Nova metodologia d’anàlisi de distribucions de dosi per algorismes de càlcul de dosi absorbida en radioteràpia externa que simulen el transport de radiació en medi

Abstract

Introduction Different types of dose calculation algorithms for external beam radiation therapy with MV photons coexist nowadays. The oldest ones are convolution/superposition (C/S), which consider all media as water of different densities and report doses in water surrounded by water (Dw,w). Subsequently, advanced algorithms are incorporated, which model in detail the transport of radiation in the medium and allow reporting the dose in medium surrounded by medium (Dm,m) or in water surrounded by medium (Dw,m). Advanced algorithms improve accuracy but, unlike C/S algorithms, their dose values are sensitive to the atomic composition of the medium, which requires new considerations in the analysis of dose distributions and plan optimisation. Purpose To propose a methodology for analysing the absorbed dose distributions obtained with algorithms that model radiation transport in medium that allows using the criteria and parameters established internationally for previous algorithms. To study whether the proposed methodology makes it possible to discern whether the altered dose values are due to tissue composition effects or to a sub-optimal plan. Materials and methods The doses of advanced algorithms are expressed in such a way that their values are not sensitive to the atomic composition, which formally entails introducing a new dose quantity that we have named dose in reference-like medium (Dref,m*). Dref,m* is linked to a reference medium, and is defined as the absorbed dose in a voxel of that medium surrounded by a medium with the same composition but with the same radiation transport properties as the original. A methodology was developed to derive Dref,m* distributions by post-processing Dw,m or Dm,m and applying a correction factor (CF) to each voxel depending on its composition. The CFs were obtained within the planning system with two virtual dummies of varying density and composition. A proof of concept was performed for the advanced Acuros XB algorithm and a 6-VM beam, comparing the Dref,m*, Dm,m, Dw,m and Dw,w results of the AAA C/S algorithm in several cases. Finally, the performance of Dref,m* and the other quantities in the optimisation process was evaluated for three representative cases that were optimised over the PTV with the criteria established for Dw,w to achieve the same dose distributions. The differences between quantities in terms of radiation fluence, robustness and complexity were analysed

Introducció Actualment conviuen diferents tipus d’algorismes de càlcul de dosi per radioteràpia externa amb fotons de MV. Els més antics són els de convolució/superposició (C/S), que consideren tots els medis com a aigua de diferents densitats i reporten les dosis en aigua envoltada d’aigua (Dw,w). Posteriorment s’incorporen els algorismes avançats, que modelen detalladament el transport de radiació en el medi i permeten reportar la dosi en medi envoltat de medi (Dm,m) o en aigua envoltada de medi (Dw,m). Els algorismes avançats milloren en exactitud però, a diferència dels de C/S, els seus valors de dosi són sensibles a la composició atòmica del medi, el que requereix noves consideracions en l’anàlisi de les distribucions de dosi i en la optimització dels plans. Objectiu Proposar una metodologia d’anàlisi de les distribucions de dosi absorbida obtingudes amb algorismes que modelen el transport de radiació en el medi que possibiliti l’ús dels criteris i paràmetres establerts internacionalment pels algorismes previs. Avaluar si la metodologia proposada permet discernir si els valors de dosi alterats són deguts a efectes de la composició dels teixits o a una planificació sub-òptima. Material i mètodes Les dosis dels algorismes avançats s’expressen de forma que els seus valors no siguin sensibles a la composició atòmica, el que formalment implica introduir una nova quantitat de dosi que anomenem dosi en medi com de referència (Dref,m*). Dref,m* es vincula a un medi de referència i es defineix com la dosi absorbida en un vòxel d’aquest medi envoltat d’un medi amb la mateixa composició però amb les mateixes propietats de transport de radiació que l’original. Es desenvolupa una sistemàtica per derivar les distribucions de Dref,m* post-processant Dm,m o Dw,m aplicant un factor de correcció (CF) a cada vòxel que depèn de la seva composició. La obtenció dels CFs es fa dins del sistema de planificació amb dos maniquins virtuals amb densitat i composició variables. Es realitza una prova de concepte per l’algorisme avançat Acuros XB i un feix de 6 MV, comparant els resultats de Dref,m*, Dm,m, Dw,m i Dw,w de l’algorisme AAA de C/S en diversos casos. Per últim s’avalua el funcionament de Dref,m* i de la resta de quantitats en el procés d’optimització mitjançant tres casos representatius que s’optimitzen sobre el PTV seguint els criteris establerts per Dw,w per aconseguir les mateixes distribucions de dosi. S’analitzen les diferències entre quantitats pel que fa a fluència de radiació, robustesa i complexitat