Monte-Carlo simulation of small field dosimetry in radiotherapy with high-energy photons

Moderne Bestrahlungsplanungssysteme bieten die Möglichkeit, einen Monte-Carlo (MC) Dosisberechnungsalgorithmus zu verwenden. Dieser hat den Vorteil, dass die Berechnung der Patientendosis auch in nicht homogenen Bereichen, etwa in der Lunge, sehr genau durchgeführt wird. Um aber die gewünschte Genauigkeit von besser als 2% zu erreichen, wird nicht nur ein präziser Algorithmus, sondern auch ein genaues Modell des Beschleunigerkopfes benötigt. In der vorliegenden Arbeit wurde ein solches Modell eines Beschleunigerkopfes für den MC Code "BEAMnrc" entwickelt. Das Modell wurde anhand von Messungen in einem Wasserphantom so angepasst, dass eine Übereinstimmung zu den Messungen von besser als 1% auf der Zentralachse und besser als 2% im übrigen Feld erreicht wurde. Außerdem wurde ein Modell einer Ionisationskammer verwendet, um damit kammerabhängige Faktoren für die Dosimetrie kleiner Felder zu ermitteln. Mit Hilfe der in der Arbeit entwickelten detaillierten Modells des Beschleunigerkopfes wurde dann die Frage untersucht, ob ein wesentlich schnelleres analytisches Kopfmodell für den "XVMC" MC Code die selbe Genauigkeit wie das detaillierte Modell erreichen kann. Diese Untersuchung wurde sowohl auf der Zentralachse, wie auch auf achsfernen Punkten vogenommen. Dabei wurde sowohl die relative Dosisverteilung, wie auch die absolute Dosis, verglichen. Insgesamt konnte gezeigt werden, dass die Genauigkeit des detaillierten und des analytischen Kopfmodells für die Berechnung der Patientendosis gleichwertig ist. Somit ist es möglich, im Rahmen des Tübinger HYPERION Projektes eine Monte-Carlo basierte Bestrahlungsplanung durchzuführen.Modern treatment planning systems have the possibility to use Monte-Carlo (MC) based dose calculating algorithms. The latter have the advantage that the patient dose calculation can be done very accurately also in non-homogenous tissues, like lung. To reach the desired accuracy of better than 2% not only a precise algorithm, but also an accurate model of the treatment head is needed. Within this thesis such a model of a treatment head was developed for the MC algorithm "BEAMnrc". The model was commissioned with measurements in water until the agreement to the measurements was better than 1% on the central axis and better than 2% everywhere else. Also a model of an ionization chamber was used to derive chamber dependent factors for small field dosimetry. With the treatment head model developed in this thesis the question was investigated, if a substantial faster analytical head model for the "XVMC" Code will reach the same accuracy as the detailed model. This investigation was made on the central axis, as well as for off-axis positions. Not only relative dose distributions, but also absolute doses, were compared at these positions. Altogether it could be shown that the accuracy of the detailed and the analytical treatment head model is of equal value for patient dose computation. Because of this it is possible to do Monte-Carlo based treatment planning on a routinely basis within the Tübingen HYPERION project