Ανάπτυξη Monte Carlo προσομοιώσεων και δοσιμετρικών υπολογισμών σε σύγχρονα συστήματα γραμμικών επιταχυντών με ενσωματωμένο μαγνητικό τομογράφο (MR-Linacs)

Abstract

The 1.5T/7MV Unity MR-Linac (Elekta, Crawley, UK) is gaining prominence in the field of radiotherapy. However, the presence of a strong magnetic field, which is always perpendicular to the primary photon beam, due to the Lorentz force, affects the trajectory of secondary charged particles, increasing the challenges in experimental dosimetry procedures. In addition, the absence of a dosimetry protocol or code-of-practice that accounts for the impact of the magnetic field exacerbates these challenges. Thus, this thesis aims to contribute to the existing data on MR-Linac dosimetry through Monte Carlo simulations, enabling more options during the quality assurance and End-to-end dosimetry tests in the presence of 1.5T magnetic field. The first part of this thesis presents the theoretical background of MR-Linac systems, as well as the theoretical framework of Monte Carlo simulations, which served as the primary tool for this study. The second part examines the quality assurance (QA) and dosimetry processes in 1.5T MR-Linac systems, starting with the evaluation of the computational accuracy of the EGSnrc Monte Carlo simulations. Subsequently, the dead volume of a variety of ionization chambers was determined, and its impact on computational dosimetry was assessed. As a next step, the k_(B,Q) correction factors for a 10×10cm2 reference field were calculated. The ionization chambers were positioned in four main orientations relative to the magnetic field. Corrections of up to 5% were determined for the perpendicular orientations. k_(B,Q) values were close to unity in the case of parallel orientations. An effort was made to investigate potential dependence of the k_(B,Q) correction factor in relation to the irradiation field size, irradiation depth and phantom material. In terms of relative dosimetry measurements, the beam profiles of a 10×10cm2 field were scanned along the x- and y-axis, using four ionization chambers and the microDiamond detector. Regarding the x-axis profiles, a deviation of approximately 1.55mm from the central beam axis was observed for an ideal water detector, due to the Lorentz force. Positioning the ionization chamber parallel to the magnetic field, deviations between -0.4mm up to-0.75mm were recorded after simulated y-profile scanning, attributed to the dead volume effect. These deviations were negligible when the ionization chambers were simulated parallel to the beam axis and vertical to the magnetic field. Moreover, the microDiamond detector demonstrated similar behavior to the ideal water detector. By investigating these deviations, the effective point of measurement of the detectors for profile scanning was also determined. In addition to the aforementioned active detectors, k_(B,Q) correction factors were determined for two commercially available Optically Stimulated Luminescence (OSL) dosimeters (passive detectors). The k_(B,Q) values were calculated for the three cardinal orientations (i.e., axial, sagittal and coronal orientation). Corrections of up to 6.4% were obtained, with the k_(B,Q) values being equal to unity within uncertainties in the axial orientation, regardless of the gantry’s angle of rotation. Regarding angular dependence, greater deviations were observed with the OSL dosimeters under the coronal setup. An effort was made to extend the correction factors under small fields down to 1×1cm2 for 6 small-cavity ionization chambers, 4 active solid-state detectors and a Thermoluminescent Dosimeter (TLD) microcube. Two dosimetry formalisms were considered. Using the first formalism, in which the k_(B,Q) values were determined, ionization chamber response corrections did not exceed 1.5% even for the smallest field considered. Major corrections were identified for the active solid-state detectors. Considering the second formalism, the required corrections exceeded 10%. The dependence of correction factors on phantom material was also investigated. In the last chapter of this thesis, the effect of small asymmetrical air gaps (0.1 up to 1mm) around the sensitive volume of small-cavity ionization chambers within a water-equivalent plastic phantom was studied. Ionization chamber under-response exceeded 1% even for air gaps as small as 0.1mm. Although this effect is minimized if the ionization chamber is positioned parallel to the magnetic field, it may not be considered negligible. Overall results of this thesis underscore the challenges in clinical dosimetry in the presence of a 1.5T magnetic field, and extend the relevant available data with respect to detector response. Therefore, this PhD thesis significantly contributes to the establishment of dosimetry protocols, codes-of-Practice and QA procedures in 1.5T MR-Linac systems.

