[논문 리뷰] A study of the irradiation technique used for the external beam radiotherapy of retinoblastoma

L. Brualla, P.A. Mayorga외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 24.

Ocular Oncology and Treatments참고 문헌 12인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 6 MV에서의 Varian Clinac 2100 C/D 직선 가속기에서 'D'자형 콘드릴을 사용하여 수중에서의 실험 측정을 통해 소아 망막모세관종 방사선 치료에 사용되는 외부 비침습적 방사선 치료에서 몽테카를로 시뮬레이션과 분석적 이방성 알고리즘(AAA)을 평가한다. 몽테카를로 시뮬레이션(PENELope)은 측정치와 밀도 있는 일치를 보이며(선량 차이 <3%, 거리-일치 거리 <0.3 cm), 반면 AAA는 더 큰 이질성을 보이며(최대 6% 선량 차이, 0.3 cm DTA) 특히 펜룸바 영역과 필드 가장자리에서 발생하는 '굽은 자국' 아티팩트로 인해 문제가 된다. 이는 복잡한 이심 방향 소형 필드에서 몽테카를로 시뮬레이션의 검증이 필수적임을 시사한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 소아 망막모세관종 방사선 치료에 사용되는 소형 이심 필드에서 몽테카를로 시뮬레이션과 분석적 이방성 알고리즘(AAA)의 선량 계산 정확도를 평가하기 위해.
• 실험 측정치와 몽테카를로 시뮬레이션을 비교하여, 임상 치료 계획에서 AAA 알고리즘의 성능을 검증하기 위해.
• 특히 펜룸바 및 어깨 영역에서 복잡한 필드 기하학에서 AAA 알고리즘의 한계를 규명하기 위해.
• 정확한 몽테카를로 시뮬레이션을 활용하여 치료 기법과 전용 콘드릴 설계의 최적화를 지원하기 위해.

제안 방법

• 6 MV에서 Varian Clinac 2100 C/D 직선 가속기에서 전용 'D'자형 콘드릴을 사용하여 수중 필름에서 실험적 선량 측정을 수행하였다.
• 방사선 운반 및 선량 분포 계산을 모델링하기 위해 PENELope 코드를 사용하여 몽테카를로 시뮬레이션을 수행하였다.
• 비교를 위해 Eclipse 치료 계획 시스템에서 AAA 알고리즘을 사용하여 선량 계산을 수행하였다.
• 깊이-선량 및 횡방향 선량 프로파일을 측정하고, 3% 선량 차이 및 0.3 cm 거리-일치 기준의 감마 분석을 통해 두 시뮬레이션 방법과 비교하였다.
• 필드를 빔 축에 대해 재위치시켜, AAA 횡방향 프로파일에서 관찰된 '굽은 자국' 아티팩트의 원인을 규명하기 위해 연구하였다.
• 실험 데이터, PENELope 시뮬레이션 및 AAA 결과 간의 일치 정도를 정량화하기 위해 감마 지수 분석을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PENELope 몽테카를로 시뮬레이션은 망막모세관종 방사선 치료에 사용되는 소형 이심 필드에서 실험 측정치에 비해 얼마나 정확하게 선량 분포를 예측하는가?
• RQ2 Eclipse의 분석적 이방성 알고리즘(AAA)은 이러한 복잡한 필드 구성에서 실험 데이터로부터 얼마나 벗어나는가?
• RQ3 AAA 횡방향 프로파일에서 필드 가장자리에서 관찰된 '굽은 자국' 아티팩트의 원인은 무엇이며, 이는 망막 렌즈 영역의 선량 계산에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 의료 물리학자들이 그 한계를 인지하고 보완한다면, AAA는 망막모세관종 치료에서 일상적인 치료 계획에 신뢰성 있게 사용될 수 있는가?
• RQ5 몽테카를로 시뮬레이션은 어떻게 콘드릴 설계 및 치료 기법의 최적화를 이끌어내어 중요한 구조물에 대한 선량을 최소화하는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• PENELope 몽테카를로 시뮬레이션은 실험 데이터와 뛰어난 일치를 보였으며, 3% 선량 차이 및 0.3 cm 거리-일치 기준에서 감마 지수 실패율은 단 1%에 그쳤다.
• 분석적 이방성 알고리즘(AAA)은 더 큰 이질성을 보였으며, 동일한 기준에서 감마 지수 실패율은 7%로 나타났으며, 특히 펜룸바 영역에서 두드러졌다.
• 2.5 mm 픽셀 격자와 이심 필드 기하학 간의 불일치로 인해 y=0 cm에서 AAA 횡방향 프로파일에 뚜렷한 '굽은 자국' 아티팩트가 나타났으며, 이로 인해 펜룸바 폭이 약 2 mm 과대평가되었다.
• 이 '굽은 자국'은 중심 빔 축이 세로벤드 블록에 의해 가려져, 한 픽셀 내에서 연속적인 투과도 프로파일이 끊어지게 되었고, 이로 인해 AAA 알고리즘이 잘못 해석하였다.
• AAA와 실험 데이터 간의 이질성은 최대 6% 선량 차이 및 0.3 cm 거리-일치 기준까지 도달했으며, 특히 펜룸바 및 어깨 영역에서 두드러져 소형 이심 필드에서의 한계를 시사한다.
• 이러한 이질성에도 불구하고, 의료 물리학자들이 그 한계를 충분히 고려한다면 AAA는 여전히 일상적인 치료 계획에 신뢰성 있게 사용될 수 있으며, 몽테카를로 시뮬레이션은 검증에 필수적이다.