[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文使用开源的 egs_brachy 代码，对 33 个高能近距离治疗源（169Yb、192Ir、137Cs、60Co）的 CLRP_TG43v2 蒙特卡罗数据库进行了更新，改进了源几何建模、统计精度和源体积修正。主要贡献是提供了一套完全经过验证、可自由获取的 TG-43 参数数据库，包括剂量率常数、径向剂量函数、各向异性函数以及 PSS 剂量表，并对 60Co 源的电子输运效应进行了量化分析，显著提升了临床与科研剂量学的准确性。

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.

研究动机与目标

• 使用一致的开源 egs_brachy 模拟，更新并扩展高能近距离治疗源的 CLRP_TG43v2 蒙特卡罗 TG-43 剂量学数据库。
• 与先前的 CLRP_TG43v1 数据库相比，改进统计精度、源几何建模和体积修正方法。
• 量化电子输运和初始β发射对 TG-43 参数的影响，特别是对 60Co 源的影响。
• 提供一套完全经过验证、可自由分发的源模型及其 egs_brachy 代码，适用于科研与临床剂量学应用。
• 通过包含所有 HE 源的原始与散射分离（PSS）剂量表及逃逸光子能量数据，支持高级治疗计划。

提出的方法

• 使用 egs++ 几何包及 egs_brachy 扩展，重新编码源几何结构，实现一致且高保真的建模。
• 使用 EGSnrc 的 egs_brachy 进行蒙特卡罗模拟，采用截断长度估计器对 kerma 进行评分，以提高效率，尤其适用于高能源。
• 采用全散射水体模及圆柱形体素网格，计算 TG-43 参数，包括剂量率常数、径向剂量函数以及一维/二维各向异性函数。
• 通过调整每历史记录的空气 kerma，对 100 cm 源-探测器距离处的评分体素有限尺寸进行源体积修正。
• 对代表性源（169Yb、192Ir、137Cs、60Co）进行包含与不包含电子输运的对比模拟，评估其对 DRC、g(r) 和 F(r,θ) 的影响。
• 与 CLRP_TG43v1 及已发表数据进行验证，确保所有 33 个高能源的计算结果具有一致性与准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 改进的源几何模型与体积修正方法如何影响高能近距离治疗源 TG-43 参数的准确性？
• RQ2 电子输运与初始β发射对高能近距离治疗源的剂量率常数、径向剂量函数及各向异性函数有何影响？
• RQ3 与先前数据库（如 CLRP_TG43v1）相比，新的 egs_brachy 模拟在多大程度上降低了统计不确定性？
• RQ4 更新后的 CLRP_TG43v2 数据库中 TG-43 参数与已发表数据及旧版本相比，在一致性与精度方面表现如何？
• RQ5 在数据库中为所有 HE 源包含原始与散射分离（PSS）剂量表及逃逸光子能量数据具有何种意义？

主要发现

• 更新后的 CLRP_TG43v2 数据库包含 33 个高能近距离治疗源（1 个 169Yb、23 个 192Ir、5 个 137Cs、4 个 60Co），相比先前的 CLRP_TG43v1 数据库新增了 18 个 HE 源。
• 对于 60Co 源，电子输运在小半径处显著影响各向异性函数，F(1 cm, 0°) 值超过 2.5，这是由于靠近活性颗粒所致，而其他源的各向异性程度较低。
• 电子输运对 169Yb、192Ir 和 137Cs 源的剂量率常数与径向剂量函数影响可忽略，但对 60Co 源不可忽略，因此其在模拟中必须包含。
• 与早期研究相比，本数据库报告的剂量率常数具有更高的统计精度，提升了临床与科研应用的可靠性。
• CLRP_TG43v2 中的所有源模型均已完全验证，并将随 egs_brachy 代码库免费分发，支持基于模型的剂量计算。
• 为所有 HE 源包含 PSS 剂量表及逃逸光子能量数据，可实现更精确的基于模型的剂量计算，符合 TG-186 推荐。