Bağımlı Değişken Sonuç Mudur

Tedavi Planlama SistemlerindeKullanılan Algoritmalar

Cemile CeylanAnadolu Sağlık Merkezi

XV. Ulusal Medikal Fizik Kongresi-2015

Radyoterapide amaç maksimum tümör kontrolü (TCP) sağlarkenminimum normal doku komplikasyonu (NTCP) oluşturmaktır.Bu iki terim de hedef hacimde ve kritik organlarda soğurulandoza bağlıdır. Bu nedenle hastada soğurulan dozun dağılımınınYüksek doğrulukla belirlenmesi, bilinmesi ve doğrulanması gerekir.

Radyoterapide hastada oluşacak doz dağılımı tedavi planlamasistemlerinin hesaplama algoritmaları ile belirlenir. Algoritmalarındoğruluğu radyoterapide bir zincir olan kalite kontrolünen önemli halkasıdır.

Giriş:

ICRU: Toplam hatanın <%5Linac KalibrasyonuHasta Modellemesi-PozisyonlamasıDoz HesaplamasıTedavi

Doz hesaplama hatası < %2-3

Tarihçe……1940 Ciltteki Renk Değişimi- Radiodermatitis

1940-1955 Clarkson Metodu, %DD, izodoz eğrisi, TAR…

1955-1970 İlk planlama sistemi, Planar doz dağılımı, MU hesabıETAR (Primary Scatter Correction)

1970-1990 CT ile anatomik yapıların belirlenmesi,Cunningham Metodu: TAR-SAR, IRREG,Densite Düzeltmesi,3D Doz Dağılımı, Modelleme (Semi-Empirical)

1990-…… Doz Hesaplama Algoritmaları, Kernel HesaplamalarıMonte Carlo, Inverse Hesaplama

Soğurulan doz

Primer fotonlar indirekt iyonize radyasyon olduğundan doza katkı minimum olur.

Primer ya da kafadan saçılan fotonların atom ile etkileşimi ile enerji aktarılır.

Soğurulan doza maksimum katkı primer foton etkileşimleri sonucu e- ‘ lardan gelir.

Elektonlarının takibi soğurulan dozun doğru tayini için önemlidir.

Saçılan fotonların etkileşimi sonucu Head Scatter Dose’ un toplam doza katkısı %5-15

Soğurulan doz

Soğurulan doz: Birincil Doz+Birincil Demet Saçılan Doz+Head Scatter Doz

Su Fantomunda Ölçülen Doz ile Hasta Dozu Hesaplama: Homojen-Düzgün Konturlu Hasta

Soğurulan doz

PDD

TAR ya da TMR

Lateral Doz Profili

Sc ve Sp

Geçirgenlik Faktörleri: Wedge, Blok, Tray, MLC

Output: MU/Gy

Soğurulan dozSu Fantomunda Ölçülen Doz ile Hasta Dozu Hesaplama: Hasta Konturu

Planar doz hesabı: Hasta Konturunun Belirlenmesi

Düzensiz Hasta Cildi Düzeltmesi

Soğurulan doz

Dp : Dprimary+Dscatter

TAR(z,r)= TAR0+SAR(z,r)

Su Fantomunda Ölçülen Doz ile Hasta Dozu Hesaplama: Saçılan Doz DüzeltmesiClarkson Metodu

.r’

primary scatter

Düzeltme-Faktör Tabanlı Algoritmalar

Model Tabanlı Algoritmalar

Prensip Tabanlı Algoritmalar

Doz Hesaplama Algoritmaları:Düzeltme Tabanlı Algoritmalar: Yarı Deneysel Metot

Standart ÖlçümlerDüzeltme Faktörleri

Clarkson yöntemi

Düzeltme Tabanlı Algoritmalar:

Demet Şekillendiriciler: Wedge-Blok-Tray Geçirgenlik Faktörleri

Cilt Konturu Düzeltmesi: Efektif SSDTAR-TMRİzodoz Kaydırma

Heterojenite Düzeltmesi: 1D- Lineer Azalım YaklaşımıEfektif Azalım KatsayısıRTAR-Effectif Path Length Method(EPL)Power Low Method (Batho)

3D- Eşdeğer Doku Hava Oranı (ETAR)Diferansiye Saçılan Hava Oranı (dSAR)Delta Hacim Yaklaşımı (DVOL)3D Demet Oluşturma

Düzeltme Tabanlı Algoritmalar:Cilt Konturu Düzeltmesi:Efektif SSD:

Sabit SSD ve kare alanlarda ölçülen %DD değerleri ters karefaktörü ile yeni SSD için düzeltilir.

