Monte Carlo LINAC simulations using PRIMO for IMRT Treatment Verification

Tese de mestrado integrado, Engenharia Biomédica e Biofísica (Perfil de Radiações em Diagnóstico e Terapia)Universidade de Lisboa, Faculdade de Ciências, 2016As simulações de Monte Carlo são consideradas o método mais eficiente para executar cálculos de dose absorvida em radioterapia externa, porque fornecem uma descrição muito detalhada e completa dos campos de radiação e do transporte de partículas nos tecidos. Existem atualmente vários códigos de Monte Carlo neste contexto, mas este trabalho focar-se-á no PRIMO. O principal objetivo com o desenvolvimento deste projeto é mostrar que o PRIMO é uma ferramenta com enorme potencial para simular tratamentos de IMRT, e que por esta razão pode ser muito útil na verificação clínica destes tratamentos. A radioterapia de intensidade modulada (IMRT, do inglês Intensity-Modulated Radiation Therapy), resulta da evolução da técnica de radioterapia conformacional tridimensional (3D-CRT, do inglês Three-Dimensional Conformal Radiotherapy). Esta veio acrescentar à conformação geométrica do feixe de radiação, a capacidade de modulação da intensidade do mesmo. Por ser extremamente precisa a aplicação de um feixe de radiação nesta técnica, é possível aplicarem-se elevadas doses de radiação ao tumor, preservando ao máximo os tecidos saudáveis. Contudo, esta técnica requer um planeamento mais complexo e um maior número de profissionais envolvidos desde o planeamento até à execução do tratamento. Antes de ser efetuado um tratamento de IMRT é necessário fazer uma verificação precisa da dose que será administrada ao paciente, recorrendo a ferramentas de garantia do controlo da qualidade. Com estas, são comparadas as distribuições de dose adquiridas com um fantôma com as simuladas no sistema de planeamento do tratamento. Para que o tratamento seja aplicado a um paciente, é necessário que a compatibilidade seja superior a 95%, utilizando um índice gama a 3% e 3mm, o que não ocorre sempre. Quando este nível de concordância não é atingido é necessário analisar o que influenciou esse resultado, e por vezes refazer o plano de tratamento, sem que grandes conclusões acerca desta não concordância sejam apontadas. Uma vez que, para realizar estes testes, é utilizada uma matriz com várias câmaras de ionização separadas entre si, neste caso em concreto, uma matriz com 729 câmaras de ionização separadas por 1 cm, é associado a esta medição um dado erro. Este erro poderá estar, por vezes, na origem da não concordância entre o planeamento efetuado e a sua irradiação num fantoma. Por esta razão, nestas situações, seria interessante a existência de um método alternativo de teste para contrapor estes resultados, como por exemplo aqueles que têm por base os cálculos de Monte Carlo, tal como é o caso do PRIMO. O PRIMO é um programa de simulações de Monte Carlo, que tem por base o código PENELOPE. Este permite que sejam calculadas distribuições de dose em fantômas ou num paciente, com a precisão característica dos métodos de Monte Carlo. Contudo, contrariamente ao que acontece com a maioria dos programas de Monte Carlo, o PRIMO apresenta a particularidade de ter uma interface gráfica muito apelativa ao utilizador, sendo muito intuitivo, e por isso de fácil utilização. Este programa permite escolher o acelerador linear a utilizar, recorrendo a uma base de dados disponibilizada pela IAEA, e definir muitos outros fatores (energia nominal, SSD, tamanho do campo, etc.), tal como ocorre aquando de uma aquisição de distribuições de dose num fantôma. É por este motivo, que se acredita que este programa poderá ser um ótimo complemento à verificação e aprovação de tratamentos de IMRT, tendo sido esta razão pela qual o programa foi escolhido para realizar este trabalho. Tratando-se de um programa bastante recente, a primeira etapa deste trabalho consistiu na validação do mesmo para os aceleradores utilizados. Este processo consistiu na comparação das curvas de dosimetria básica: o perfil que mostra a percentagem de dose em profundidade (PDD, do inglês Percentage Depth Dose), e ainda os perfis transversais X e Y. Na prática, estas curvas