Разработка модели источника кобальтовой установки Гамма-Нож для верификации радиохирургических планов облучения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.14.03, кандидат наук Меджадж Туфик

• Меджадж Туфик
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Меджадж Туфик

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Радиохирургическая система Гамма-нож

1.2. Система планирования Лекселл Гамма-план (ЛГП)

1.3. Анализ подходов к моделированию установки Гамма-нож Perfexion

1.3.1 Анализ подхода к моделированию в работе [3]

1.3.2 Анализ подхода к моделированию в работе [4]

1.3.3 Анализ подхода к моделированию в работе [5]

1.3.4 Анализ подхода к моделированию в работе [6]

1.3.5 Сравнение подходов к моделированию установки Гамма-нож модели Perfexion

1.4. Применение метода Монте-Карло для установки Гамма-нож

1.5. Программный пакет Penelope/PenEasy

1.6. Структура входного файла для penEasy

1.6.1 Раздел настройки моделирования

1.6.2 Модели источников

1.6.3 Энергия частицы

1.6.4 Источник файла фазового пространства (PSF)

1.6.5 Геометрия

1.6.6 Параметры процесса переноса излучений

1.6.7 Расчеты функционалов поля излучения

1.6.8 Методы уменьшения дисперсии

1.7. Программное обеспечение Pengeom для моделирования геометрии

ГЛАВА 2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ИСТОЧНИКА ИЗЛУЧЕНИЯ РАДИОХИРУРГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ЛЕКСЕЛЛ ГАММА-НОЖ PERFEXION МЕТОДОМ МОНТЕ-КАРЛО

2.1. Геометрия коллимационной системы аппарата Гамма-ножа модели Perfexion

2.2. Источники аппарата Гамма-нож Perfexion

2.3. Азимутальное перераспределение частиц в файле фазового пространства

2.4. Параметры моделирования системы Гамма-нож

2.4.1. Физические параметры моделирования

2.4.2. Выбор угол расходимости пучка (угол полу-апертуры)

2.4.3. Пороговая энергия

2.4.4. Расчет дозовых распределений в водном фантоме

2.5. Результаты

2.5.1. Угол полу-апертуры

2.5.2. Выходные факторы

2.5.3. Дозовые профили коллиматоров аппарата Гамма-нож

Perfexion

2.6. Экспериментальная валидация расчетов методом Монте-Карло для аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion с помощью радиохромной дозиметрической пленки EBT3

2.6.1. Дозиметрическая пленка GAFChromic EBT3

2.6.2. Калибровка и обработка пленок

2.6.3. Дозовые профили и относительные факторы выхода

ГЛАВА 3. МОДЕЛИРОВАНИЕ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕ КТ ИЗОБРАЖЕНИЙ ПАЦИЕНТА

3.1. PenEasy воксельная геометрия

3.2. DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine)

3.3. Упрощенная структура файла DICOM

3.4. Облучение мишени в фантоме

3.5. Сравнение доз для клинического случая

3.6. Результаты

3.6.1. Первый случай

3.6.2. Второй случай

3.6.3. Третий случай

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список иллюстраций

Список таблиц

Литература

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка модели источника кобальтовой установки Гамма-Нож для верификации радиохирургических планов облучения»

Актуальность работы

В настоящее время методы стереотаксической радиохирургии являются важнейшей частью комплексного лечения различных интракраниальных патологий (доброкачественных внемозговых образований, первичных опухолей головного мозга, метастазов, сосудистых патологий и функциональных расстройств). Стереотаксическая система Гамма-нож является "золотым стандартом" современного нейрорадиохирургического лечения. Это обусловлено высокой точностью и прецизионностью лучевого лечения, а также имеющимися клиническими результатами, полученными более чем за 50-летнюю мировую историю использования данной установки. Особенности конструкции аппарата и функциональность системы планирования (Leksell Gamma Plan) позволяют создавать планы облучения с высокими показателями конформности и селективности, значительно минимизируя дозу на здоровые ткани головного мозга.

В качестве источников ионизирующего излучения в системе Гамма - нож используются 192 пучка излучения от источников кобальта-60, которые, пройдя систему коллимации, пересекаются в фиксированной точке -изоцентре, создавая почти сферическое дозовое распределение. Такое подведение дозы к изоцентру называется шотом (от англ. shot - выстрел). Использование различное количество шотов позволяет получать дозовое распределение необходимой формы соответствующей облучаемому очагу (т.н. конформное дозовое распределение). Для формирования пучков используются круглые коллиматоры малых диаметров, которые для самых современных установок Гамма-нож - Perfexion составляют 4, 8 и 16 мм.

Основным методом расчета дозовых распределений в используемой в

медицинской практике планирующей системы Leksell Gamma Plan является

алгоритм TMR 10 в предположении полной гомогенности и

водоэкивалентности структур внутри головы пациента, что значительно

ускоряет расчет дозовых распределений. Вместе с установкой Perfexion для

5

учета влияния гетерогенностей (кости, воздушные полости и т.д.) был представлен алгоритм Convolution (свертка). Для расчета дозовых распределений c помощью этого алгоритма необходимо задать электронные плотности, полученные с помощью компьютерной томографии. Несмотря на существенное приближение метода TMR 10 большинство мировых центров используют именно его при планировании облучения на установке Гамма-нож, так как уровни предписанных краевых доз и оценки дозовых нагрузок на критические структуры определены с учетом клинических результатов, полученных на основе расчетов методом TMR. Для перехода к использованию алгоритма convolution требуется исследование дозиметрических различий между convolution и TMR 10.

