[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究利用Gafchromic EBT胶片与GEANT4蒙特卡罗模拟，针对6MV CyberKnife小野束在含有肺（轻木）和骨（环氧树脂-碳酸钙复合材料）等效物的非均质体模中，研究了百分深度剂量（PDD）分布。结果表明，EBT胶片显著改变了测量的剂量，特别是在低密度区域，因此必须在模拟中包含胶片才能准确估算PDD；包含胶片的模拟结果与所有野尺寸的测量值之间的误差在2.2%以内。

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.

研究动机与目标

• 评估Gafchromic EBT胶片对含有肺等效和骨等效材料的非均质体模中百分深度剂量（PDD）测量的影响。
• 评估GEANT4蒙特卡罗模拟在小野CyberKnife射束中存在或不存在EBT胶片时对PDD分布建模的准确性。
• 将测量的PDD与临床治疗计划系统Multiplan的结果进行比较，并利用GEANT4模拟进行验证。
• 量化在低密度和高密度介质中，特别是小野条件下，“胶片剂量”与“体模剂量”之间的差异。
• 通过实验和模拟数据验证已发表的软骨和皮质骨组织不均性校正因子的适用性。

提出的方法

• 使用Gafchromic EBT胶片在6MV CyberKnife射束输出条件下，测量含有轻木（肺等效）和环氧树脂-碳酸钙复合材料（软骨等效）的体模中的PDD分布。
• 对相同设置进行GEANT4蒙特卡罗模拟，包括和不包括EBT胶片，以隔离其剂量学影响。
• 使用含有嵌入不均质组织的聚苯乙烯体模，以模拟临床非均质组织条件。
• 将实验PDD（含EBT胶片）与GEANT4模拟PDD（含和不含胶片）以及Multiplan治疗计划系统结果进行比较。
• 计算“胶片剂量”（DTF）与“体模剂量”（DTP）的比值，以量化胶片引起的剂量扰动。
• 应用文献中的校正因子（如Siebers等）以验证其与测量和模拟数据的一致性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在含有低密度（类似肺）和高密度（类似骨）材料的非均质体模中，Gafchromic EBT胶片的存在如何影响测量的百分深度剂量（PDD）？
• RQ2 包含EBT胶片的GEANT4蒙特卡罗模拟在多大程度上与小野CyberKnife射束的实验PDD测量结果一致？
• RQ3 临床治疗计划系统Multiplan与GEANT4模拟在非均质介质中与实验数据相比如何？
• RQ4 在不同非均质区域中，“体模剂量”与“胶片剂量”之间的差异程度如何，特别是在5 mm野尺寸下？
• RQ5 已发表的组织不均性校正因子（如软骨和皮质骨）是否与本研究中测量和模拟的PDD值一致？

主要发现

• 所有野尺寸（5、10、30 mm）和两种非均质体模中，包含EBT胶片的GEANT4模拟结果与实验测量值之间的误差在2.2%以内。
• 在无EBT胶片的“体模剂量”（DTP）与“胶片剂量”（DTF）之间，5 mm野尺寸下最大差异达29%，尤其在轻木（肺等效）区域更为显著。
• 在软骨等效区域，所有野尺寸下DTF与DTP的比值稳定为1.05，表明胶片引起的扰动具有稳定性。
• Multiplan无法准确再现测量的PDD值，尤其在非均质区域，其与GEANT4 DTP的比值在软骨区域为0.94–0.99，在轻木区域为0.99–1.02。
• 本研究证实，Siebers等（软骨为1.035，皮质骨为1.117）发表的校正因子与测量得到的DTF/DTP比值（分别为1.049 ± 0.015和1.129 ± 0.015）在1.3%以内一致。
• 对于小野（5 mm），DTP与DTF之间的差异最为显著，强调了在蒙特卡罗模拟中显式建模EBT胶片对实现非均质剂量学准确性的必要性。