TAR-TMR:Farklı SSD değerleri için TAR ve TMR hesaplanır.Efektif SSD’ ye göre daha doğru sonuç verir.

İzodoz Kaydırma:İzodoz eğrisinin manualkaydırılması ya da lineerazalım ile yapılır.

Heterojenite Düzeltmesi:1D

EPL : Su eşdeğeri kabulu ile eşdeğer derinlik

Primer doz değişiminde etkili,Lateral saçılım hesaba katılmaz..CPE olduğu varsayılır.Yüksek enerjili alanlarda hata payı büyüktür.

Düzeltme Tabanlı Algoritmalar:

Heterojenite Düzeltmesi:1DPower Low Method (Batho)

Düzeltme Tabanlı Algoritmalar:

Lateral saçılım hesaba katılır.Heterojenite slab (dilim) bölgelere ayrılır.Sudan fark oranları belirlenir..CPE olduğu varsayılır.Küçük alanlarda hata payı yüksektir.

Heterojenite Düzeltmesi:3DDüzeltme Tabanlı Algoritmalar:

ETAR: CT bilgilerinden e- densitesi belirlenir.Saçılan doz hesaba katılır.CPE varsayılır..

P noktasındaki doz için CF

Düzeltme Tabanlı Algoritmalar:

Özet:Saçılan doz hesaba katılmaz.Su gibi homojen ortamlarda doğru sonuç verirken,heterojen ortamlarda hata oranı %10’ a kadar çıkar.CPE varlığında doğru çalışırken, dengenin bozulduğuortamlarda ya da yüksek enerjilerde hata payları yüksektir.

Soğurulan doz

Demet modellemesi: Ölçümler, Enerji akısı,Elektron kontaminasyonu

Cihaz Modellemesi: Demet karakteristiği, Kaynak Boyutu,MLC, FF, Wedge

Hasta Modellemesi: Heterojenite-CT Bilgisi

Hesaplama: Direk demet bilgi ölçümlerinin yanında radyasyonunfiziksel etkileşim süreci hesaba katılır. Primer etkileşimbölgesinde soğurulan doz (Primer foton ve saçılanelektron/foton etkileşimleri) ortamın heterojen olmasıdurumunda dahi ‘kernel’ denilen enerji çekirdeklerivarsayılarak hesaplanır.

Doz Hesaplama Algoritmaları:Model Tabanlı Algoritmalar

Model Tabanlı AlgoritmalarTERMA: Primer Enerji akısı Ψ(r’) ile μ/ρ(r’) lineer azalım katsayısı

çarpımı: Total radiation Energy Released per MAss

)'()'()'( rrrT

Lineer Azalım KatsayısıEnerji Akısı

KERMA: Birim kütle başına yüklü parçacıklara aktarılan kinetik enerji.Enerji kazanan yüklü parçacığın bir sonraki etkileşimden bağımsız.

<TERMACollision KERMA: KERMAc

Scatter KERMA: SCERMA

Model Tabanlı Algoritmalar

KERMAc (<KERMA)

Pimer doza esas katkı KERMAc ‘ den gelirken, ikincil radyasyon katkısı yaniCompton saçılması, anhilasyon fotonlarının etkileşimlerinden gelenkatkı ise saçılan doz katkısı olarak eklenir.

Doz Hesaplama Algoritmaları:

Model Tabanlı AlgoritmalarFoton demetinden dokuya aktarılan enerji

1. Fotonların ortam ile etkileşmesi ve e- kinetik enerji kazandırması,TERMA

2. Enerji kazanan e- lar aldıkları yok boyunca iyonizasyona ve uyarılmalarasebep olarak enerjilerini ortama aktarırlar.

Doz

Eğer yüklü parçacık dengesi (CPE) varsa TERMA ile Doz lineerorantılıdır.

Eğer bu denge yok ise (iki heterojen ortam kenarı, alan kenarı, küçükalan...) TERMA ile Doz birbirinden ayrılır.

Model Tabanlı AlgoritmalarKERNEL: Energy Deposited Kernel

Fotonun etkileşim noktası etrafında ikincil elektronlardan vefotonlardan soğurulan dozun depolandığı birim hacim…

Model Tabanlı Algoritmalarda kernellerin analitik hesaplanması(Convulation-SuperPosition) ile doz dağılımları oluşturulur.

Model Tabanlı Algoritmalarda kerneller Monte Carlo ile bulunur.

Kernel: dose spread function: scatter kernels: differential pencil beams: influence function

Model Tabanlı AlgoritmalarKERNEL: Etkileşim sonunda aktarılacak enerjiyi taşıyan birim demetinvarsayılan geometrisine göre 3 guruba ayrılır.