Единственным референсным методом, позволяющим наиболее точно рассчитать дозу в условиях гетерогенности, является моделирование транспорта излучения методом Монте-Карло. Например, различия между расчетами методом Монте - Карло и TMR10 составляют 11% [1]. Несмотря на активное применение метода Монте-Карло для моделирования переноса излучения для медицинских линейных ускорителей, в литературе представлено не так много работ по моделированию системы Гамма-нож модели Perfexion. Большинство авторов используют метод Монте-Карло в качестве эталонного для проверки экспериментальных данных факторов выхода и дозовых профилей. Однако, представленные в литературе результаты ограничены расчетами в геометрии гомогенных фантомов, виртуальных клинических случаев или без четкого различия между алгоритмами [1, 2, 3, 4, 5, 6]. Создание модели источника системы Гамм-нож и выполнение по ней расчетов представляет сложность вследствие нетривиального представления коллимационной системы Гамма-нож Perfexion. Кроме того, детальные информация о конструкции аппарата является конфиденциальной и, как правило, не предоставляется фирмой-производителем. Это ограничивает задание истинных параметров для

расчетов методом Монте-Карло в качестве верификации планов облучения мишеней на аппарате Гамма-нож.

Таким образом, разработка модели Гамма-ножа без возможности использования детальной информации от производителя для последующих дозиметрических расчетов методом Монте-Карло, как инструмента верификации радиохирургических планов облучения, является крайне актуальной задачей.

Цель работы

Целью диссертационной работы является разработка модели источника излучения кобальтовой установки «Гамма-нож» Perfexion для корректного проведения дозиметрических расчетов методом Монте-Карло.

В рамках диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

1- Разработка модели источника излучения кобальтового аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion (Elekta AB) (Лекселл Гамма-нож Perfexion) ввиду отсутствия необходимой информации по конструкции установки для проведения дозиметрических расчетов методом Монте-Карло.

2- Моделирование методом Монте-Карло установки Гамма-нож модели Perfexion с помощью разработанного алгоритма поворота частиц в файле фазового пространства PSF (phase space file).

3- Сравнение выходных факторов и дозовых распределений излучения аппарата с литературными данными и нашими экспериментальными результатами.

4- Создание воксельного фантома с использованием изображений DICOM (Digital Imaging and Communications in Medicine) для верификация дозиметрических расчетов методом Монте-Карло установки Гамма-нож Perfexion.

5- Проведение расчета и получение планов облучения пациента с помощью разработанного инструментария.

6- Сравнение результатов расчета с методами TMR10/Convolution для различных клинических случаев.

Научная новизна

1- Впервые создана модель источника кобальтового аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion (Elekta AB) в условиях отсутствия детальной информации по техническим особенностям установки. Проведенное сравнение с экспериментальными данными показало хорошее совпадение дозовых распределений в гомогенной среде для размеров коллиматора 16, 8 и 4 мм.

2- Разработано программное обеспечение для конвертации изображений DICOM в воксельном фантоме, позволяющее проводить расчеты методом Монте-Карло для конкретного пациента.

3- Проведены расчеты дозовых распределений методом Монте-Карло для реальных клинических случаев, а также сравнение полученных результатов с алгоритмами TMR10/Convolution.

Практическая ценность

Практическая ценность работы состоит в возможности позволить выявить клинические случаи, для которых наличие гетерогенность существенно влияет на точность расчета дозовых распределений. Таким образом, использование разработанного метода расчёта в практике имеет важнейшее значение с точки зрения повышения качества проведения радиохирургического облучения.

Кроме того, результаты данной работы позволят выполнять расчеты дозовых распределений излучения методом Монте-Карло для верификации планов облучения на кобальтовой установке Гамма-Нож. Техника получения информации о недоступных деталях конструкции установки, а также процедура создания воксельного фантома на основе данных DICOM могут быть использованы в аналогичных задачах по моделированию переноса излучения от радиотерапевтических установок.

Основные положения, выносимые на защиту

1- Модель источника излучения аппарата Гамма-нож Perfexion, обеспечивающая корректные расчеты дозовых распределений в гомогенной среде для коллиматоров 16, 8 и 4 мм.

2- Программное обеспечение для обеспечения конвертации изображений DICOM в воксельный фантом, позволяющее проводить расчеты дозовых распределений методом Монте-Карло для реального клинического случая.

3- Результаты дозиметрических расчетов для клинического случая с помощью разработанного инструментария.

Достоверность научных результатов

Достоверность представленных результатов подтверждается применением теоретических методов и программного обеспечения, неоднократно проверенных при решении широкого круга задач в предметной области. Результаты работы проверялись воспроизведением экспериментальных данных численным моделированием методом Монте-Карло.

