[論文レビュー] Percentage depth dose distributions in inhomogeneous phantoms with lung and bone equivalent media for small fields of CyberKnife

Chung Il Lee, Jae Won Shin+7 more|arXiv (Cornell University)|Dec 31, 2013

Advanced Radiotherapy Techniques参考文献 2被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、6MV CyberKnife小野発線を用いて、ラジオロジー的肺（バルサウッド）および骨（エポキシ-炭酸カルシウム複合体）同等の不均一体 phantom における割合深さ線量（PDD）分布を、Gafchromic EBTフィルムおよびGEANT4モンテカルロシミュレーションを用いて調査した。EBTフィルムは特に低密度領域において測定線量を顕著に変化させることを示し、正確なPDD推定のためにはシミュレーションにフィルムを含める必要がある。シミュレーションでフィルムを含めた結果は、全フィールドサイズで測定値と2.2%以内の誤差で一致した。

ABSTRACT

The percentage depth dose distributions in inhomogeneous phantoms with lung and bone equivalent media are studied. For lung equivalent media a Balsa wood is used, and for a soft bone equivalent media a compound material with epoxy resin, hardener and calcium carbonate is used. Polystyrene slabs put together with these materials are used as an inhomogeneous phantom. Dose measurements are performed with Gafchromic EBT film by using photon beams from 6MV CyberKnife at the Seoul Uridul Hospital. The cone sizes of the photon beams are varied from 5, 10 to 30 mm. As a simulation tool GEANT4 Monte Carlo code v9.4.p02 is used. When the Balsa wood is inserted in the phantom, the dose measured with EBT film is found to be significantly different from the dose without the EBT film in and beyond the Balsa wood region, particularly for small field sizes. On the other hand, when the soft bone equivalent material is inserted in the phantom, discrepancy between the dose measured with EBT film and the dose without EBT film can be seen only in the region of bone equivalent material. GEANT4 simulations are done with and without the EBT film to compare the simulation results with measurements. We find that the simulations including EBT film agree with the measurements for all the cases within an error of $2.2\%$. Also, we find the "doses to phantom" without the EBT film differ from the "doses to film" up to $29\%$, which shows that for accurate dose estimations for inhomogeneous phantoms with EBT film the presence of the EBT film needs to be taken into account properly in particular for small fields.

研究の動機と目的

• Gafchromic EBTフィルムが、肺および骨に類似した材料を含む不均一体 phantom における割合深さ線量（PDD）測定に与える影響を評価すること。
• 小野発線CyberKnifeビームにおいて、EBTフィルムが存在するか否かを考慮したGEANT4モンテカルロシミュレーションのPDD分布モデル化の正確性を評価すること。
• 測定されたPDDと、臨床的治療計画システムMultiplanの結果を比較し、GEANT4シミュレーションと照合すること。
• 特に小野発線において、低密度および高密度媒体における「体に与えられた線量」と「フィルムに与えられた線量」の差を定量すること。
• 既存の不均一性補正係数（軟骨および皮質骨用）が、実験的およびシミュレーテッドデータと整合するかを検証すること。

提案手法

• 6MV CyberKnifeビーム出力下で、バルサウッド（肺に類似）およびエポキシ-炭酸カルシウム複合体（軟骨に類似）を用いた体 phantom において、Gafchromic EBTフィルムを用いてPDD分布を測定した。
• 同じ設定をGEANT4モンテカルロシミュレーションで再現し、EBTフィルムを含む・含まないの両方のシナリオを用いて、フィルムのdosimetric影響を分離した。
• 不均一性を模倣するポリスチレン体 phantom に不均一性を埋め込み、臨床的不均一組織状態を再現した。
• 実験的PDD（EBTフィルムあり）を、GEANT4シミュレーテッドPDD（フィルムあり・なし）およびMultiplan治療計画システムの結果と比較した。
• フィルムに与えられた線量（DTF）と体に与えられた線量（DTP）の比を計算し、フィルムに起因する線量摂動を定量した。
• 文献（例：Siebersら）から得た補正係数を用い、測定およびシミュレーションデータと整合性があるかを検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Gafchromic EBTフィルムの存在が、低密度（肺に類似）および高密度（骨に類似）材料を含む不均一体 phantom における測定PDDにどのように影響を与えるか？
• RQ2 EBTフィルムを含むGEANT4モンテカルロシミュレーションが、小野発線CyberKnifeビームにおける実験的PDD測定値とどの程度一致するか？
• RQ3 臨床的治療計画システムMultiplanとGEANT4シミュレーションは、不均一媒体における実験データとどのように比較されるか？
• RQ4 異なる不均一領域における「体に与えられた線量」と「フィルムに与えられた線量」の差はどの程度の大きさか、特に5 mmフィールドサイズにおいては？
• RQ5 既存の不均一性補正係数（例：軟骨および皮質骨用）は、本研究の測定およびシミュレーションPDD値と整合するか？

主な発見

• 全コーンサイズ（5、10、30 mm）および両不均一体 phantom において、EBTフィルムを含むGEANT4シミュレーションは実験的測定値と2.2%以内の誤差で一致した。
• EBTフィルムなしの「体に与えられた線量」（DTP）と「フィルムに与えられた線量」（DTF）の差は、5 mmコーンサイズにおいて最大29%に達し、特にバルサウッド（肺に類似）領域で顕著であった。
• 軟骨に類似した領域では、DTF/DTP比は全コーンサイズで一貫して1.05であった。これは、フィルムに起因する摂動が安定していることを示している。
• Multiplanは測定PDDを再現できず、特に不均一領域で誤差が顕著であった。GEANT4 DTPとの比は、軟骨領域で0.94～0.99、バルサウッド領域で0.99～1.02であった。
• 本研究では、Siebersらが提唱した補正係数（軟骨：1.035、皮質骨：1.117）が、測定されたDTF/DTP比（それぞれ1.049 ± 0.015および1.129 ± 0.015）と1.3%以内で整合しており、妥当性が確認された。
• 小野発線（5 mm）では、DTPとDTFの差が最も顕著であり、不均一線量測定の正確なシミュレーションのためには、EBTフィルムを明示的にモデル化する必要があることが強調された。