Introdução ao Comissionamento do TPS CAT3D
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Introdução ao modelagem e comissionamento do TPS CAT3D. Armando Alaminos Bouza Físico-Médico Equipe de desenvolvimento do MNPS/CAT3D Mevis Informática Médica LTDA. Brasil www.mevis.com.br
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Introdução ao modelagem e comissionamentodo TPS CAT3D.
Armando Alaminos BouzaFísico-Médico
Equipe de desenvolvimento do MNPS/CAT3DMevis Informática Médica LTDA. Brasil
www.mevis.com.br
Modelagem da qualidade do feixe
Todos os TPS tem um ou vários arquivos que guardam os dados de comissionamento para cada energia de um LINAC ou Co-60.
O CAT3D utiliza um arquivo por energia. Estes arquivos tem extensão .RSD Exemplo:
LINAC_IAEA_6MV_1540.RSD
Os arquivos RSD são arquivos ASCII. Arquivos ASCII devem ser processadoscom editores tais como:
NotePad – Windows default (mínimo e simples)NotePad++ - https://notepad-plus-plus.org/ (mais recursos, free)UltraEdit - http://www.ultraedit.com/ (muitos recursos, column mode, pago)
CUIDADO: Utilizar um “word processor”, como MS-Word, WordPad, LibreOffice-Writer, Apple-Pages, etc, danificaria o arquivo RSD.
Modelagem da qualidade do feixe
Exemplo das primeiras linhas de um arquivo RSD:
Modelagem da qualidade do feixe
Pode encontrar detalhes sobre a sintaxe do RSD no “CAT3D Reference Manual”
Separadordecimal é o PONTO.Não usarvírgula !!
Pode editar o RSD estando aberto no CAT3D.
Pode editar o arquivo RSD e observar os cambios das curvas no CAT3D. Para forçar um re-cálculo da dose, salve no editor ASCII, abra a tabela de camposdo CAT3D e feche com F10 ou botão correspondente.
Modelagem da qualidade do feixe
Os algoritmos de cálculo mais difundidos nesta data são:
• Métodos baseados em Pencil Beam (PB).• Métodos baseados em Collapsed Cones (CC).
Ambos são métodos que pretendem emular os fenómenos de transporte de partículas e energia, com maior ou menorrealismo e graus de liberdade.
Existem TPS baseados em Monte Carlo e outros que implementam uma solução em elementos finitos da equação do transporte do Boltzmann (GBBS). Estes dois casos não serãotratados nesta aula.
Modelagem da qualidade do feixe
Embora o TPR seja o parâmetro mais usado para criar o índice de qualidade (TPR20/TPR10) de um feixe de fótons, a tabela de preferência para modelar o feixe no TPS é o PDD.
Uma vantage evidente do PDD é que pode ser medidodiretamente em sistemas dosimétricos simples. No caso do TPR ou TMR, as medidas diretas somente estão disponiveisem sistemas dosimétricos bem mais complexos. Isso faz com que o TPR ou TMR geralmente sejam tabelas derivadasfuncionalmente de uma tabela medida de PDD.
Modelagem da qualidade do feixe
Embora teoricamente exitam kernels (EDK) analíticos para CC [5], as implementações modernas utilizam alguma variante de espectro energéticosimplificado do feixe.
A principio poderíamos pensar na Espectroscopia de Dispersão Compton [6]. Mas este é um recurso pouco frequente nos serviços de radioterapia.
A solução mais comúm é fazer uma reconstrução do espectro partindo das medidas de PDD [2,3].
Para comissionar o CCC do CAT3D existe um programa auxiliar que faz umareconstrução do espectro: FixCC_Spectrum.exe
FixCC_Spectrum utiliza uma tabela com o PDD medido para o campo de 100x100 mm, de preferência com SSD=1000mm
Modelagem da qualidade do feixe1000 6mv Precise, ClinicaXYZ100 field size28 number of control points30 95.23540 91.06250 87.00660 82.91770 79.03780 75.18390 71.444100 67.856110 64.395120 61.231130 58.084140 55.153150 52.194160 49.503170 46.922180 44.578. .. .
Exemplo de um arquivo com dados para o programa FixCC_Spectrum (truncado).
Observe que não entramos pontos medidosantes da profundidade do máximo da dose (buildup). Os primeiros pontos de controleestão alguns mm apôs o máximo da dose.
O FixCC_Spectrum apenas otimiza o espectrode fótons, não considera contaminação com elétrons.
Os pontos não tem que ser equi-espaçados, suporta até 512 pontos medidos de PDD.
Não utilizar para feixes com energia nominal maior que 20 MeV.