Личный вклад

Автору диссертации принадлежит основная роль в постановке задач, выборе адекватных методов их решения, проведении расчетов, анализе и обобщение результатов, формулировке выводов. Диссертация является самостоятельной работой, в которой представлены результаты, полученные автором лично либо при его непосредственном участии. Автор принимал активное участие в подготовке статей, текстов докладов и их представлении на конференциях.

Апробация работы

Основные результаты и положения диссертации докладывались и обсуждались на всероссийских и международных конференциях:

• 3-й Международный симпозиум «Физика, техника и технологии для биомедицины», Москва, 2018;

• XV Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров 2018», Обнинск, 2018;

• II Всероссийский научно-образовательный конгресс с международным участием «Онкорадиология, лучевая диагностика и терапия», Москва, 2019;

• VIII Международная молодежная научная школа-конференция «Современные проблемы физики и технологий», Москва, 2019.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано 12 печатных работ, отражающих основное содержание диссертации, из них 2 статьи в изданиях, индексируемых Web of Science и/или Scopus, 5 статей в журналах, входящих в список ВАК.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы, включающего 57 источник. Общий объём работы составляет 113 страницы, содержит 71 рисунков и 9 таблиц.

I IА В A I ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР

1.1. Радиохирургическая система Гамма-нож

В 1950-х годах, шведские профессоры Бёрье Ларсон из Уппсальского университета и Ларс Лекселл из Каролинского института в Стокгольме, Швеция, начали первые исследования по применению пучков протонов в стереотаксической радиохирургии. От этого подхода в конечном итоге отказались, так как он был сложным и дорогостоящим. Вместо этого, в 1967 г. исследователи построили первый аппарат Гамма-ножа, использующий в качестве источника ионизирующего излучения радионуклид кобальт-60 в Каролинском институте, и затем в течение 12 лет применялся шведскими нейрохирургами. В работе Лекселла эта новая хирургическая техника была названа "стереотаксической радиохирургией" [7].

Гамма-нож - это специализированный нейрохирургический инструмент для лечения различной внутричерепной патологии [8]. Аппараты Лекселл Гамма-нож производятся шведской фирмой Электа (Elekta). В этой системе используется энергия гамма-излучения радиоактивного источника кобальта-60, сфокусированная в одной точке (изоцентре) (Рис. 1.1).

В настоящее время во всем мире работает свыше 350 установок Лекселл Гамма-нож (Leksell Gamma Knife) и к 2017 г. на этих аппаратах по всему миру было пролечено более 1,1 млн пациентов. На территории России первая установка Гамма-нож была внедрена в НИИ нейрохирургии им. Н.Н. Бурденко в 2005 г. [9].

С момента лечения первого пациента на аппарате Гамма-нож в 1967 г. эта система подвергалась постоянному совершенствованию; изменения коснулись как радиационного модуля, так и коллимационной системы, а также системы позиционирования пациента. В 2007 г. фирма Elekta выпустила новую модель установки Гамма-нож - Leksell Gamma Knife Perfexion. Общий вид установки показан на Рис. 1.2 [10].

Рис. 1.1. Схема радиационного модуля установки Гамма-нож Perfexion

Рис. 1.2. Общий вид установки Гамма-нож модели Perfexюn (ФГАУ НМИЦ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко)

Радиационная полость (свободное пространство для позиционирования головы пациента) системы Perfexion имеет форму усеченного конуса в отличие

12

от полусферических форм предыдущих моделей. Такая модификация привела к увеличению радиационной полости и позволила сделать возможным облучение мишеней, располагающихся на уровне второго шейного позвонка. Первичный и вторичный коллиматоры предыдущей модели С заменены одним, большим коллиматором из вольфрама толщиной 12 см [10].

Коллимационные отверстия расположены пятью концентрическими кольцами. При этом, в модели Perfexion источники расположены ближе к изоцентру (расстояние источник-изоцентр от 374 до 433 мм) [10]. Это привело к большей мощности дозы и соответственно более быстрому процессу облучения. Коллиматор имеет 8 секторов, в каждом секторе 72 отверстия (по 24 коллимационных отверстия для пучков диаметром 4, 8 и 16 мм). Все 192 источника 60Co находятся в 8 секторах, расположенных над поверхностью коллиматора.

Сам коллиматор абсолютно неподвижен, однако каждый сектор с источниками может перемещаться независимо от других секторов в одном из пяти положений: расположение источников напротив каждого из трех доступных диаметров 4, 8 и 16 мм (включены 3 позиции); положение, при котором излучение из источников отсутствует (выключенное, каждый источник расположен между 4 и 8 мм коллимационным каналом); исходное положение источников (home position). Для перемещения секторов используется серводвигатель. Коллимационная система установки Гамма-нож модели Perfexion изображена на Рис. 1.3.

Рис. 1.3. Устройство коллиматора установки Гамма-нож модели Perfexion

1.2. Система планирования Лекселл Гамма-план (ЛГП)

Дозиметрическое планирование облучения осуществляется в системе Лекселл Гамма-план (Рис. 1.4).