Το σύστημα 1.5Τ/7MV Unity MR-Linac (Elekta, Crawley, UK) κερδίζει ολοένα και μεγαλύτερη θέση τον τομέα της ακτινοθεραπείας. Ωστόσο, η παρουσία του μαγνητικού πεδίου, το οποίο είναι πάντα κάθετο στη πρωτογενή δέσμη φωτονίων, εξαιτίας της δύναμης Lorentz, επηρεάζει τη τροχιά των δευτερογενών φορτισμένων σωματιδίων, αυξάνοντας τις προκλήσεις κατά τις διαδικασίες πειραματικής δοσιμετρίας. Η μη ύπαρξη ενός καθιερωμένου πρωτοκόλλου δοσιμετρίας ή/και κώδικα πρακτικής, ώστε να λαμβάνονται υπόψη οποιεσδήποτε διαφοροποιήσεις στην απόκριση ενός ανιχνευτή λόγω του μαγνητικού πεδίου, εντείνει αυτές τις προκλήσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή έχει ως στόχο, μέσω Monte Carlo προσομοιώσεων, να συμβάλλει στη επέκταση των ήδη διαθέσιμων δεδομένων που αφορούν τη δοσιμετρία των συστημάτων 1.5Τ/7MV Unity MR-Linac, επιτρέποντας περισσότερες επιλογές ανιχνευτών και διατάξεων κατά τις διαδικασίες ποιοτικών ελέγχων παρουσία ενός 1.5Τ μαγνητικού πεδίου. Στο πρώτο μέρος της διδακτορικής διατριβής, παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο των συστημάτων MR-Linac, καθώς και το αντίστοιχο θεωρητικό υπόβαθρο των Monte Carlo προσομοιώσεων που αποτελούν το βασικό εργαλείο διεξαγωγής της παρούσας εργασίας. Στο δεύτερο μέρος, εξετάζονται οι διαδικασίες ποιοτικού ελέγχου και δοσιμετρίας στα συστήματα 1.5T MR-Linac, ξεκινώντας από την αξιολόγηση της υπολογιστικής ακρίβειας του κώδικα Monte Carlo προσομοιώσεων EGSnrc παρουσία μαγνητικού πεδίου μέσω του ελέγχου επίδοσης Fano. Έπειτα, προσδιορίστηκε ο νεκρός όγκος για ένα σύνολο θαλάμων ιονισμού και η αξιολόγηση της επίδρασής του στα αποτελέσματα υπολογιστικής δοσιμετρίας. Σε επόμενο βήμα υπολογίστηκαν οι παράγοντες διόρθωσης k_(B,Q) για το πεδίο αναφοράς 10×10cm2. Οι θάλαμοι ιονισμού προσομοιώθηκαν σε τέσσερις βασικούς προσανατολισμούς σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο, όπου διορθώσεις ως και 5% προσδιορίστηκαν κατά τους κάθετους προσανατολισμούς. Οι τιμές k_(B,Q) ήταν κοντά στην μονάδα κατά τους παράλληλους προσανατολισμούς σε σχέση με το μαγνητικό πεδίο. Προσπάθεια έγινε να διερευνηθούν ενδεχόμενες εξαρτήσεις των τιμών k_(B,Q) από το πεδίο ακτινοβολίας, το βάθος τοποθέτησης του ανιχνευτή ή το υλικό κατασκευής του ομοιώματος. Αναφορικά με μετρήσεις σχετικής δοσιμετρίας, για ένα σύνολο 4 θαλάμων ιονισμού και μια δίοδο διαμαντιού, προσομοιώθηκε σάρωση των προφίλ της δέσμης ενός 10×10cm2 πεδίου κατά τους x- και y-άξονες. Για τα προφίλ κατά τον x-άξονα μια απόκλιση από τον κεντρικό άξονα της δέσμης περίπου 1.55mm διαπιστώθηκε για έναν ιδανικό ανιχνευτή νερού, λόγω της παρουσίας της δύναμης Lorentz. Κατά την σάρωση των y-προφίλ, με τους θαλάμους ιονισμού τοποθετημένους παράλληλα στο μαγνητικό πεδίο, καταγράφηκαν αποκλίσεις από -0.4mm έως -0.75mm