Browsing by Author "Braziewicz, Janusz"
Results Per Page
Sort Options
Item Application of Monte Carlo methods in transport modelling of the therapeutic proton beam(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Science, 2018) Kłodowska, Magdalena; Olko, Paweł; Grzanka, Leszek; Braziewicz, Janusz; Bulski, WojciechKorzystny rozkład dawki cechujący terapię jonową spowodował wzrost liczby centrów terapii hadronowej, głównie protonowych. Techniki z użyciem wiązek protonowych wymagają bardziej zaawansowanych procedur zapewnienia jakości w zakresie dozymetrii i planowania leczenia. Dlatego zastosowanie metod Monte Carlo (MC) stało się nieodłącznym standardem stosowanym w ośrodkach terapii protonowej jako równoległe narzędzie, cechujące się wysoką precyzją i szerokim wachlarzem zastosowań. W Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB), wyposażonym w nowy cyklotron Proteus C- 235, oddano do użytku stanowisko z wiązka poziomą dedykowane do radioterapii protonowej czerniaka gałki ocznej (ang. ELTR) i dwa pomieszczenia z obracanym ramieniem tzw. stanowiska gantry (ang. GTR) do napromieniania guzów o innej lokalizacji. Celem pracy było zbudowanie komputerowych modeli wiązki stanowisk ELTR i GTR, przydatnych we wdrażaniu stanowisk w procesie leczenia. Zadaniem modelu wiązki ELTR była optymalizacja układu pasywnego rozpraszania wiązki spełniającego kliniczne wymogi napromienia« pacjentów z nowotworami gałki ocznej. Celem skonstruowania modelu wiązki GTR było uzyskanie poprawek do mierzonych rozkładów dawki, potrzebnych do właściwego skonfigurowania i weryfikacji systemu planowania leczenia ( ang. TPS commissioning). Modele wiązki ELTR i GTR zostały przygotowane w kodzie MC FLUKA służącym do oblicze« transportu cząstek. Symulacje były uruchamiane na klastrach obliczeniowych dostępnych w Infrastrukturze PL-Grid. Weryfikacja charakterystycznych parametrów wiązki: zasięgu wiązki, szerokości dystalnego spadku dawki, szerokości połówkowej piku Bragga, stosunku dawki maksymalnej do wlotowej czy poprzecznych rozmiarów wiązki ołówkowej (śladu wiązki ang. spot) prowadzona była w oparciu o zmierzone rozkłady dawki głębokiej i poprzeczne profile wiązki protonowej. Wykorzystując model ELTR, analizie poddano układy formowania wiązki złożone z folii tantalowych jako rozpraszaczy o zmiennej grubości i promieniu. Z 87 przeanalizowanych układów, wybrano optymalne trzy spełniające kliniczne wymogi wiązki rozproszonej dotyczące szerokości półcieni, płaskości poprzecznej pola i szerokości poprzecznej pola. Układy te to: układ z pojedynczą folią 60 _m Ta, układ z dwiema foliami 25 _m i 60 _m Ta oraz układ podwójnego pierścienia (ang. dual ring) zawierający wewnętrzny dysk Ta o promieniu r = 6 mm i grubości 80 _m wraz z pierścieniem PMMA o grubości 1 mm. Układ podwójnego rozpraszania cechowała dawka do 28% wyższa w porównaniu do pozostałych dwóch układów pojedynczego rozpraszania, i o 33% wyższa od obecnego systemu pojedynczego rozpraszania w ELTR. By uwzględnić wkład do rozkładu dawki wynikający z dalekozasięgowych reakcji jądrowych wiązki protonowej w ośrodku na stanowisku gantry, zasymulowany został detektor o promieniu r = 20 cm, umożliwiający obliczenie scałkowanego rozkładu dawki głębokiej (ang. Integral Depth- Dose distribution, IDD) z wykorzystaniem skonstruowanego modelu wiązki GTR. Obliczone krzywe IDD pozwoliły na korekcją danych pomiarowych zmierzonych komorą Bragga (ang. Bragg Peak Chamber), sięgające 8:8% dla najwyższej energii wiązki 226:08 MeV . Wyliczone krzywe IDD zostały wzięte jako dane wsadowe wymagane do skonfigurowania systemu planowania leczenia Eclipse ver. 13.6. Od 2016, model wiązki w systemie planowania leczenia Eclipse, uzyskany w oparciu o skorygowane rozkłady dawki jest wykorzystywany do przygotowania planów pacjentów w CCB. Kod MC