Рис. 1.4. Планирующая система «Leksell Gamma Plan» (План облучения вестибулярной шванномы (вид опухоли), TMR10)

В системе Гамма-план пользователь выбирает положения изоцентров (шотов), вес изоцентра (относительное время облучения в каждом изоцентре), положение головы пациента на кушетке (гамма-угол), размер коллимационного сектора. В более ранних системах Лекселл Гамма-план до создания современной модели Perfexion использовался алгоритм расчета дозовых распределений TMR classic (отношение ткань - максимум). В этом случае доза рассчитывалась также с использованием закона экспоненциального ослабления. Для произвольной точки головы пациента доза от всех источников определяется суперпозицией.

Алгоритм позволяет быстро производить расчет дозы, используя аппроксимацию биологических тканей водой внутри черепа, эквивалентной по радиологическим параметрам [11]. При этом в литературе отмечено, что использование TMR classic обеспечивает корректный расчет дозовых распределений в случае расположения патологических образований в центральной части головы, однако необходимая точность не достигается при облучении мишеней вблизи гетерогенных областей или на периферии [12, 13, 14, 15].

В системе Лекселл Гамма-план версия 10 (Leksell GammaPlan® Version 10) внедрены два новых алгоритма расчета дозы: TMR 10 и алгоритм свертки (convolution). TMR 10 - это усовершенствованная версия TMR classic, в которой обновлены физические параметры (дозовые профили и параметры, определяющие глубинную дозу) с помощью новых экспериментальных данных и результатов расчета методом Монте-Карло [11]. Однако наличие негомогенных областей по-прежнему не учитывается.

Алгоритм свертки позволяет добиться более точного расчета особенно в областях с большим разбросом плотностей ткани [12, 15]. В этом алгоритме используются компьютерная томография, обеспечивающая количественные данные для определения поправок на гетерогенность ткани (числа Хаунсфильда) [11].

Использование алгоритма свертки для планирования на установке Гамма-нож не является общепринятым, так как требует пересмотра выработанных на основании длительного клинического опыта дозовых уровней [14]. В работах, посвященных сравнению различных алгоритмов расчета, показано, что результаты расчета по алгоритму свертки и TMR classic могут отличаться на 11,5 % [15], а результаты расчета по алгоритму свертки и TMR 10 отличаются на 11,6 % [14] и до 15 % [13].

Лекселл Гамма-план (ЛГП) версия 10 была настроена для Гамма-ножа Perfexion и Гамма-ножа 4С в медицинском центре университета Питтсбурга

(University of Pittsburgh Medical Center) в 2011 г.

Мощность дозы для крупнейшего коллиматора аппарата была измерена с помощью ионной камеры Exradin А16 и сферического полистирольного фантома диаметром 16 см в соответствии с протоколом TG 21.

Для получения значений мощности дозы в воде, требуемых системой планирования, к измеренным значениям мощности дозы в полистироле применялся массовый коэффициент поглощения энергии ^m=1,036. В соответствии с рекомендациями изготовителя использовались выходные факторы 1, 0,9 и 0,814 для коллиматоров 16, 8 и 4 мм аппарата Perfexion соответственно [15].

Лечение, которое обычно поставляется в одной фракции, состоит из серии «шотоф» (выстрелов). Каждый такой шот определяется положением изоцентра, сочетанием позиций секторов (соответствующий одному из трех коллиматоров размеров или заблокирован для каждого из 8 секторов) и продолжительностью.

Развитие алгоритма свертки на основе КТ, был обусловлен несколькими целями, в том числе более надежный способ определения формы черепа, более точный метод расчета рассеянного дозы, и значительное улучшение неоднородности тканей с помощью коррекции дозы.

Для того, чтобы получить калибровочную кривую КТ для алгоритма свертки был сканирован с помощью сканера GE LightSpeed VCT (GE Medical Systems Inc., Waukesha, WI) фантом для оценки электронной плотности модели CIRS 062A с 11 вставками предопределенных значений электронной плотности. Для этого фантома были получены двести осевых изображений с толщиной среза 1,25 мм. Пять чисел хаунсфилда (hounsfiend unit) были взяты из центральной области каждой вставки, и было вычислено усредненное число Хаунсфилда.

В Таблица 1.1 приведены относительные плотности электронов (относительно воды) и соответствующие эквивалентные материалы для 11 вставок для получения калибровочной кривой КТ [15].

Таблица 1.1. Относительные электронные плотности и эквивалентные материалы для 11 вставок, используемых для калибровки электронной

плотности КТ

Относительная электронная плотность Эквивалент материала

0 Воздух

0,2 Легкое (при вдохе)

0,5 Легкое (при выдохе)

0,97 Жировая ткань

0,99 Грудь

1,0 Вода

1,6 Мускул

1,7 Печень

1,16 Трабекулярная кость

1,61 Плотная кость

3,98 Титановая стержень

В настоящее время единственным методом, обеспечивающим точный расчет дозы в случае наличия гетерогенных областей, особенно в малых полях, является метод Монте-Карло (ММК) [1]. Внедрение алгоритмов расчета на основе ММК в рутинное планирование облучения на установке Гамма-нож является крайне актуальной задачей, так как в случае нейрохирургической патологии мишени могут располагаться вблизи воздушных полостей и костных структур, например, при облучении патологии глаза [16].