Modelagem da qualidade do feixe
O programa FixCC_Spectrum salva os resultados no arquivo“FixCC_Spectrum.log”
No final do arquivo fica o melhor espectro achado na optimização. Exemplo:
Energy Spectrum for Collapsed Cones or EGSnrc. Run:487 ERR:0.000878EDK_SPECTRUM = 19
0.20 0.50 1.00 1.25 1.50 2.00 2.50 3.00…0.024789 0.032122 0.040268 0.040284 0.096091 0.091460 0.092504 0.217271…
As linhas do exemplo foram truncadas por falta de espaço.
A primeira linha é energia do fóton em MeV, a segunda linha é fração de energiaque corresponde a esse tipo de fóton. Observe que a energia total do espectroestá normalizada a 1.00. Esta é a sintaxe que espera o sistema CAT3D.Apenas recomendamos truncar as energias muito altas que tem fração igual a cero. Após truncar , atualice o número de elementos do espectro emEDK_SPECTRUM = n
Modelagem da qualidade do feixe
Fragmento de um RSD apresentando a seção que define os parâmetros de qualidade do feixe para o método de “Collapsed Cones Convolution/Superposition” no CAT3D.Este é um feixe de LINAC Elekta
Modelagem da qualidade do feixe
EDK_OFFAXISSOFTENING = 1 // indica que o feixe tem filtro achatador e por isso a// qualidade muda com o desvio do eixo central.
EDK_CALIBRATION = 1.68513 // parâmetro que calibra taxa de dose no campo de// 100x100 mm2 , recomendamos utilizar// profundidade de 100 mm, no eixo central.
EDK_FLUX_CORRECTION = 840 50 80 100 150 200 300 4001.0045 1.0061 1.0031 1.00 0.9952 0.9881 0.98215 0.97918
Correção da dependência do TERMA com o tamanho de campo
Modelagem da qualidade do feixe
EDK_CONTAMINATION = 450 0.15 0.59 20100 0.20 0.49 20200 0.25 0.48 20320 0.30 0.45 20
Modelo Exponencial decrescente.Os parâmetros de cada linha são:
1. Tamanho de Campo.2. Fração de dose por e- .3. Coef. Atenuação Exponencial.4. Limite de profundidade dos
contaminantes. Utilizado para poupar tempo de CPU.
Modelagem da qualidade do feixe
Agora vamos mostrar como se configura a qualidade do feixe para o métodobaseado em PB.
O pencil beam também depende de um kernel que é integrado ou feitaconvolução com o fluxo de energia que atinge a superficie do tecido (ouphantom). A criação do kernel do PB pode ser feita, segundo o TPS por:
• Monte Carlo diretamente [7].• Kernel analítico baseado em regresão não linear, ou ajuste de curvas [10].• Kernel derivado de medidas [7].
O CAT3D utiliza um modelo de Pencil Beam finito e o kernel é derivadodiretamente das medidas de PDD e Scp. O problema é que para istonecesitamos na tabela de PDD incluindo um campo mínimo igual ao menorPB do Sistema: 4x4 mm2 .
Como medir PDD em campos menores que 15x15 mm2
Modelagem da qualidade do feixe
Dificuldades para medir PDD em campospequenos.
• Não apresenta um plateu na regiãocentral.
• O detetor deve ser suficientementepequeno.
• Alinhamento entre o eixo central do LINAC e o eixo de movimento do detector é muito crítico.
Os profiles da direita é para um feixe típico de 6 MeV de fótons. Foi criado com Monte Carlo considerando penumbra geométrica zero, ainda assim o espalhamento e equilibrioeletrônico não permitem criar um plateau. Para este exemplo um desvio de 0,28 grausgera um erro de 1% no PDD a 200 mm de profundidade.
Modelagem da qualidade do feixe
Mas a condição é ainda pior. Observe que a penumbra em campos pequenoscria profiles na forma de bicos. (tomado de Ahnesjö [8]).
Modelagem da qualidade do feixe
Auxílio dos métodos de Monte Carlo (MC) nacaracterizaçãode feixespequenos.
PDD geradocom MC.
Modelagem da qualidade do feixe
O fragmento de tabela com PDD que segue teve as colunas em vermelho criadas com MC e as azuis são medidas diretas. O campo menor foi um 4x4 mm.Também poderiamos criar os campos pequenos por extrapolação, mas isso é menosrealista, pois o comportamento não é linear.
Modelagem da qualidade do feixe
Recomendação:
Sempre graficar osresultado, antes de inserirno RSD, pois muitos dos erros de medida ouprocessamento ficamevidentes.Isso pode evitar muitasdores de cabeçaposteriores.
Perfil do feixe
Para os algoritmos PB e CCC o CAT3D precisa de uma parametrização da distribuição do fluxo de energia em um plano perpendicular ao eixo central do feixe no ar.
Para isto o perfil é caracterizado por duas funções. Uma que equivale a um “Off-Axis Ratio” (OAR) no ar. Outra que descreve a penumbra.