Model Tabanlı AlgoritmalarKERNEL: Pencil Kernel: Kerneller dar (pencil)

demetin ilk etkileşiminden gelenenerji katkısını depolarlar.lateral saçılım, demet diverjansı veheterojenite kaynaklı enerjideğişimlerinin olmadığı, demet yoluboyunca depolanan enerjinin eşitolduğu kabul edilir. 2D dozhesaplama yöntemidir.Point Kernel: Kerneller fotonun ilketkileşim noktasındaki enerjisinidepolar. Ancak lineer azalım, lateralsaçılma ve heterojenite katkısınıiçerir.

Model Tabanlı Algoritmalar

Pencil-Kernel Based: Pencil Beam Convolution

Point-Kernel Based: Collapsed Cone, Convolution-SuperpositionNumerical Boltzman Denklemi

Doz Hesaplama Algoritmaları:

Model Tabanlı AlgoritmalarPencil-Kernel Based: Pencil Beam Convolution

• Monoenerjik demetlerden Monte Carlo ile çokluenerjili demet elde edilir.

• Kernellerin uzaysal dağılımında invariant olduğukabul edilir, diverjans göz ardı edilir.

Model Tabanlı AlgoritmalarPencil-Kernel Based: Pencil Beam Convolution

• Lateral saçılım katkısı olmaz. Saçılan elektronlartakip edilmez.

Model Tabanlı AlgoritmalarPencil-Kernel Based: Pencil Beam Convolution

• Heterojenite düzeltmesi çoğunlukla EPL ya da lineer azalım ilehesaplanır (1D-Longitudinal).

• Hesaplama süresi point kernel kullanılan algoritmalara göredaha kısadır.

• Hesaplanan ortamın homojen olduğu varsayılır.

Model Tabanlı AlgoritmalarPencil-Kernel Based: Pencil Beam ConvolutionDoz Hesaplaması: Convolution , Her bir TERMA noktasındaki

doz kernellerinin toplanması

2D

T K

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Convolution-Superposition

• Pencil kernele göre rezolüsyonu daha iyi olan point kernellerdeenerji depolandığı varsayılır.

• Demet diverjanjı hesaba katılır.

• Lateral saçılım belirlenir, saçılan elektronların aldıkları yollar izlenir.

• Enerji spektrumu yani çoklu enerjili demet etkileşimi kullanılır.

• İnhomojenite düzeltmesi hem primer etkileşimde hem desekonder etkileşimlerde uygulanır.

• Extra focal kaynaklar (Kolimatör, Flattening filter) modellenir.

• Kerneller uzaysal düzlemde değişken olduğundan Convolutiondenklemi yerine Kerneller superposition ile toplanarak doz hesaplanır.

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Convolution-Superposition

Primer fotondoz katkısı

KafadansaçılanFoton dozkatkısı

e- kontaminasyonkatkısı

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Convolution-Superposition

T Kernele ait heterojenite

Point kernel

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Convolution-Superposition

• Çoklu enerjili demet olduğundan her bir enerji akısı ve pointkernel için hesap yapıldığında hesaplama süresi çok uzar.

• Bu nedenle planlama sistemlerinde tekli ya da ikili çoklu enerjispektrum kullanılır. (KERMAc ve SCERMA)

• N3 voxel olan bir ortamda N7 oranında point kernellerdedepolanan enerjinin belirlenmesi gerekir.

• Ancak hesaplama süresini azaltmak için Fast Fourier Trans (FFT)ya da point kernellerin kartezyan koordinatlardan polarkoordinatlarda tanımlayana Collapsed Cone hesaplama yöntemlerikullanılır.

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Collapsed Convolution

• 3D primer ve ikincil saçılan radyasyon için heterojenite düzeltmesiyapılır.

• Kerneller bir çizgi üzerene yerleştirilien koni şeklinde varsayılır veenerji lineer bir hat üzerinde daraltılan bu konilerde depolandığıvarsayılır.

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint-Kernel Based: Collapsed Convolution

• TERMA dağılımı ile bu düz hat üzerindeki açısal kernellerinconvolution hesaplanması ile doz belirlenir.

• Hesaplama süresi N3 olan voksel sayısı için MN kadar hesaplamayapılır. M: Cone sayısı

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint Kernel: Numerical Boltzman Denklemi

Acuros XB• Radyasyonun fiziksel etkileşimini Lineer Boltzmann Transport

Denklemini çözerek belirler. Monte Carlo’ da olası çarpışmaları randomvarsayılarak model oluşturulurken, bu yöntemde sonsuz sayıdaparçacığın etkileşimleri simüle edilerek denklem çözülmeye çalışılır.