Несмотря на активное применение метода Монте-Карло для моделирования переноса излучения в радиотерапевтических установках в литературе представлено не так много работ по использованию данного метода для моделирования системы Гамма-нож модели Perfexion. Большинство авторов используют ММК в качестве «золотого стандарта» проверки факторов выхода и дозовых профилей установки Гамма-нож модели Perfexion [3, 4, 5, 6]. Это может быть связано с тем, что конструкция модели Perfexion значительно отличается от предыдущих моделей (4B, 4C) сложностью коллимационной системы и расположением источников. Кроме того, конфиденциальность детальной информации о конструкции аппарата препятствует эффективной разработке модели источника излучения данной установки.

1.3. Анализ подходов к моделированию установки Гамма-нож Perfexion

Можно выделить четыре программных пакета, описанные в литературе, для моделирования излучения методом Монте-Карло на установке Гамма-нож модели Perfexion: Penelope [17], Geant4 [18], EGSnrc [19], FLUKA [20].

Сведения о конструкции аппарата были предоставлены фирмой производителем Elekta AB после подписания соответствующего соглашения.

1.3.1 Анализ подхода к моделированию в работе [3]

В работе [3] с помощью программы Penelope было проведено моделирование одного сектора системы Гамма-нож модели Perfexion, а доступные данные из спецификации позволили провести более точные расчеты. Автор работы получил информацию о деталях конструкции аппарата, а именно, сведения о диаметрах концентрических цилиндров, из которых состоит вольфрамовый коллиматор, а также о положении и расстояниях до источников, информацию о наклоне коллиматора относительно нормали.

В этой модели используется 17 точечных источников, расположенных внутри 17 мм цилиндра. Фотоны испускаются в телесном угле 450 относительно изоцентра (Рис. 1.5).

Рис. 1.5. Модель из 17 точечных источников (белые точки в центре втулки) вдоль объема источника 60Со внутри капсулы и втулки. Начальный телесный угол испускаемых фотонов от каждого источника 45° (полупрозрачные

конусы справа)

После проведения дополнительных расчетов было установлено, что размер угла полу-апертуры (угол между крайним лучом и центральной осью конического пучка) в 22,5о является достаточным и поэтому излучение фотонов ограничивалось этим углом, а доза излучения интегрировалась по

объему 2,1 мм3 (такой объем был выбран для соответствия значениям алгоритма ТМЯ 10).

Величина начальной энергии источника 60Со разыгрывалась случайно с вероятностью 50 % для фотонов (1,17 и 1,33 МэВ) согласно схеме распада радионуклида. Каждый из 17 точечных источников испускал 8,3 х 107 фотонов. Таким образом общее число исходных фотонов составляло 1,4 х109. Расчеты для всех 8 секторов проводились с помощью поворота по оси 2.

1.3.2 Анализ подхода к моделированию в работе [4]

Универсальный программный пакет БЬиКЛ предназначен для проведения расчетов методом Монте-Карло в сложных геометриях и для широкого энергетического диапазона. В работе [4] решается задача моделирования переноса излучения для всех 192 (24х8) источников. При этом учитывались все геометрические особенности коллимационных каналов, положения источников и известные материалы.

Каждый источник, состоящий из гомогенного кобальтового материала, моделировался цилиндрическим объемом с диаметром 1 мм и высотой 18 мм. Гомогенный металлический материал был выбран для моделирования цилиндрических капсул с кобальтовыми гранулами.

При моделировании случайно разыгрывался один из всех 192 источников, а затем производилась равномерная выборка начальной точки формирования пучка внутри объемного источника, а затем для этой начальной точки генерировались фотоны радионуклида 60Со.

При расчетах в водном фантоме пороговая величина энергии фотонов и вторичных электронов равнялась 10 кэВ, а для материалов коллимационной системы эта величина энергии составляла 2 МэВ. Доза рассчитывалась внутри цилиндра радиусом 1 мм и высотой 1 мм (объем 3,1 мм3) с полу-апертурой 5°.

Выходные факторы для каждого размера коллиматора и дозовые профили были рассчитаны по трем координатным осям. Результаты моделирования подтверждались путем сравнения полученных дозовых профилей с измеренными величинами, выполненными с помощью радиохромных самопроявляющихся пленок ЕВТ [21].

1.3.3 Анализ подхода к моделированию в работе [5]

В программа ОБЛКТ4 учитывается, что коллимационный шлем имеет коническую форму снаружи, а внутри - частично цилиндрическую и коническую формы. Сами коллиматоры состоят из нескольких секций конической или цилиндрической формы. При моделировании внутренней полости, все коллиматоры удаляются и только один коллимационный канал (соответствующий выбранному источнику) используется в модели.

Каждый источник представляет собой цилиндр диаметром 1 мм высотой 17 мм, и все источники имеют одинаковую активность. При перемещении с одной позиции на другую источник сохраняет свою ориентацию в пространстве. Поэтому его ось идеально совмещена только с одной осью канала коллиматора (4 мм), узкий угол вращения и небольшой сдвиг используется для двух оставшихся коллиматоров. Источники в этой модели находятся в воздушной среде и не окружены внешней защитной оболочкой или капсулой.

