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Conference Papers Year : 2009

A new method to determine the initial energy spectrum of the linear accelerator for Monte Carlo radiotherapy treatment planning

Nouvelle méthode de détermination du spectre en énergie initial d'un accélérateur linéaire en vue d'une planification de traitement en radiothérapie par Monte Carlo

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Abstract

Introduction: Since the end of 1990s, treatment planning systems offering Monte Carlo (MC) dose calculation tools have emerged. These methods are considered to be the most accurate in medical physics. However, to calculate the dose by MC, the characteristics of the primary electron beam at the exit of the accelerator after the magnetic deflection must be first determined. Unfortunately, these characteristics are relatively unknown. In MC simulation, the initial energy spectrum is usually approximated to a gaussian distribution by optimizing empirically its mean energy, standard deviation and energy window. This study proposes a novel method faster and more deductive for determining the initial energy spectrum of an accelerator. Materials and Method: The method relies first on several MC simulations (PENELOPE) of depth-dose curves in water by considering a set of monoenergetic initial beams. Afterward, the least squares method with non-negativity constraint is used to determine the energy spectrum. We consider the one who gives the depth-dose curve (reconstructed by linear combination between curves simulated from different energies) that fits the measurements. This method is used to simulate beams from the Saturne-43 (12 MV photon and 18 MeV electron modes) and Siemens-Primus (25 MV photon and 9 MeV electron modes) accelerators. The gamma index test is used to compare the calculated and measured dose distributions. Results: The gamma index results show a good agreement between measured and calculated dose distributions for both treatment modes (photon and electron) and all field sizes. Differences are less than 1%-1mm for depth-dose curves and less than 2%-1mm for dose profiles. Conclusions: These results validate the method developed here for determining the initial energy spectrum of the accelerator. This method determines the best spectrum in the least-squares sense. The results also highlight the speed and simplicity of this method that distinguishes only one degree of freedom including the mean energy, energy distribution (including asymmetry of the spectrum) and the energy window of the primary electrons beam.
Introduction : Depuis la fin des années 90, des systèmes de planification de traitement offrant des options de calcul de dose par Monte Carlo (MC) sont apparus. Ces méthodes sont considérées comme étant les plus précises. Cependant, pour calculer la dose par MC, il faut, tout d'abord, déterminer les caractéristiques du faisceau d'électrons primaires à la sortie de la déviation magnétique de l'accélérateur. Malheureusement, ces caractéristiques sont relativement mal connues. En simulation MC, le spectre énergétique des électrons primaires est souvent approximé à une distribution gaussienne en optimisant empiriquement ses énergie moyenne, écart-type et fenêtre en énergie. Cette étude propose une nouvelle méthode plus déductive, méthodique et rapide d'ajustement du spectre énergétique initial d'un accélérateur. Matériel et Méthodes : La méthode repose sur plusieurs simulations MC (PENELOPE) du rendement en profondeur dans l'eau, réalisées en considérant différents faisceaux initiaux monoénergétiques. Ensuite, le principe des moindres carrés avec la contrainte de non-négativité est utilisé pour déterminer le spectre énergétique permettant d'obtenir un rendement en profondeur (reconstruit par combinaison linéaire entre les rendements simulés à différentes énergies) se conformant aux mesures expérimentales. Cette méthode est utilisée pour simuler les faisceaux issus des accélérateurs Saturne-43 (modes photon 12MV et électron 18MeV) et Siemens-Primus (mode photon 25MV et électron 9MeV). L'index gamma est utilisé pour évaluer la concordance entre les simulations et les mesures en quantifiant les écarts entre elles. Résultats : Les résultats du test de l'index gamma montrent un bon accord entre les distributions de dose mesurées et calculées pour les deux modes de traitement et toutes les tailles de champs. Les écarts sont inférieurs à 1%-1mm pour les rendements en profondeur et inférieurs à 2%-1mm pour les profils de dose. Conclusions : Ces résultats valident la méthode mise au point pour la détermination du spectre énergétique initial de l'accélérateur. Cette méthode permet de déterminer le meilleur spectre au sens des moindres carrés. Les résultats mettent aussi en évidence la rapidité et la simplicité de cette méthode qui ne distingue qu'un seul degré de liberté incluant l'énergie moyenne, la distribution énergétique (incluant l'asymétrie) et la fenêtre en énergie des électrons primaires.
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cea-02562712 , version 1 (05-05-2020)

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  • HAL Id : cea-02562712 , version 1

Cite

Bouchra Habib, Bénédicte Poumarède, Jean Barthe. Nouvelle méthode de détermination du spectre en énergie initial d'un accélérateur linéaire en vue d'une planification de traitement en radiothérapie par Monte Carlo. 48èmes Journées Scientifiques de la Société Française de Physique Médicale (JS-SFPM - 2009), Société Française de Physique Médicale, Jun 2009, Montauban, France. ⟨cea-02562712⟩
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