Dose Verification Study of Brachytherapy Plans Using Monte Carlo Methods and CT Images

Most brachytherapy treatment planning systems employ a dosimetry formalism based on the AAPM TG-43 report which does not appropriately consider tissue heterogeneity. In this study we aimed to set up a simple Monte Carlo-based intracavitary high-dose-rate brachytherapy (IC-HDRB) plan verification platform, focusing particularly on the robustness of the direct Monte Carlo dose calculation using material and density information derived from CT images. CT images of slab phantoms and a uterine cervical cancer patient were used for brachytherapy plans based on the Plato (Nucletron, Netherlands) brachytherapy planning system. Monte Carlo simulations were implemented using the parameters from the Plato system and compared with the EBT film dosimetry and conventional dose computations. EGSnrc based DOSXYZnrc code was used for Monte Carlo simulations. Each $^{192}Ir$ source of the afterloader was approximately modeled as a parallel-piped shape inside the converted CT data set whose voxel size was $2{\times}2{\times}2\;mm^3$. Bracytherapy dose calculations based on the TG-43 showed good agreement with the Monte Carlo results in a homogeneous media whose density was close to water, but there were significant errors in high-density materials. For a patient case, A and B point dose differences were less than 3%, while the mean dose discrepancy was as much as 5%. Conventional dose computation methods might underdose the targets by not accounting for the effects of high-density materials. The proposed platform was shown to be feasible and to have good dose calculation accuracy. One should be careful when confirming the plan using a conventional brachytherapy dose computation method, and moreover, an independent dose verification system as developed in this study might be helpful.

CT 영상 및 몬테칼로 계산에 기반한 근접 방사선치료계획의 선량분포 평가 방법 연구

대다수의 근접치료용 방사선치료계획장치는 AAPM TG-43의 계산식에 기반을 둔 선량계산 알고리듬을 적용하고 있으나 이는 조직의 비균질성을 적절히 고려하지 못한다. 본 연구에서는 몬테칼로 방법을 이용하여 강내고선량근접치료계획을 검증하는 체계를 구축하고자 하였으며, 특히 환자의 CT 영상을 이용하여 물질정보로 변환한 후 직접 몬테칼로 계산을 수행하는 방법의 타당성에 초점을 맞추었다. 판형 팬텀 및 자궁경부암 환자의 CT 영상을 Plato (Nucletron, Netherlands) 치료계획장치를 이용하여 근접치료계획을 수행한 후 여기서 얻어진 인자들을 이용하여 EGSnrc 기반의 DOSXYZnrc 코드로 몬테칼로 계산을 수행하였으며, EBT 필름측정 결과와 비교하였다. DOSXYZnrc 코드의 선원 모델링 특성 상 후장전 장치의 $^{192}Ir$ 선원들을 직육면체 형태로 근사화하여 모델링하였으며 계산 시 체적소의 크기는 $2{\times}2{\times}2\;mm^3$로 하였다. 균질 매질 내에서는 TG-43 기반의 선량계산 결과와 몬테칼로 선량계산 결과가 잘 일치함을 확인할 수 있었으나 고밀도 물질이 포함된 비균질 매질 내에서는 오차가 커졌다. 환자의 경우 A점 및 B점의 오차는 3% 이내, 평균선량 오차는 5% 정도였다. 그러나 기존 선량계산 알고리듬의 경우 고밀도 물질의 영향을 적절히 고려하지 못하여 표적의 선량을 과대평가하여 실제로는 더 적은 선량이 들어갈 우려가 있다. 본 연구에서 제안된 선량계산 검증체계는 타당하며 선량 계산 결과도 실제와 잘 일치함을 확인할 수 있었다. 또한 기존의 선량계산 알고리듬으로 계산된 치료계획결과를 확인할 경우에는 주의가 필요하며, 몬테칼로 방법과 같은 독립적인 검증 시스템이 유용할 것이다.