• Her iki yöntemde de aynı çarpışmalar kullanılır.

• Çoğu algoritmalada heterojenite düzeltmesi kernelde etkileşimsonrasında scaling ile yapılırken AXB’ de heterojenite etkileşime direkkatılır.

• Eclipse TPS’ de AAA ile aynı kaynak modellemesi kullanılır. Ayrıcaradyasyon transport modellemesi olmak üzere iki modelleme kullanır.

• ‘’Dose to water’’ ve ‘’dose to medium’’ olarak iki ayrı doz hesaplanabilir.

Model Tabanlı AlgoritmalarPoint Kernel: Numerical Boltzman Denklemi

Acuros XB

Acuros XB ile HU değerindenhasta anatomisinin kütle densitesiçıkarılır ve etkileşime katılır.

Özet:

ModelTabanlı

DüzeltmeTabanlı

Klinik Uygulamalarda Algoritma Farklılığının Etkisi

• 5 TPS : OnCentra Master Plan (OMP), Pinnacle, Eclipse I, Eclipse II,PrecisePlan(PPLAN), CMS-XiO

• 9 Algoritma: OMP/PB-OMP/CC, Pinnacle/CC, Eclipse I/Batho,Eclipse I/ETAR, Eclipse/AAA, PPLAN/PB, Xio/Conv, XiO/Super

• Prostat-4Alan box tekniği, Meme-tanjansiyel alanlar, Baş-Boyun-Karşılıklı paralel lateral alanlar, Akciğer-5 alan farklı ağırlıklıalanlar: 3DCRT

Oncentra MasterPlan-Helax TMS: Pencil Beam Conv/Superposition (OMP/PB)2D Pencil Beam Conv- EPL Heterojenite Düzeltmesi

Collapsed Cone Conv (OMP/CC)Point Kernel, TERMA: KERMA ve SCERMA,

Pinnacle: Collapsed Cone Conv (Pinnacle/CC)Point Kernel, TERMA: KERMA ve SCERMA, 106 cc

Eclipse I: Single Pencil Beam (ModBatho)Batho heterojenite Düzeltmesi, Lateral Densite Değişimi

Single Pencil Beam (Eclipse/ETAR) (-)ETAR heterojenite düzeltmesi,

Eclipse II: Anisotropic Analytical Algorithm (AAA)Pencil Beam Conv. (Hibrid), EPL+Lateral Densite Değişimi,

Precise Plan Pencil Beam Conv., (PPLAN)EPL Heterojenite Düzeltmesi, Primary ve Scatter Düzeltmesi

XiO FFT Pencil Beam Conv. (Xio/Conv)Pencil Kernel, TERMA: KERMA ve SCERMA,

Super Position Algorithm (XiO-Super)Point Kernel, TERMA: KERMA ve SCERMA, Densite Düzeltmesi-128 cc

Algoritmalar:

Algoritmalar:

Type a: Heterojenite düzeltmesi EPL,Elektronların lateral elektron saçılımı modellemesi yok,Eclipse/ModBatho, Eclipse/ETAR, OMP/PB, PPLAN ve

XiO/Conv.

Type b: Lateral elektron saçılımı modellenir, Heterojenitedüzeltmesi hem primer elektronlar hem de saçılan fotonlar içinscaling (O’Connor) ile yapılır.

Pinnacle/CC, Eclipse/AAA, OMP/CC and XiO/Super

Gold Standart: Monte Carlo

Sonuçlar:Prostat:

Algoritmalar arasında anlamlı farklılık yok. Protez olduğunda dikkat!

Sonuçlar:Baş-Boyun:

Back Scatter modellemesi yapılmadığından yüksek enerjilerde type aalgoritmalarında fark yüksek !

Hava boşluğunun olduğu bölgelerde doz farklılıkları..

Sonuçlar:Meme:

Meme ile akciğer kesişme bölgesinde type b algoritmalarında doz düşüşü..type a:92.6 type b: 83.1

Sonuçlar:

PTV ortalama dozu %2-4 arasında daha düşük,%50 akciğer hacmini aldığı doz %5daha yüksek,Düşük doz alan akciğer hacmi %10 daha fazla..

Sonuçlar:Akciğer:

Akciğer olgularında type a algoritmaları yetersiz bulunurken,type b algoritmalarında Collapsed Cone algoritmaları MC’ ya daha yakınsonuçlar bulundu.

Collapsed Cone-AAA-Acuros

AAA ortalama PTVdozunu %0,7 daha fazlahesaplarken, Acuros&CCarasındaki fark %0,02

Dinlediğiniz için sizlere, Paylaşımlarından dolayı

Anders AhnesJö ve Ayşe Koca’ ya teşekkürler..