В этой модели используется полу-апертура 5°, а величина интегральной дозы определяется в трех различных объемах: оптимальном и двух кубических 1,7 и 4,1 мм3. Были рассчитаны все 14 (4, 5 и 5) выходных факторов устройства для коллиматоров 16, 8 и 4 мм соответственно, а также эффективные выходные факторы для двух 4 и 8 мм коллиматоров. Дозовые профили вдоль основных осей также определялись для каждого размера коллиматоров.

1.3.4 Анализ подхода к моделированию в работе [6]

Программа БОБпгс является расширенной и улучшенной версией программы БОБ 4 с библиотекой классов языка С++. Основываясь на данных о материальном составе и геометрических деталях, предоставленных Фирмой Б1ек!а в соответствии с соглашением о конфиденциальности, была разработана данная комплексная программа ММК для моделирования излучения установки Гамма-нож модели Рвг/вхгоп, в которой было учтены точное положение и ориентация всех 192 источников радионуклида 60Со.

Фотоны с энергией 1,17 и 1,33 МэВ генерировались в однородном материале из кобальта. Моделирование ММК в этой работе выполнялось для одного размера коллиматоров одновременно. В этой работе были рассмотрены три модели геометрии источника 60Со:

1. Простой подход: металлическая капсула и алюминиевая втулка источника были проигнорированы, в результате чего модель источника (под названием «голый кобальт») состояла исключительно из однородного материала из кобальта плотностью 8,9 г/см3.

2. Более реалистичный подход с капсулой источника из нержавеющей стали, однако втулка по-прежнему игнорируется (модель названа «кобальт и капсула»).

3. Модель с учетом полной геометрии источника.

В этом моделировании рассматривался и изотропный источник и с полуапертурой в 5°. Доза интегрировалась по различным сферическим объемам с радиусами от 0,2 до 3 мм, а затем экстраполировалась к нулевому объему.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Меджадж Туфик, 2022 год

Литература

1. Choi H.J., Chung H.T., Sohn J.W., Min C.H. Independent dose validation system for Gamma Knife radiosurgery, using a DICOM-RT interface and Geant4 // Physica Medica. 2018. Т. 51. С. 117-124.

2. Pipek J., Novotny Jr J., Novotny J., Kozubikova P. Comparison Of Dose Calculation Algorithms For Leksell Gamma Knife Perfexion Using Monte Carlo Voxel Phantoms // Clinician and technology. 2015. Vol. 45. No. 3. pp. 75-81.

3. Best R.C. Monte Carlo Modeling of the Gamma Knife Perfexion™, Wake Forest University, PhD thesis 2012.

4. Battistoni G., Cappucci F., Bertolino N., Brambilla M.G., Mainardi H.S., Torresin A. FLUKA Monte Carlo simulation for the Leksell Gamma Knife Perfexion radiosurgery system: Homogeneous media // Physica Medica. 2013. Т. 29. № 6. С. 656-661.

5. Pipek J. Monte Carlo Model of Leksell Gamma Knife® 4C and Perfexion™, Czech technical university, Prague, PhD thesis 2014.

6. Pappas E.P., Moutsatsos A., Pantelis E., Zoros E., Georgiou E., Torrens M., Karaiskos P. On the development of a comprehensive MC simulation model for the Gamma Knife Perfexion radiosurgery unit // Physics in Medicine & Biology. 2016. Т. 61. С. 1182-1203.

7. History and Technical Overview [Электронный ресурс] // Neurosurgery: [сайт]. URL: https://med.virginia.edu/neurosurgery/ services/gamma-knife/for-physicians/history-and-technical-overview/ (дата обращения: 19.0ctober.2019).

8. Голанов А.В. Введение // В кн.: Нейрорадиохирургия на Гамма-ноже / ред. Голанов А.В., Костюченко В.В. Москва: ИП "Т. А. Алексеева", 2018. С. 29-40.

9. Информация о центре [Электронный ресурс] // Центр «Гамма-нож» при НИИ нейрохирургии им. акад. Н.Н. Бурденко: [сайт]. URL: http: //www.lgk-russia.ru/about/

10. Костюченко В.В. История стереотаксиса и радиохирургии // В кн.: Нейрорадиохирургия на Гамма-ноже / ред. Голанов А.В., Костюченко В.В. Москва: ИП "Т. А. Алексеева", 2018. С. 121-139.

11. Elekta. Leksell GammaPlan®, Elekta Instrument AB, Online Reference Manual Article number: 1018914 Rev. 01 (2011-01), 2011. 476 с.

12. Fallows P., Wright G., Harrold N., Bownes P. A comparison of the convolution and TMR10 treatment planning algorithms for Gamma Knife® radiosurgery // Journal Of Radiosurgery & SBRT. 2018. Т. 5. № 2. С. 157-167.

13. Osmancikova P., NovotnyJr J., Solc J., Pipek J. Comparison of the Convolution algorithm with TMR10 for Leksell Gamma knife and dosimetric verification with radiochromic gel dosimeter // Journal Of Applied Clinical Medical Physics. 2018. Т. 19. № 1. С. 138-144.

14. Rojas-Villabona , Kitchen N., Paddick I. Investigation of dosimetric differences between the TMR 10 and convolution algorithm for Gamma Knife stereotactic radiosurgery // Journal Of Applied Clinical Medical Physics. 2016. Т. 17. № 6. С. 217-229.

