L impiego della simulazione Monte Carlo nell ambito della radioterapia

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1 L impiego della simulazione Monte Carlo nell ambito della radioterapia Lidia Strigari e Annelisa d Angelo Lab Fisica Medica e Sistemi Esperti Perché si usa / non si usa Consente la corretta determinazione della dose: In situazioni in cui il setup di misura è complesso quando gli algoritmi del TPS possono evidenziare le proprie di limitazioni Non è utilizzabile per la routine a causa dei lunghi tempi di calcolo 2 1

2 Individuare i parametri della macchina dati della ditta costruttrice Rappresentazione schematica del funzionamento 3 commissioning di un MLC 4 2

3 Nel commissioning di un MLC usando BEAM/EGS, la densità delle lamelle ed il gap d aria hanno un effetto preponderante sulla trasmissione e sul leakage mentre la geometria e la distribuzione della sorgente hanno meno effetto 5 Come? Impostazione della simulazione tramite il ottimizzare lo spettro codice Effettuare misure sperimentali sulla specifica macchina in geometrie semplici 6 3

4 MLC The BEAM code system (NRCC) è stato sviluppato per descrivere il trasporto tenendo conto della geometria del MLC * Per migliorare l efficienza di calcolo sono stati sviluppati alcuni approcci: (a) metodo di trasporto modificato: primo scatter Compton o scatter multipli, ignorando gli elettroni Compton; (b) metodo di sorgente multiple parametrizzata che simula i campi quadrati definiti dalle jaws; che richiedono modelli espliciti o empirici per il trasporto nel MLC E importante delineare degli esperimenti per testare la accuratezza del trasporto attraverso MLC *) component module developed by Heath and Seuntjens (PMB 48: (2003)) for the Varian Millenium 120-leaf MLC 7 Il calcolo è un processo a due step predizione della fluenza incidente deposito energia nel paziente/phantom 8 4

5 Conoscere la fisica del MC Tra i modelli della fisica di Geant 4, il modello standard non tiene conto dell effetto di rilassamento atomico conseguente all effetto fotoelettrico, che è tenuto presente in penelope e low energy Nelle simulazioni di fasci di fotoni, tutti i modelli sono in accordo con EGSNRC entro il 2%, eccetto che nella regione di build-up. 9 Ottimizzazione della simulazione: Numero di storie Tecniche di riduzione della varianza Tecniche di riduzione del tempo di calcolo 10 5

6 Influenza del numero di storie 150 M storie 10 M storie 10 G storie 11 Influenza del numero di storie Isodose 95% 12 6

7 Influenza del numero di storie Effetto delle incertezze sui DVHs 13 Definizione di efficienza L efficienza è data dalla relazione ε=1/(σ 2 T) Dove σ 2 è la varianza nella quantità di interesse (e.g. dose) e T è il tempo della CPU necessario per ottenere tale varianza Gli approcci per migliorarla sono: (a) ridurre σ 2 per un dato T (b) ridurre T per un dato N (n. di storie) 14 7

8 VRT s and EET s classificazione : (a) metodi per ridurre σ 2 mentre forniscono risultati matematicamente unbiased sono detti di variance reduction techniques (VRT s) : ex. photon forcing, bremsstrahlung splitting, Russian roulette (b) metodi che reducono T per un dato N ma approssimati (introducono un bias) e sono detti efficiency enhancing techniques (EET s) : ex. Range rejection and electron/photon energy cutoffs Entrambi sono vitali nei calcoli MC per scopi clinici e se usate in modo giudizioso possono migliorare la velocità AAPM TG Variance reduction techniques (VRT) Photon forcing: il fotone padre è forzato a interagire con un peso appropriato a ridurre il risultato prodotto in modo unbiased Bremsstralung splitting: l elettrone è forzato a produrre molti fotoni di bremss., che hanno un peso appropriato al peso della particella Russian roulette: tipicamente sono basati su eventi di piccolo interesse; le particelle che sono terminate con una data probabilità sopravvivono con una probabilità inversa a rendere la simulazione unbiased 16 8

9 Tecniche di Efficiency Enhancing (EET) Range rejection: le storie degli elettroni sono terminate quando il range residuo è tanto piccolo che l elettrone non può fuggire dalla regione Questo metodo ignora la possibile creazione di fotoni di bremsstralhung (bias) Energy cutoffs: fotoni and elettroni sono terminati se le energie sono al di sotto del cutoff di bassa energia (bias ignora le reazioni sotto la soglia di energia) 17 Tecniche di Efficiency Enhancing Ovviamente la descrizione del trasporto di un fascio di elettroni è legata alle soglie di produzione di elettroni e fotoni, il maximum electron step size, 18 9

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11 MC and IMRT MC è più accurata in quanto tiene conto degli effetti del MLC dell eterogeneità e della fluenza riduce gli errori di convergenza

12 23 Riepilogo 1. la dose varia bruscamente alle interfacce; 2. le variazioni dipendono dall arrangiamento dei fasci e dall energia dei fotoni; 3. la dose diffusa cresce con l energia; 4. l uniformità migliora con la diminuzione dell energia

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14 Incertezze Statistiche AAPM TG-105 report È preferibile riportare le incertezze riferite ad un volume piuttosto che a dei punti, i.e. LD>50%Dmax, LPTV, or LPRV Punti di dose (ex. Dose max) sono soggetti a larghe fluttuazioni statistiche (*) possono essere di interesse nel caso di organi seriali Evitare la prescrizione ad una isodose negli studi clinici in cui si ha una incertezza inferiore o uguale al 2% mostrano che le isodosi, i DVHs o gli indici biologici sufficientemente accurati (*) Kawrakow and Fippel, PMB: 45, (2000) 27 Riepilogo Ottimizzazione della simulazione Verifica sperimentale Le differenze tra MC e algoritmi dipendono: Arrangiamento, dimensione, energia dei fasci Dimensione e localizzazione del tumore Impiego di campi piccoli Presenza di disomogeneità, Regioni di alto gradiente - disequilibrio elettronico Situazioni in cui la mancanza di CPE in cui gli algoritmi convenzionali sono inaccurati 28 14

15 Riepilogo: Implicazioni radiobiologiche Aumentando il grado di accuratezza, i calcoli basati sul MC possono descrivere meglio sia il controllo del tumore che dei tessuti normali Le relazioni dose effetto mostrano che le complicazioni al polmone si osservano a dosi più basse del 15-20%. I valori del parametro TD 50 per la polmonite da radiazione varia da 34Gy a 29Gy. NTCP(%) NTCP* NTCP ML dose 29 Rotazione del modulatore Rotazione del modulatore intorno all asse verticale rispetto al piano orizzontale Incilnazione della testa intorno all asse verticale alto/basso destra/sinistra

16 9 MeV PDD Energia - 7 MeV e 9 MeV Profondità in acqua (mm) Profili - energia 7 MeV 22.5 Applicatore 80 mm superficie dmax 12mm 17 mm 20 mm 25 mm 70 dose % Distanza dall'asse(cm) 31 La geometria di irraggiamento La schematizzazione... e la realtà Applicatore angolato ϑ Superficie fantoccio Asse geometrico centrale Asse clinico 32 16

17 Simulazione per la radiazione neutronica 33 Fig. 1: The energy efficiency a-si Elekta EPID. 17