
• 방사선 분포 최적화 알고리즘에 도지 위치, 도지 시간 및 회전식 실드 각도의 동시 최적화를 포함하여 강도 조절 방사선 치료를 위한 고급 기능을 제공합니다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립형이고 사용자 친화적인 몬테카를로 기반 치료 계획 시스템이 방사선 치료에서 임상 수준의 정확도와 유연성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 강도 조절 방사선 치료에서 회전식 실드 각도 최적화를 통합할 경우, 방사선 분포의 정밀도 및 기관 위험 부위의 보호 수준이 얼마나 향상되는가?
• RQ3 통합된 모듈( DICOM 임포트, 윤곽선 설정, 물질 할당, 소스 사양)이 실제 임상 워크플로우에서 얼마나 잘 기능하는가?
• RQ4 시스템이 복잡한 도구 및 고Z 실드 재료를 고정밀도로 모델링할 수 있는가?
• RQ5 환자 특화 사례에서 임상 TPS와 비교해 시스템의 방사선 분포 계산 정확도는 어떠한가?

주요 결과

• 시스템은 일관된 그래픽 사용자 인터페이스를 통해 모든 핵심 치료 계획 모듈을 단일 독립형 응용 프로그램으로 통합했습니다.
• 회전식 실드 각도 최적화 기능 추가로 강도 조절 방사선 치료 계획의 고급 기능을 실현하여 방사선 분포 정밀도 향상 및 기관 위험 부위 보호를 개선했습니다.
• 두 명의 환자 사례를 통해 시스템이 복잡한 도구 기하학적 구조를 처리하고 전 치료 계획 프로세스에서 정확한 방사선 분포 계산을 수행할 수 있음을 입증했습니다.
• 시스템은 고Z 실드 재료의 정확한 모델링을 가능하게 하여 새로운 방사선 치료 소스 및 도구의 테스트에 적합한 환경을 제공합니다.
• 핵심 모듈의 검증을 통해 DICOM 임포트, 도구 위치 설정, 윤곽선 설정, 물질 할당 및 방사선 분포 최적화에서 신뢰할 수 있는 성능을 확인했습니다.
• 임상 TPS의 방사선 분포 계산을 검증하고 혁신적인 방사선 치료 기법을 탐색하는 데 강력한 플랫폼을 제공합니다.