[논문 리뷰] Update of the CLRP Monte Carlo TG-43 parameter database for high-energy brachytherapy sources

Habib Safigholi, Marc Chamberland외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 12. 07.

Advanced Radiotherapy Techniques인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 고에너지 brachytherapy 원천(169Yb, 192Ir, 137Cs, 60Co) 33종에 대해 오픈소스 egs_brachy 코드를 사용하여 CLRP_TG43v2 몬테카를로 데이터베이스를 업데이트하여 원천 기하 모델링, 통계적 정밀도, 원천 부피 보정을 향상시켰다. 주요 기여는 전자 운반 효과를 정량화한 완전히 검증된, 무료로 배포되는 TG-43 매개변수 데이터베이스로, 이는 선량률 상수, 반경 방사선 선량 함수, 이방성 함수 및 PSS 선량 표를 포함하며, 특히 60Co 원천에 대해 정밀도가 향상되어 임상 및 연구 선량 측정에 정확도를 높였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 일致된 오픈소스 egs_brachy 시뮬레이션을 사용하여 고에너지 brachytherapy 원천를 위한 CLRP_TG43v2 몬테카를로 TG-43 선량 측정 데이터베이스를 업데이트하고 확장하기.
• 이전 CLRP_TG43v1 데이터베이스에 비해 통계적 정밀도, 원천 기하 모델링 및 부피 보정 방법을 향상시키기.
• 전자 운반 및 초기 베타 방출이 TG-43 매개변수에 미치는 영향을 정량화하기, 특히 60Co 원천에 대해.
• 연구 및 임상 선량 측정 응용을 위해 전자 운반 효과를 포함한 완전히 검증된, 무료로 배포되는 원천 모델 세트를 제공하기.
• 모든 고에너지 원천에 대해 Primary and Scatter Separated (PSS) 선량 표 및 탈출하는 광자 에너지 데이터를 포함하여 고급 치료 계획을 지원하기.

제안 방법

• egs++ 기하 구조 패키지 및 egs_brachy 확장 기능을 사용하여 일관되고 고정밀도의 원천 기하 모델링을 재구성.
• EGSnrc를 사용하여 egs_brachy로 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하였으며, 특히 고에너지 원천에 대해 효율성을 향상시키기 위해 흔적 길이 추정기법을 사용하여 키르마 점수를 계산.
• 전체 산산화 물체를 사용한 물 투과체와 실린더형 바이트 격자로 TG-43 매개변수를 계산하였으며, 이는 선량률 상수, 반경 방사선 선량 함수 및 1차원/2차원 이방성 함수를 포함.
• 100cm 원천-검출기 거리에서 측정 격자의 유한한 크기를 고려하여 공기 키르마를 역사당 조정함으로써 원천 부피 보정을 적용.
• 대표 원천(169Yb, 192Ir, 137Cs, 60Co)에 대해 전자 운반 유무를 비교하는 시뮬레이션을 수행하여 DRC, g(r), F(r,θ)에 미치는 영향 평가.
• 모든 33개 고에너지 원천에 대해 CLRP_TG43v1 및 출판된 자료와의 일致성과 정확도를 확보하기 위해 결과를 검증.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 향상된 원천 기하 모델링 및 부피 보정이 고에너지 brachytherapy 원천의 TG-43 매개변수 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 전자 운반 및 초기 베타 방출이 고에너지 brachytherapy 원천의 선량률 상수, 반경 방사선 선량 함수 및 이방성 함수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 새로운 egs_brachy 시뮬레이션은 이전 데이터베이스인 CLRP_TG43v1에 비해 통계적 불확실성을 얼마나 줄이는가?
• RQ4 업데이트된 CLRP_TG43v2 데이터베이스의 TG-43 매개변수는 출판된 자료 및 이전 버전과 비교해 일관성과 정밀도 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ5 모든 고에너지 원천에 대해 Primary and Scatter Separated (PSS) 선량 표 및 탈출 광자 에너지 데이터를 포함하는 것이 어떤 의미를 갖는가?

주요 결과

• 업데이트된 CLRP_TG43v2 데이터베이스는 33종의 고에너지 brachytherapy 원천(1 169Yb, 23 192Ir, 5 137Cs, 4 60Co)을 포함하며, 이는 이전 CLRP_TG43v1 데이터베이스에 비해 18종의 고에너지 원천이 추가된 것이다.
• 60Co 원천의 경우, 전자 운반으로 인해 작은 반경에서 이방성 함수에 상당한 영향을 미치며, 활성 펠릿에 가까운 위치에서 F(1 cm, 0°) 값이 2.5를 초과할 정도로 이방성이 심해지지만, 다른 원천들은 이방성이 덜하다.
• 169Yb, 192Ir, 137Cs 원천의 선량률 상수 및 반경 방사선 선량 함수에 대한 전자 운반 효과는 무시할 수 없지만, 60Co 원천의 경우 유의미하여 시뮬레이션에 포함시키는 것이 타당하다.
• 이전 연구에 비해 통계적 정밀도가 향상된 선량률 상수를 보고하여 임상 및 연구 용도에서 신뢰성을 높였다.
• CLRP_TG43v2의 모든 원천 모델은 완전히 검증되었으며, egs_brachy 코드베이스와 함께 무료로 배포되어 고급 모델 기반 선량 계산을 지원한다.
• 모든 고에너지 원천에 대해 PSS 선량 표 및 탈출 광자 에너지 데이터를 포함함으로써 더 정확한 모델 기반 선량 계산이 가능해졌으며, TG-186 권고사항과 일치한다.