[论文解读] A study of the irradiation technique used for the external beam radiotherapy of retinoblastoma

L. Brualla, P.A. Mayorga+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 24, 2018

Ocular Oncology and Treatments参考文献 12被引用 4

一句话总结

本研究通过水中的实验测量，评估了在儿童视网膜母细胞瘤外照射放疗中蒙特卡洛模拟与解析各向异性算法（AAA）的性能。结果表明，Penelope 蒙特卡洛模拟与测量结果高度一致（剂量差 <3%，距离符合度 <0.3 cm），而 AAA 算法则存在较大偏差（最大剂量差达6%，DTA 为0.3 cm），尤其在半影区域及因射野边缘存在拐点伪影而显著，凸显了在复杂、离轴小野中进行 MC 验证的必要性。

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.

研究动机与目标

• 评估蒙特卡洛模拟与解析各向异性算法（AAA）在视网膜母细胞瘤放疗中用于小野、离轴射野时的剂量计算准确性。
• 通过与实验测量和蒙特卡洛模拟对比，验证 AAA 算法在临床治疗计划中的性能。
• 识别 AAA 算法在复杂射野几何结构中的局限性，特别是在半影和肩部区域。
• 通过精确的蒙特卡洛模拟，支持治疗技术与专用准直器的优化。

提出的方法

• 在 Varian Clinac 2100 C/D 直线加速器上，使用专用的 'D' 形准直器，在水模体中进行实验剂量测量，能量为 6 MV。
• 使用 penelope 代码进行蒙特卡洛模拟，以模拟辐射传输并计算剂量分布。
• 在 Eclipse 治疗计划系统中使用 AAA 算法进行剂量计算，以供对比。
• 测量并比较深度剂量曲线和侧向剂量曲线，采用伽马分析（3% 剂量差，0.3 cm 距离符合度）对比两种模拟方法。
• 通过调整射野相对于射野中心轴的位置，隔离原因，研究 AAA 侧向曲线中出现的拐点伪影。
• 采用伽马指数分析量化实验数据、penelope 模拟与 AAA 结果之间的符合程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 与实验测量相比，蒙特卡洛模拟（penelope）在视网膜母细胞瘤放疗中用于小野、离轴射野时，对剂量分布的预测准确度如何？
• RQ2 在这些复杂射野构型中，Eclipse 中的解析各向异性算法（AAA）与实验数据的偏差程度如何？
• RQ3 在射野边缘处 AAA 侧向曲线中观察到的拐点伪影由何引起？其对眼晶状体区域剂量计算有何影响？
• RQ4 如果医学物理师已知 AAA 的局限性并加以考虑，AAA 是否可被可靠地用于视网膜母细胞瘤的常规治疗计划？
• RQ5 蒙特卡洛模拟如何指导准直器设计与治疗技术的优化，以最小化对关键结构的剂量？

主要发现

• Penelope 蒙特卡洛模拟与实验数据高度一致，伽马指数失败率仅为 1%（3% 剂量差，0.3 cm 距离符合度标准）。
• 解析各向异性算法（AAA）表现出较大偏差，相同标准下伽马指数失败率为 7%，尤其在半影区域。
• 由于 2.5 mm 像素网格与离轴射野几何的不匹配，AAA 侧向曲线在 y=0 cm 处出现明显的拐点伪影，导致半影宽度被高估近 2 mm。
• 该拐点现象的成因是射野中心轴被 Cerrobend 铅块遮挡，导致单个像素内透射率分布不连续，AAA 算法错误解读为剂量变化。
• AAA 与实验数据之间的偏差最大达 6% 剂量差和 0.3 cm 距离符合度，尤其在半影和肩部区域，表明其在小野、离轴射野中存在局限性。
• 尽管存在这些偏差，若医学物理师充分了解其已知局限性，AAA 仍可用于常规治疗计划，而蒙特卡洛模拟在验证中至关重要。