OAR no ar é constituido por pontos de controle, como ilustra o exemplo que segue (truncado):
AIR_PROFILE (keyword)1000 0 17 (ssd depth no_of_points)0 20 40 60 80 100 120 140 150 160…1.000 1.001 1.002 1.000 0.998 0.995 1.001 1.018 1.025 1.031..
Podem adicionar até 64 pontos de controle neste OAR.
Perfil do feixe
A penumbra no ar é caracterizada por uma função com 4 parâmetros, da forma
AIR_COLLIMATOR 3 (keyword , number of FieldSize)50 8 5.5 5 0.012 (FieldSize SourceDiameter alfa1 alfa2 transm)100 8 5.7 5 0.016 (FieldSize SourceDiameter alfa1 alfa2 transm) 400 8 7.7 4.7 0.05 (FieldSize SourceDiameter alfa1 alfa2 transm)
Podemos especificar a penumbra de até 32 tamanhos de campos diferentes.
Para mais informações em relação a este modelo consulte: Johns and Cunningham, "The Physics of Radiology", fourth edition, chapter10, pages 369-371. Uma discussão mais profunda pode-se encontrar em: "Radiation Therapy Physics", by William R. Hendee e Geoffrey S. Ibbott, pages347-350.
Perfil do feixe
Para o caso dos campos com filtros em cunha, sejam eles físicosou dinâmicos, o AIR_PROFILE é sobre-escrito pelo perfil do filtro. A sintaxe para definir um filtro é ilustrada no exemploque segue:
19 W60 WOF 8 BHF 7 LIMITS 300 300 NON_W_FAC 0.7
-157 -155 -140 -120 -100 -80… 0.00,….2.63 3.15 2.79 2.39 2.05 1.7553……. 1.00,…
30 50 70 100 150 200 250 300 (field size)0.261 0.264 0.267 0.271 0.277 0.282 0.284 0.287
15 50 100 150 200 250 350 (depth BHF)1.0 1.0084 1.0321 1.0573 1.0722 1.0993 1.1535 (BHF)
Modo de Comissionamento
O CAT3D apresenta um modo de cálculo denominado “Modo FAST” que tem como objetivo auxiliar no comissionamento.
Este modo, basicamente, interpola diretamente os dados medidos, com algumas correções, como SSD, obliquidade, e outras.
O Modo FAST não é para uso clínico, mas ele nos ajuda muito na hora de modelar os dados para PB ou CCC pois ele permite comparar facilmente os dados medidos com os resultados dos algoritmos PB e CCC.
Modo de Comissionamento
Parâmetros específicos para Modo FAST são:
WATER_PROFILE
WATER_PENUMBRA
Lembrar que este modo não é para uso clínico !
Bibliografia
1 - Du H., Cui, M., “Approximate solution of the Fredholm integral equation of thefirst kind in a reproducing kernel Hilbert space” Applied Mathematics Letters 21 (2008) 617-623.2 - Li G., Zheng H., Sun G., Wu Y., “Photon Energy Spectrum Reconstruction Basedon Monte Carlo and Measured Percent DepthDose in accurate radiotherapy” . Progress in Nuclear Science and Technology, Vol. 2, pp. 160-164. 2011.3 - Deng, J., Jiang B., Pawlicki T., “Derivation of electron and photon energy spectrafrom electron beam central axis depth dose curves”, Phys. Med. Biol., 46[5], 1429-1449 (2001).4 - Taylor R.C., Tello V.M., Schroy C.B., Vossles M., Hanson W.F., “A generic off-axisenergy correction for linac photon beam dosimetry”, Med.Phys. 25, 662 (1998).5 - Ahnesjo A., “Collapsed cone convolution of radiant energy for photon dose calculation in heterogeneous media”, Med. Phys. 16, 577 (1989).
6 - Damien PLOUHINEC, Philippe COMBES, Laurent HOURDIN, “Compton Spectrometer for investigation of X-ray Radiographic Sources in the [1-27] MeV Range.” online: http://accelconf.web.cern.ch/accelconf/IPAC2014/posters/thpme084_poster.pdf
7 – Cerberg C.P., Bjärngard B.E, Zhu T.C. “Experimental determination of the dose kernel in high-energy x-ray beams”, Med.Phys. 23 (4), April (1996).
8 – Anders Ahnesjö. “Modelling of small fields in Treatment Planning Systems”. Uppsala Universitet and Nucletron. (conference presentation).
Bibliografia
9 - Bourland J.D., Chaney E.L., “A finite-size pencil beam model for photon dose calculations in three dimensions”. Med.Phys. 19 (6) Nov/Dec (1992).10 – Anders Ahnesjö, Saxner M, Trepp A., “A pencil beam model for photon dose calculation”. Med.Phys. 19 (2), Mar/Apr (1992).
