Application of Monte Carlo methods in transport modelling of the therapeutic proton beam

Abstract

Korzystny 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.

Favourable dose distribution in light ion therapy has led to a growing number of hadron therapy facilities, mainly proton sites. While the usage of proton beams requires more com- plex quality assurance procedures in terms of dosimetry and treatment planning, application of the Monte Carlo (MC) methods has become an inherent standard of proton facilities as a complementary, high-precision and multi-purpose dosimetry tool. At the Cyclotron Centre Bronowice (CCB) with a new cyclotron Protecus C-235 three treatment rooms have been developed for proton radiotherapy: one with a horizontal line for eye melanoma treatments (ELTR) and two gantry rooms (GTRs) with a rotating beam for other tumour sites. The aim of this work was to develop beam models for each beam line separately. The role of the ELTR beam model was to optimise the passive scattering system to ful l clinical requirements concerning eye melanoma patient irradiation. The GTR beam model was developed to derive corrections of the dose distribution resulting from the limited size of the Bragg Peak Chamber (BPC). Calculation of the corrected dose distribution was needed for the proper commissioning of the treatment planning system (TPS). The ELTR and GTR beam models were developed with the FLUKA particle transport MC code and simulations were run on clusters available within the PL-Grid Infrastructure. Measured depth-dose distributions and lateral dose pro les of the proton beam were used as a reference for the veri cation of the characteristic beam parameters: beam range, dose distal fall-o , Bragg peak width, maximum to entrance dose ratio and lateral spot size. The ELTR beam model was applied to optimise the beam forming elements, with tanta- lum foils de ned as scatterers with variable scatterer thickness and radius. From 87 analysed set-ups, the nal three were selected ful lling clinical requirements of the scattered beam parameters lateral penumbrae, lateral eld atness and lateral eld width. These were: a single foil of 60 m Ta, two foils of 25 m and 60 m Ta and a dual ring of r = 6 mm 80 m Ta disk with 1 mm PMMA ring. The double scattering geometry resulted in up to 28% higher dose at the isocentre with reference to the remaining two single scattering set- ups, and a 33% higher dose when compared to the single scattering set-up currently applied at the ELTR. The GTR beam model enabled the calculation of the Integral Depth-Dose (IDD) dis- tribution with a detector radius of r = 20 cm, su cient to account for low-dose envelope surrounding single pencil beam. The maximum obtained dose di erence, when compared with the Bragg Peak Chamber measurements, reached 8:8% for 226:08 MeV beam energy. The calculated IDD curves were taken as input in the commissioning of the Eclipse ver. 13.6 TPS. Since 2016 the TPS is used for treatment planning at CCB. The FLUKA MC code was found useful for proton transport modelling of the CCB therapeutic beams. Lateral and depth-dose distribution analysis allowed the selection of the crucial beam parameters required for MC beam model veri cation. In the case of ELTR, the MC modelling facilitated scattering system optimisation, saving beam-time and man power. The GTR MC-based beam model enabled detector size limitations to be overcome, deliv- ering corrections of the dose distributions for treatment planning. The attached exemplary FLUKA les with a simpli ed ELTR and GTR beam model, together with the given GTR beam model parameters, allow for free access in simulations with CCB proton beams, e.g. in planning new experiments in medical physics and radiobiology.