FLUKA okazał się przydatnym narzędziem do modelowania transportu terapeutycznych wiązek protonowych w CCB. Analiza poprzecznych i głębokościowych rozkładów dawki pozwoliła na wyselekcjonowanie kluczowych parametrów wiązki, koniecznych do weryfikacji obu komputerowych modeli wiązek. W przypadku ELTR, zastosowanie metod MC przy optymalizacji układu rozpraszania pozwoliło na ograniczenie prac ekperymentalnych. W przypadku uzyskanego modelu wiązki GTR, użycie metod MC umożliwiło pokonanie ograniczeń związanych z rozmiarem detektora, w efekcie owocując poprawkami rozkładów dawki o wysokiej precyzji, umożliwiającymi dokładniejsze planowanie terapii. Załączone przykładowe pliki kodu FLUKA z uproszczonymi modelami wiązek dla ELTR i GTR, wraz z podanymi parametrami modelu wizki GTR3 pozwalaj¡ na podjęcie symulacji wykorzystujących wiązki protonowe CCB np. przy planowaniu eksperymentów z dziedziny fizyki medycznej czy radiobiologii.Item Development of the Innovative Positron Emission Tomography for Beam Range Monitoring in Proton Radiotherapy(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2021) Baran, Jakub; Olko, Paweł; Urbanik, Andrzej; Ruciński, Antoni; Braziewicz, Janusz; Szefliński, ZygmuntRadioterapia protonowa jest jedną z metod radioterapii, w której stosuje się wiązki protonów przyspieszonych do energii od 60 MeV do 250 MeV. Radioterapia protonowa pozwala uzyskać bardzo dobry rozkład przestrzenny dawki, a w konsekwencji zredukować dawki do organów krytycznych, zwiększyć w razie potrzeby dawki w targecie i zmniejszyć późne efekty uboczne leczenia. Jedną z największych wad radioterapii protonowej jest niepewność zasięgu protonów w czasie napromieniania pacjenta. Niepewności te mogą prowadzić do znaczącego obniżenia dawki w objętości tarczowej lub jej zawyżenia dla organów krytycznych. W literaturze znanych jest kilka metod mających na celu zredukowanie tego efektu poprzez monitorowanie faktycznego zasięgu wiązki protonowej podczas radioterapii. Jedna z metod wykorzystuje β+ promieniotwórcze radioizotopy, powstające w wyniku oddziaływania protonów z tkanką, których rozpad może być zmierzony przy użyciu skanera pozytonowej tomografii emisyjnej (PET). Celem pracy było zbadanie możliwości wykorzystania systemu PET rozwijanego na Uniwersytecie Jagiellońskim, wykorzystującego nowatorskie detektory zbudowane w oparciu o scyntylatory plastikowe do monitorowania zasięgu terapeutycznej wiązki protonowej. W ramach pracy przygotowano sześć konfiguracji skanera PET na bazie 24, 48 oraz 72 modułów J-PET w formie skanerów cylindrycznych oraz dwugłowicowych. Opracowano metodę badań uwzględniającą obliczenia Monte Carlo z użyciem oprogramowania GATE oraz rekonstrukcję danych PET z użyciem oprogramowania CASToR. Dla każdej konfiguracji geometrycznej skanera wyznaczono współczynnik wydajności η. Ostatnia część pracy polegała na oszacowaniu niepewności wyznaczenia zasięgu oraz optymalizacji parametrów rekonstrukcji: liczby iteracji algorytmu Maximum Likelihood Estimation-Maximization (MLEM) oraz filtru wygładzania. Metodologia rekonstrukcji danych PET została zwalidowana z użyciem fantomu wodnego wypełnionego jednorodną aktywnością radioizotopu β+. Symulacje Monte Carlo wariancji zasięgu aktywności PET w fantomie PMMA pokazały dokładność oceny zasięgu pojedynczej ołówkowej wiązki protonowej na poziomie 0.82-1.25 mm. Stwierdzono, że kompromisem pomiędzy jakością obrazu PET, dokładnością oszacowania zasięgu oraz technologiczną możliwością zintegrowania skanera w pokoju leczenia jest dwuwarstwowy układ dwugłowicowy. Przeprowadzone symulacje oraz rekonstrukcja danych PET z użyciem zanonimizowanych danych pacjenta leczonego w Centrum Cyklotronowym Bronowice, pokazały możliwość rekonstrukcji mapy aktywności PET w sytuacji klinicznej. W celu znalezienia optymalnego