15. Xu A.Y., Bhatnagar J., Bednarz G., Niranjan A., Flickinger J., Lunsford L.D., Huq M.S. Dose differences between the three dose calculation algorithms in Leksell GammaPlan // Journal Of Applied Clinical Medical Physics. 2014. Т. 15. № 5. С. 89-99.

16. Костюченко В.В. Особенности РХГН патологий глаза // В кн.: Нейрорадиохирургия на Гамма-ноже / ред. Голанов А.В., Костюченко В.В. Москва: ИП "Т. А. Алексеева", 2018. С. 425-432.

17. Francesc S. PENELOPE-2014 A A Code System for Monte Carlo Simulation of Electron and Photon Transport, NEA-OECD, Barcelona, Spain, Workshop 2015.

18. Geant4 [Электронный ресурс] // Geant4 a simulation toolkit: [сайт]. URL: https://geant4.web.cern.ch/

19. EGSnrc: software tool to model radiation transport [Электронный ресурс] // National Research Council Canada: [сайт]. URL: https:// www.nrc-cnrc.gc.ca/eng/solutions/advisory/egsnrc_index.html

20. Fluka [Электронный ресурс] // Fluka: [сайт]. URL: http:// www.fluka. org/fluka. php?id=about&mm2=1

21. GAFCHROMIC FILMS [Электронный ресурс] // GAFCHROMIC: [сайт]. URL: http://www.gafchromic.com/gafchromLc-film/index.asp (дата обращения: 16.Мау.2019).

22. Sempau J., Badal A., Brualla L. A PENELOPE-based system for the automated Monte Carlo simulation of clinacs and voxelized geometries-application to far-from-axis fields // Med. Phys. November 2011. Т. 38. №2 11. С. 5887-5895.

23. Julio A., Francesc S.P., Gloria D.L., Artur C., Artur C., Antonio M.L., Francesc S. PENGEOM—A general-purpose geometry package for Monte Carlo simulation of radiation transport in material systems defined by quadric surfaces // Computer Physics Communications. 2016. Vol. 199. pp. 102-113.

24. Young-Bin C., Monique van P., David A. J., Mohammad K. I. Verification of source and collimator configuration for Gamma Knife Perfexion™ using panoramic imaging // Medical Physics. March 2010. Vol. 37. No. 3. pp. 1325-1331.

25. Feras M O A.D., Antonio M L., Manuel. A simplified model of the source channel of the Leksell GammaKnife tested with PENELOPE // PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY. 2004. Vol. 49. pp. 26872703.

26. Paula L P. Leksell Gamma Knife® Perfexion™ QA Considerations // AAPM. URL: https://www.aapm.org/meetings/amos2/pdf/42-12073-2170-470.pdf (дата обращения: 30.10.2019).

27. Image analysis software [Электронный ресурс] // Digimizer: [сайт]. [2019]. URL: https://www.digimizer.com/ (дата обращения: 30.10.2019).

28. KARLANDER R. Dynamic treatment with Leksell Gamma Knife Perfexion - A relaxed path sector duration optimization, Royal Institute of Technology, Stockholm, Master's thesis 2015.

29. Maitz , Flickinger J.C., Lunsford L.D. Gamma Knife Technology and Physics: Past, Present, and Future. Vol 14. // In: Gamma Knife Brain Surgery / Ed. by LD L., D K., (eds) F.J. Basel: Karger, 1998. pp. 5-20.

30. Ma , Kjall , Novotny Jr , Nordstrom , Johansson , Verhey. A simple and effective method for validation and measurement of collimator output factors for Leksell Gamma Knife® Perfexion // PHYSICS IN MEDICINE AND BIOLOGY. 2009. Vol. 54. pp. 3897-3907.

31. Yuan , S. Lo , Zheng , W. Sohn , Sloan A.E., Ellis , Machtay , Wessels. Development of a Monte Carlo model for treatment planning dose verification of the Leksell Gamma Knife Perfexion radiosurgery system // JOURNAL OF APPLIED CLINICAL MEDICAL PHYSICS. 2016. Vol. 17. No. 4. pp. 190-201.

32. Lindquist , Paddick. The Leksell Gamma Knife Perfexion and Comparisons with Its Predecessors // OPERATIVE NEUROSURGERY. SEPTEMBER 2007. Vol. 61. pp. 130-141.

33. Bush K., Zavgorodni S., Beckham W. Azimuthal Particle Redistribution for the Reduction of Latent Phase-Space Variance in Monte Carlo Simulations // Physics in Medicine and Biology. 2007. Vol. 52. pp. 4345-4360.

34. Brualla L., Sauerwein W. On the Efficiency of Azimuthal and Rotational Splitting for Monte Carlo Simulation of Clinical Linear Accelerators // Radiation Physics and Chemistry. 2010. Vol. 79. pp. 929932.

35. Moskvin , DesRosiers C., Papiez L., Timmerman , Randall , DesRosiers. Monte Carlo simulation of the Leksell Gamma Knife: I. Source modelling and calculations in homogeneous media // Physics in Medicine and Biology. 2002. Vol. 47. pp. 1995-2011.

36. Gafchromic dosimetry films // Ashland. 2020. URL: http:// www.gafchromic.com/documents/EBT3_Specifications.pdf (дата обращения: 27.February.2020).