são medidas diretamente num LINAC, utilizando um tanque de água para a sua aquisição e os seus resultados foram usados para a comparação com os dados simulados. Esta medição é efetuada a cada 6 meses (ou sempre que haja intervenções no acelerador que as justifiquem), no sentido de verificar se as curvas medidas se encontram dentro dos parâmetros aceitáveis, por comparação às curvas obtidas aquando da instalação do LINAC e sua consequente aceitação (processo designado comummente por commissioning). Para escolher as curvas a usar na validação do programa, foi realizado um estudo sobre a sua evolução ao longo do tempo, que resultou na escolha do PDD e perfis laterais obtidos na aceitação do aparelho. No PRIMO, estas curvas foram simuladas, para o mesmo aparelho utilizado nas medições práticas, num fantoma equivalente ao tanque de água, já existente no programa. O LINAC escolhido para este estudo foi um CLINAC 2300 da Varian, por ser um aparelho existente no serviço de Radioterapia do IPO do Porto e também no PRIMO. A validação foi um processo efetuado por tentativa e erro. A cada simulação se alterava um dado parâmetro (energia inicial, focal spot, técnica de redução da variância, etc.). Quando terminava a simulação, o PDD e perfis laterais eram comparados com as curvas já selecionadas. Se os resultados não apresentassem um grau de concordância de 95% ou mais, segundo o índice gama a 2% e 2mm, alterava-se um parâmetro e refazia-se a simulação. Quando os resultados simulados apresentaram boa concordância, o programa foi validado e o trabalho prosseguiu, rumo ao seu objetivo final. Relativamente a este método de comparação, é pertinente referir que este índice gama é o critério de comparação também utilizado na prática clínica, embora nesse contexto se use o índice gama para 3% e 3 mm.Monte Carlo (MC) approach is considered the gold standard method to perform absorbed dose calculations in external radiotherapy because it provides the most detailed and complete description of radiation fields and particle transport in tissues. Several codes are available and recently a new MC Penelope based code and graphic platform named PRIMO was developed. PRIMO has a user-friendly approach, a suitable and competitive characteristic for clinical activity. Nevertheless, advanced features such as Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) are not introduced yet. The aim of this work is to have a preliminary result on the feasibility of MC simulation of IMRT procedures, making use of the PRIMO software, showing that it can be an useful tool in clinical verification of IMRT treatments. The first stage of this work was PRIMO validation for a Varian Clinac 2300, the same LINAC model used in practical acquisitions. This process consisted in comparing basic dosimetry curves acquired on LINAC using water tank with PRIMO simulations of them. Once Percentage Depth Dose (PDD) and lateral profiles X and Y simulated and acquired in practice showed compatibility higher than 95%, using the gamma index criteria with 2% and 2mm, the program is validated. After validation, Multileaf Collimator (MLC) was added and validated. To achieve this goal, a 10x10 cm2 field with a static MLC with a given conformation was simulated. This field simulated by PRIMO was compared to the same field simulated by the TPS, and also with the same field irradiated on LINAC. In the end, the three methods were compared and all had to be compatible, according to the same gamma index comparison criteria. When this compatibility was found, MLC was validated and the work could proceed to the next stage. The last step in this project was the simulation of a 10x10 cm2 field with dynamic MLC. At this stage it was necessary to build 89 fields that in the end, their sum make one IMRT field. As it had happened before, this simulated field was also compared with its simulation by TPS and its irradiation on LINAC. The compatibility between them was checked using the gamma index criteria of 2% and 2mm and it was found that 96% of the points were coincident. This fact demonstrated PRIMO capability to simulate IMRT treatments and consequently, IMRT treatments verification