filtru wygładzania tej mapy obliczono współczynnik korelacji Pearson’a pomiędzy zrekonstruowaną a symulowaną mapą aktywności. Analiza wykazała, że optymalnym filtrem jest filtr Gaussowski z jądrem 1x1x1. Technologia J-PET jest technologią tańszą, lżejszą, wykazującą się większym polem widzenia oraz z mniejszą ilością elektroniki, w porównaniu do standardowych systemów PET, co czyni ją obiecującą techniką do zastosowania do pomiaru zasięgu w hadronoterapii.Item Optymalizacja badań scyntygraficznych perfuzji mięśnia sercowego wykonywanych za pomocą gammakamery opartej na detektorach półprzewodnikowych na bazie tellurku kadmowo-cynkowego (CZT)(Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2020) Budzyńska, Anna; Dziuk, Mirosław; Kopeć, Renata; Braziewicz, Janusz; Ślosarek, KrzysztofWprowadzenie Na przestrzeni ostatnich kilkunastu lat w kardiologii nuklearnej obserwuje się odchodzenie od gammakamer SPECT ogólnego zastosowania na rzecz wyspecjalizowanych urządzeń, tzw. kamer kardiocentrycznych, zapewniających przede wszystkim dużo większą efektywność obrazowania. Przełomem było zastąpienie kryształów scyntylacyjnych NaI(Tl) detektorami półprzewodnikowymi CZT (tellurek kadmowo-cynkowy). Pierwsza w Europie Środkowo-Wschodniej instalacja skanera kardiologicznego z detektorami CZT, kolimacją zogniskowaną na sercu i układem detektorów pozwalających na przeprowadzenie stacjonarnej akwizycji 3D, miała miejsce w Warszawie, w Wojskowym Instytucie Medycznym (WIM). Cele pracy 1. Analiza ograniczeń skanera CZT, wynikających z zastosowanych rozwiązań konstrukcyjnych i technologicznych, w obrazowaniu pacjentów otyłych. 2. Ocena przydatności stosowania różnych metod pozwalających na redukcję artefaktów wynikających z pochłaniania promieniowania w tkankach miękkich pacjenta: korekcja atenuacji wykorzystująca tomografię komputerową CT z zewnętrznego urządzenia diagnostycznego oraz dodatkowa akwizycja SPECT perfuzji mięśnia sercowego w pozycji na brzuchu. 3. Przeprowadzenie symulacji artefaktów ruchowych i zweryfikowanie możliwości identyfikacji artefaktów na etapie oceny wizualnej oraz możliwości redukcji tych artefaktów. 4. Weryfikacja parametrów czynnościowych lewej komory serca na podstawie badań bramkowanych sygnałem EKG. 5. Ocena jakości badań perfuzyjnych SPECT mięśnia sercowego wykonanych w technologii półprzewodnikowej. Materiał i metody W celu realizacji powyższych zadań wykorzystano bazę badań pacjentów Zakładu Medycyny Nuklearnej WIM (Cele pracy, punkty 1., 2. i 5.), a także przeprowadzono badania z użyciem fantomu antropomorficznego tułowia z wkładką sercową (pkt 3.) oraz fantomu dynamicznego serca, umożliwiającego ustalenie wartości referencyjnych dla frakcji wyrzutowej (pkt 4.). Badania perfuzyjne mięśnia sercowego były opracowywane z wykorzystaniem oprogramowania Myovation (GE) na stacji Xeleris 3.0 lub 3.1. Badania bramkowane SPECT były dodatkowo opracowywane za pomocą aplikacji QGS (Quantitative Gated SPECT, Cedars-Sinai Medical Center). W celu realizacji punktu 3. wykorzystano również oprogramowanie Lister (GE) oraz MDC for Alcyone (Motion Detection and Correction for Alcyone, GE) na stacji Xeleris 3.1. W celu realizacji punktów 1., 2., 3., 5. analizowano badania perfuzyjne serca na podstawie 17-segmentowych map biegunowych z procentowymi wartościami perfuzji oraz przekroje w 3 osiach serca. Dodatkowo, w punkcie 2., analizowano mapy biegunowe z podziałem na ściany serca. Jakość badań perfuzyjnych mięśnia sercowego oceniana była przez czterech niezależnych sędziów (lekarze specjaliści medycyny nuklearnej) w 5-punktowej skali (0–4), gdzie 0 oznaczało obrazy niediagnostyczne, a 4 – obrazy bardzo dobrej jakości. Opracowanie każdego badania z kamery CZT poprzedzone było przeprowadzeniem kontroli jakości skanowania w celu oceny poprawności ułożenia