εξαιτίας της επίδρασης του νεκρού όγκου. Οι αποκλίσεις ήταν αμελητέες όταν η σάρωση των προφίλ πραγματοποιήθηκε με τους θαλάμους ιονισμού παράλληλα στον άξονα της δέσμης και κάθετα στο μαγνητικό πεδίο. Επιπρόσθετα, η δίοδος διαμαντιού αναπαρήγαγε τα αποτελέσματα του ιδανικού ανιχνευτή νερού. Μέσω αυτών των αποκλίσεων, καθορίστηκε το ενεργό σημείο μέτρησης των ανιχνευτών για σάρωση προφίλ στους κεντρικούς άξονες της δέσμης. Εκτός από τους ενεργούς ανιχνευτές που αναφέρθηκαν, οι παράγοντες διόρθωσης k_(B,Q) προσδιορίστηκαν για δύο εμπορικά διαθέσιμα Optically Stimulated Luminescence (OSL) δοσίμετρα (παθητικοί ανιχνευτές). Οι τιμές k_(B,Q) υπολογίστηκαν για τους τρεις βασικούς προσανατολισμούς (εγκάρσιο, οβελιαίο και στεφανιαίο επίπεδο). Διορθώσεις ως και 6.4% εντοπίστηκαν, με τις τιμές των k_(B,Q) να ισούνται με μονάδα εντός των αβεβαιοτήτων κατά το εγκάρσιο επίπεδο, ανεξαρτήτως την γωνία περιστροφής του gantry. Αναφορικά με την γωνιακή εξάρτηση τους, εντονότερες αποκλίσεις εντοπίστηκαν με τα OSL δοσίμετρα τοποθετημένα κατά το στεφανιαίο προσανατολισμό. Έγινε προσπάθεια επέκτασης των παραγόντων διόρθωσης για δοσιμετρία στενών πεδίων διαστάσεων ως και 1×1cm2 για ένα σύνολο 6 θαλάμων ιονισμού μικρής κοιλότητας, 4 ενεργών ανιχνευτών στερεάς κατάστασης, καθώς και ένα κυβικό Thermoluminescent Dosimeter (TLD) δοσίμετρο. Δύο προτεινόμενοι δοσιμετρικοί φορμαλισμοί λήφθηκαν υπόψη. Κατά τον πρώτο φορμαλισμό, όπου προσδιορίστηκαν οι τιμές k_(B,Q), οι διορθώσεις για τους θαλάμους ιονισμού δεν ξεπέρασαν το 1.5% ακόμη και για τα πιο στενά πεδία ακτινοβολίας. Μεγαλύτερες διορθώσεις προσδιορίστηκαν για τους ανιχνευτές στερεάς κατάστασης. Κατά τον δεύτερο φορμαλισμό, οι απαιτούμενες διορθώσεις ξεπέρασαν το 10%. Επίσης, διερευνήθηκε η εξάρτηση των διορθωτικών παραγόντων από το υλικό του ομοιώματος κατά την εφαρμογή στενών πεδίων ακτινοβολίας. Στο τελευταίο κεφάλαιο της διατριβής, μελετήθηκε η επίδραση μικρών ασύμμετρων παχών αέρα (0.1 ως 1mm) γύρω από τον ευαίσθητο όγκο θαλάμων ιονισμού μικρής κοιλότητας εντός ενός πλαστικού ομοιώματος ισοδύναμου νερού. Παρατηρήθηκε μια υπο-απόκριση των θαλαμών ιονισμού μεγαλύτερη του 1%, ακόμη και για πάχη αέρα 0.1mm. Αν και το φαινόμενο αυτό ελαχιστοποιείται αν ο θάλαμος ιονισμού τοποθετηθεί παράλληλα στο μαγνητικό πεδίο, δεν μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο. Το σύνολο των αποτελεσμάτων και τα ευρήματα υπογραμμίζουν τις προκλήσεις στην κλινική δοσιμετρία υπό την παρουσία 1.5Τ μαγνητικού πεδίου, και επεκτείνουν τα διαθέσιμα δεδομένα σχετικά με την απόκριση των κυριότερων ανιχνευτών. Συνεπώς, η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει σημαντικά στην καθιέρωση πρωτοκόλλων δοσιμετρίας, κωδίκων πρακτικής και διαδικασιών ποιοτικών ελέγχων στα συστήματα 1.5Τ MR-Linac.