Entwicklung eines Monte Carlo Modells für die Dosisberechnung der roboter-basierten Hochpräzisionsbestrahlung

Abstract

Die Radiochirurgie als Teilgebiet der Strahlentherapie setzt sich aus verschiedenen Teilschritten zusammen. Das Ergebnis der Therapie ist abhängig von der Genauigkeit der Einzelschritte. In der Radiochirurgie müssen die Unschärfen dieser Einzelschritte minimal sein, um die Gesamtgenauigkeit zu erhöhen und das, aufgrund der hohen Einzeldosen, sehr schmale therapeutische Fenster optimal zu nutzen. Neben der präzisen Applikation ist es zwingend notwendig die gewünschte Dosis im Planungsprozess exakt zu berechnen. Doch genau hier sind meist Kompromisse in der Genauigkeit aufgrund der Rechenzeiten von Nöten. Die genaueste Berechnung der Dosisverteilung in einem Patienten ist mit Hilfe einer vollständigen Monte Carlo Simulation des Bestrahlungsgerätes und des Patienten erreichbar. Dieser Goldstandard ist jedoch trotz leistungsfähiger Computerhardware im klinischen Alltag (noch) nicht praktikabel. Ziel dieser Arbeit ist die Erstellung eines vollständigen Monte Carlo Modells des Bestrahlungssgerätes Cyberknife© VSI System (Fa. Accuray, Sunnyvale, CA, USA) mit Hilfe des Softwarepakets EGSnrc. Das hierfür nötige Strahlerkopfmodell wurde basierend auf den technischen Zeichnungen mit dem user code BEAMnrc aufgebaut. Hierfür wird jedes einzelne Bauteil einzeln parametrisiert. Die Validierung des Modells wurde anhand von messtechnisch bestimmten Referenzdaten durchgeführt. Die Referenzdaten wurden analog der Messungen im Rahmen der Kommissionierung wiederholt, um die Messunsicherheit bei der Verwendung derselben Messmittelkombination zu berücksichtigen. Zusätzlich wurden Messungen mit einem weiteren, für den Messzweck geeigneten Detektor, durchgeführt. Die Ergebnisse der Monte Carlo Simulation lagen hierbei nicht nur im Toleranzbereich der zwei Detektoren, sondern waren vielmehr im Toleranzbereich der Wiederholmessungen des für die Erstellung herangezogenen Detektors. Diese Übereinstimmung gilt für alle klinisch relevanten Feldgrößen des Fix- und Iriskollimators gleichermaßen. Im Vergleich zum implementierten MC Algorithmus wurden in dieser Arbeit die Dosisquerprofile in x- und y-Richtung separat betrachtet und zur Deckung mit der korrespondierenden Messung gebracht. Im Planungssystem Precision© des Cyberknife© VSI System werden hingegen Vereinfachungen getroffen und die x- und y-Profile gemittelt. Somit ist das entwickelte Strahlerkopfmodell bestens geeignet um bei kritischen Tumorlokalisationen als Referenz für die Dosisberechnung eingesetzt zu werden. Das zweite Ziel dieser Arbeit ist das Strahlerkopfmodell als unabhängige Dosisberechnung in der Qualitätssicherung zur Planverifikation einzusetzen. Dies konnte anhand von einfachen, jedoch repräsentativen, Berechnungen für den intrakraniellen sowie für den extrakraniellen Bereich gezeigt werden. Das in dieser Arbeit entwickelte MC Modell lässt sich vollständig in den klinischen Alltag integrieren und erlaubt nun, durch die mögliche Überprüfung der originären Dosisberechnung in der Patientengeometrie, die verbleibende Unsicherheit in der Gesamtkette der Hochpräzisionsbestrahlung weiter zu minimieren.