37. Huet C., Moignier C., Fontaine J., Clairand I. Characterization of the gafchromic EBT3 films for dose distribution measurements in stereotactic radiotherapy // Radiation Measurements. December 2014. Vol. 71. pp. 3б4-3б8.

38. Lewis , Micke A., Yu X., Chana M.F. An efficient protocol for radiochromic film dosimetry combining calibration and measurement in a single scan // Medical physics. October 2012. Vol. 39. No. 10. pp. б339-50.

39. Chung J.P., Oh S.W., Seong Y.M., Chun K.J., Chung H.T. An effective calibration technique for radiochromic films using asingle-shot dose distribution in Gamma Knife® // Physica Medica. February 201б. Vol. 32. pp. 3б8-378.

40. Devic S., Tomic N., Lewis D. Reference radiochromic film dosimetry: Review of technical aspects // Physica Medica. April 201б. Vol. 32. No. 4. pp. 541-5б.

41. Ferreira B.C., Lopes M.C., Capela M. Evaluation of an Epson flatbed scanner to read Gafchromic EBT films for radiation dosimetry // Physics in Medicine & Biology. January 2009. Vol. 54. No. 4. pp. 1073-1085.

42. León Marroquin E.Y., Herrera González J.A., Camacho López M.A., Villarreal Barajas J.E., García-Garduño O.A. Evaluation of the uncertainty in an EBT3 film dosimetry system utilizing net optical density // Journal

of Applied Clinical Medical Physics. September 2016. Vol. 17. No. 5. pp. 466-481.

43. Schneider C.A., Rasband W.S., Eliceiri K.W. NIH Image to ImageJ: 25 years of image analysis // Nature Methods. June 2012. Vol. 9. pp. 671675.

44. Williams , Metcalfe P. Radiochromic Film Dosimetry and its Applications in Radiotherapy // Concepts and Trends in Medical Radiation Dosimetry. 2011. Vol. 1345. pp. 75-99.

45. Devic S., Seuntjens , Sham , Podgorsak E.B. Precise radiochromic film dosimetry using a flat-bed document scanner // Medical physics. July 2005. Vol. 32. No. 7. pp. 2245-2253.

46. Benmakhlouf H., Johansson J., Paddick I., Andreo P. Monte Carlo calculated and experimentally determined output correction factors for small field detectors in Leksell Gamma Knife Perfexion beams // Physics in Medicine & Biology. April 2015. Vol. 60. No. 10. pp. 3959-3973.

47. Low D.A., Harms W.B., Mutic , Purdy J.A. A technique for the quantitative evaluation of dose distributions // Medical physics. 1998. Vol. 25. pp. 656-661.

48. Novotny J.J., Bhatnagar J.P., Quader M.A., Bednarz , Lunsford L.D., Huq M.S. Measurement of relative output factors for the 8 and 4 mm collimators of Leksell Gamma Knife Perfexion by film dosimetry // Medical Physics. May 2009. Vol. 36. No. 5. pp. 1768-1774.

49. McDonald , Yount , Koch , Ashenafi , Peng , Vanek. Calibration of the Gamma Knife Perfexion using TG-21 and the solid water Leksell

dosimetry phantom // Medical physics. March 2011. Vol. 38. No. 3. pp. 1685-1693.

50. Klawikowski S.J., Yang J.N., Adamovics J., Ibbott G.S. PRESAGE 3D dosimetry accurately measures Gamma Knife output factors // Physics in Medicine & Biology. 2014. Vol. 59. pp. 211-220.

51. Pipek J., Novotny J., Novotny J., Kozubikova P. A modular Geant4 model of Leksell Gamma Knife Perfexion // Phys Med Biol. December 2014. Т. 59. № 24. С. 7609-7623.

52. Home [Электронный ресурс] // DICOM® (Digital Imaging and Communications in Medicine): [сайт]. URL: https:// www.dicomstandard. org/

53. IEC Subcommittee 62C Working. Digital Imaging and Communications in Medicine (DICOM) Supplement 11 Radiotherapy Objects, DICOM RT Supplement 4 June 1997.

54. Schneider , Bortfeld , Schlegel W. Correlation between CT numbers and tissue parameters needed for Monte Carlo simulations of clinical dose distributions // Phys. Med. Biol. February 2000. Т. 45. № 2. С. 459-478.

55. What Is LabVIEW? [Электронный ресурс] // National instruments: [сайт]. URL: http://www.ni.com/da-dk/shop/labview.html (дата обращения: 21.April.2019).

56. Vanderstraeten , Pik Wai C., Fix M., Leal , Mora , Reynaert , Seco , Soukup M., Spezi , De Neve , Thierens. Conversion of CT numbers into tissue parameters for Monte Carlo dose calculations: a multi-centre study // Physics in Medicine & Biology. 2007. Т. 52. № 3.

57. Fedorov , Beichel , Kalpathy-Cramer , Finet , Fillion-Robin J.C., Pujol , Bauer , Jennings , Fennessy , Buatti , et al. 3D Slicer as an image computing platform for the Quantitative Imaging Network // Magnetic Resonance Imaging. November 2012. Vol. 30. No. 9. pp. 1323-1341.