Repository logo

Browsing by Author "Urbanik, Andrzej"

  • Thumbnail Image
    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, Zygmunt
    Radioterapia 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.
  • Thumbnail Image
    Item
    Rozwój metod planowania leczenia oraz ocena niepewności zasięgu w radioterapii protonowej z wykorzystaniem kodów Monte Carlo
    (Institute of Nuclear Physics Polish Academy of Sciences, 2022) Garbacz, Magdalena; Olko, Paweł; Urbanik, Andrzej; Ruciński, Antoni; Kukołowicz, Paweł; Piotrowski, Tomasz
    Planowanie leczenia w radioterapii protonowej uwzględnia zagadnienia niepewności zasięgu wiązki oraz, coraz częściej, wzrostu względnej skuteczności biologicznej (ang. relative biological effectiveness, RBE) protonów pod koniec ich drogi w pacjencie. Oba te problemy łączą się ze sobą, ponieważ niepewność zasięgu wiązki protonowej, spowodowana czynnikami fizycznymi, jest potęgowana zmianami RBE wzdłuż toru wiązki. Chcąc w pełni wykorzystać precyzję dostarczenia dawki do obszaru nowotworu przez wiązkę protonową, a jednocześnie nie narazić pacjenta na dawki przekraczające ustalone limity w narządach zdrowych, stosuje się narzędzia do planowania leczenia uwzględniające te czynniki. Komercyjne systemy do planowania leczenia w większości korzystają z algorytmów analitycznych wykorzystujących model wiązki przygotowany w trakcie uruchamiania stanowiska terapii. Są one dostatecznie szybkie, aby w czasie liczonym w minutach umożliwić przygotowanie planu leczenia w rutynie klinicznej. Kody transportu promieniowania, wykorzystujące metody Monte Carlo (MC) do symulacji oddziaływań cząstek z materią, umożliwiają uzyskanie większej dokładności obliczeń i zgodności z eksperymentem niż algorytmy analityczne, jednak czas wykonywania obliczeń może być nieakceptowalnie długi. Nowe kody transportu wiązki, takie jak FRED (Fast paRticle thErapy Dose evaluator), wykonują obliczenia na kartach graficznych, co zmniejsza czas symulacji komputerowych zwykle do kilku minut. Umożliwiają też obliczenie liniowego przekazu energii (ang. linear energy transfer, LET) ważonego dawką (ang. dose-averaged LET, LETd) i dawki ważonej zmiennym RBE (ang. RBE-weighted dose, DRBE). Współczesne komercyjne systemy planowania leczenia coraz częściej włączają możliwość przeliczeń dawki metodami MC, wykorzystując karty graficzne lub dużą liczbę procesorów, jednak nie jest to jeszcze standardem. Celami niniejszej pracy było przygotowanie narzędzia obliczeniowego FRED do obliczenia rozkładu dawek dla wiązek protonowych, użytych w klinicznych planach leczenia, opracowanie metody wyznaczenia biologicznie efektywnego zasięgu wiązki z zastosowaniem modelu zmiennego RBE oraz weryfikacja hipotezy o związku między występowaniem zmian radiograficznych w mózgu a obszarami zwiększonego LETd. Przygotowanie systemu FRED polegało na zaimplementowaniu parametrów wiązki na podstawie zmierzonych rozkładów głębokościowych dawki w wodzie oraz poprzecznych profili dawki w wodzie i w powietrzu. Do sprawdzenia zgodności wyników otrzymanych w systemie klinicznym Eclipse 13.6 oraz FRED z danymi pomiarowymi użyto analizy indeksu gamma (ang. gamma index, GI) uzyskując odpowiednio 99,1% i 93,2% wokseli spełniających kryteria akceptowalności 2%/2 mm. Ponadto zweryfikowano zgodność rozkładu DRBE oraz LETd względem obliczeń kodu transportu TOPAS. Maksymalna różnica DRBE wyniosła 3%, a różnica między maksymalnymi wartościami LETd nie przekraczała 13%. W kolejnej części pracy opracowano metodę obliczenia biologicznie efektywnego zasięgu wiązki protonowej, w przypadku obliczeń dawki ważonej zmiennym RBE (ang. variable RBE, vRBE), wykorzystując fenomenologiczny model radiobiologiczny McNamara. Korzystając z przygotowanych narzędzi, wykonano symulacje MC dla 95 pacjentów z nowotworami mózgu oraz podstawy czaszki napromienianych w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN w latach 2016 - 2018. Kwantyfikacja biologicznie efektywnego zasięgu wiązki protonowej umożliwiła ocenę zakresu obszaru wysokich wartości DRBE w pacjencie. Wyniki pokazały, że zakres ten może powiększyć się o 0,4 cm przy zastosowaniu modelu zmiennego RBE, dla nowotworów zlokalizowanych w obszarach głowy i szyi. W ostatniej części pracy przeprowadzono analizę korelacji między lokalizacją zmian radiograficznych w mózgu a wysokimi wartościami DRBE i LETd dla 45 pacjentów z nowotworami podstawy czaszki. Wykazano, że same wartości DRBE oraz LETd nie są bezpośrednio skorelowane z pojawieniem się zmian martwiczych lub obrzękowych w mózgu po radioterapii protonowej. Użyty w ramach pracy kod transportu FRED, z modelem wiązki przygotowanym dla CCB, może być wykorzystany jako dodatkowe narzędzie obliczeniowe do weryfikacji wpływu zmiennego RBE oraz LETd na rozkład dawki w obszarze leczonym. Planowane jest włączenie opracowanego narzędzia do kontroli jakości planowania leczenia w CCB IFJ PAN.