serca w polu widzenia detektorów. Badania na skanerze CZT były wykonywane wg standardowego protokołu klinicznego (badanie na plecach, bez korekcji pochłaniania). W celu realizacji punktu 2. analizowano również badania perfuzyjne wykonane w pozycji pacjenta na brzuchu oraz badania z zastosowaniem korekcji atenuacji na podstawie CT. Do realizacji celów zdefiniowanych w punktach 4. i 5. wykorzystano również badania perfuzyjne SPECT mięśnia sercowego wykonane na konwencjonalnej dwugłowicowej gammakamerze (zarówno bez korekcji, jak i z korekcją pochłaniania promieniowania). Wyniki 1. W niniejszej pracy wykazano, że odsetek badań diagnostycznych wśród pacjentów z otyłością olbrzymią (BMI ≥ 40 kg/m2) wynosi 67% i jest dużo większy, niż to wynika z niektórych doniesień literaturowych. 2. Wykazano przydatność obydwu metod w redukcji artefaktów wynikających z braku korekcji pochłaniania promieniowania w badaniach ze skanera CZT: korekcja atenuacji oparta na skanach CT okazała się przydatna w identyfikacji artefaktów w ścianach dolnej i bocznej serca, a także przegrodzie międzykomorowej; metoda wykorzystująca dodatkową akwizycję z ułożeniem pacjenta na brzuchu okazała się pomocna w ocenie nieprawidłowości perfuzji w ścianie dolnej serca ze względu na redukcję atenuacji przeponowej. 3. W pracy zasymulowano artefakty wynikające z przesunięć i rotacji obrazowanego obiektu w czasie akwizycji. Pokazano, że artefakty ruchowe przybierają charakterystyczny wygląd na mapach biegunowych (np. artefakt powstały w wyniku przesunięcia w osi długiej pacjenta przypomina kształtem motyla) i przekrojach serca, co może ułatwić rozpoznanie artefaktów na etapie wizualnej oceny i zmniejszyć ryzyko błędnej interpretacji wyniku badania. Wykazano, że artefakty ruchowe mogą być skutecznie redukowane za pomocą dedykowanej aplikacji do korekcji ruchu. 4. W pracy wykazano silną korelację między parametrami czynnościowymi lewej komory serca wyznaczonymi dla badań ze skanera CZT i konwencjonalnej gammakamery. Zaobserwowano niewielki trend w kierunku niższych wartości frakcji wyrzutowej uzyskiwanych w badaniach na skanerze kardiologicznym. Wykazano, że wartości mierzonych parametrów zależą zarówno od zastosowanej metody rekonstrukcji obrazów, jak i użytego oprogramowania do analizy badań bramkowanych SPECT perfuzji serca. W przypadku badań ze skanera CZT największą i wysoką zgodność między wyznaczonymi wartościami frakcji wyrzutowych a wartościami referencyjnymi (tj. dla fantomu dynamicznego) uzyskano przy użyciu oprogramowania QGS (Lin’s CCC = 0,973; 95% PU: 0,959–0,982). 5. W pracy wykazano, że badania scyntygraficzne perfuzji serca wykonywane na skanerze kardiologicznym z detektorami CZT są lepszej jakości niż badania wykonywane na dwugłowicowej gammakamerze SPECT. Mimo 3-krotnie krótszej akwizycji i ok. 50-procentowej redukcji dawki w badaniu radioizotopowym, uzyskiwane za pomocą skanera CZT obrazy scyntygraficzne są bardzo dobrej jakości. Wnioski 1. Zastosowane w skanerze CZT rozwiązania konstrukcyjno-technologiczne nie stanowią podstawy do wykluczenia pacjentów z otyłością olbrzymią z badań na tym urządzeniu. 2. Korekcja pochłaniania wykorzystująca zewnętrzną tomografię komputerową i/lub wykonanie dodatkowej akwizycji w pozycji pacjenta na brzuchu są skutecznymi metodami redukcji artefaktów spowodowanych atenuacją. 3. Artefakty ruchowe mają charakterystyczny wzór na mapie biegunowej serca, co umożliwia identyfikację ruchu pacjenta. Możliwe jest zastosowanie korekcji ruchu albo powtórzenie akwizycji. 4. Skaner CZT pozwala w sposób miarodajny określić frakcję wyrzutową lewej komory serca. 5. Skaner z detektorami półprzewodnikowymi CZT pozwala na uzyskanie znacząco lepszych obrazów perfuzji mięśnia sercowego w porównaniu do badań z konwencjonalnych gammakamer z kryształami NaI(Tl).