การเปรียบเทียบการกระจายปริมาณรังสีกายภาพจากแผนการรักษาด้วยการฉายลำอนุภาคคาร์บอนที่ได้จากโปรแกรมวางแผนการรักษา matRad และโปรแกรมมอนติคาร์โล PHITS
คำสำคัญ:
การฉายลำอนุภาคคาร์บอน, การวางแผนการรักษา, การจำลองมอนติคาร์โล, matRad, PHITSบทคัดย่อ
หลักการและเหตุผล: การรักษามะเร็งด้วยการฉายลำอนุภาคคาร์บอนใช้ปริมาณรังสีถ่วงน้ำหนักด้วยผลทางชีววิทยาสัมพัทธ์ (RBE-weighted dose) ในการวางแผนการรักษา แบบจำลองที่นิยมใช้สำหรับคำนวณค่า RBE ของลำอนุภาคคาร์บอน ได้แก่ แบบจำลอง microdosimetric kinetic model (MKM) และ local effect model (LEM) อย่างไรก็ดี การกำหนดปริมาณรังสีจากแบบจำลองทั้งสองชนิดนี้อาจทำให้การกระจายปริมาณรังสีกายภาพในผู้ป่วยต่างกัน จึงไม่สามารถเปรียบเทียบผลการรักษาได้โดยตรง ในอดีตการแปลง RBE-weighted dose ระหว่างแบบจำลอง LEM และ MKM ทำโดยการเปรียบเทียบแผนการรักษาที่ได้จากแบบจำลองทั้งสองชนิดนี้ แต่ยังไม่เคยมีการแปลงโดยตรงจากแผนการรักษาหนึ่งไปเป็นอีกแผนการรักษาโดยใช้แบบจำลองชีวฟิสิกส์พื้นฐาน การดำเนินการดังกล่าวต้องใช้ข้อมูลการกระจายปริมาณรังสีกายภาพจากแผนการรักษาแบบใดแบบหนึ่ง และสเปกตรัมพลังงานของอนุภาคปฐมภูมิและทุติยภูมิในแต่ละ voxel ซึ่งคำนวณได้จากโปรแกรมมอนติคาร์โล
วัตถุประสงค์: เพื่อเปรียบเทียบการกระจายปริมาณรังสีกายภาพของลำอนุภาคคาร์บอนที่ได้จากโปรแกรมมอนติคาร์โล PHITS และโปรแกรมวางแผนการรักษา matRad สำหรับใช้ในการแปลง RBE-weighted dose ระหว่างแบบจำลอง LEM และ MKM
วัสดุและวิธีการ: ภาพหุ่นจำลองน้ำเสมือนจริงขนาด 50 x 35 x 50 ลูกบาศก์เมตร ถูกนำมาใช้ในการวางแผนการรักษา โดยกำหนดให้ทรงกลมขนาดรัศมี 3 เซนติเมตร ซึ่งมีจุดศูนย์กลางอยู่ที่ความลึก 7 เซนติเมตร ในน้ำ เป็นก้อนมะเร็งเป้าหมาย การวางแผนการรักษาใช้โปรแกรม matRad โดยกำหนด RBE-weighted dose เท่ากับ 4.3 Gy(RBE) ข้อมูลที่ได้จาก matRad ประกอบด้วย จำนวน ตำแหน่ง พลังงาน และขนาดของลำอนุภาคคาร์บอน ถูกนำไปใช้กำหนดต้นกำเนิดรังสีใน PHITS จากนั้นปริมาณรังสีกายภาพที่คำนวณได้จาก matRad และ PHITS ถูกนำมาเปรียบเทียบโดยใช้เทคนิคการวิเคราะห์ค่าแกมมา
ผลการศึกษา: แบรกก์พีคของอนุภาคคาร์บอนที่ได้จาก matRad และ PHITS อยู่ในตำแหน่งต่างกันประมาณ 1 มิลลิเมตร การเลื่อนหุ่นจำลองน้ำขึ้นไปทางต้นกำเนิดรังสี 1 มิลลิเมตร ใน PHITS ทำให้การกระจายปริมาณรังสีกายภาพที่ได้จาก matRad และPHITS ผ่านข้อกำหนด 3%/3 มิลลิเมตร ของการวิเคราะห์ค่าแกมมา เฉลี่ย 99% และ 90% ในก้อนมะเร็งเป้าหมาย และทุกบริเวณ ตามลำดับ
ข้อสรุป: สามารถใช้โปรแกรม matRad ร่วมกับ PHITS ในการประเมินค่าการแปลง RBE-weighted dose ระหว่างแบบจำลอง LEM และ MKM ได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่งในก้อนมะเร็งเป้าหมาย
เอกสารอ้างอิง
Inaniwa T, Furukawa T, Kase Y, Matsufuji N, Toshito T, Matsumoto Y, et al. Treatment planning for a scanned carbon beam with a modified microdosimetric kinetic model. Phys Med Biol. 2010;55:6721. doi: 10.1088/0031-9155/55/22/008.
Inaniwa T, Kanematsu N, Matsufuji N, Kanai T, Shirai T, Noda K, et al. Reformulation of a clinical-dose system for carbon-ion radiotherapy treatment planning at the National Institute of Radiological Sciences, Japan. Phys Med Biol. 2015;60:3271.
Scholz M, Kellerer A, Kraft-Weyrather W, Kraft G. Computation of cell survival in heavy ion beams for therapy. Radiat Environ Biophys. 1997;36:59-66. doi: 10.1007/s004110050055.
Krämer M, Scholz M. Treatment planning for heavy-ion radiotherapy: calculation and optimization of biologically effective dose. Phys Med Biol. 2000;45:3319.
ICRU M. Report 36. International Commission on Radiation Units and Measurements, Bethesda, MD 1983.
Molinelli S, Magro G, Mairani A, Matsufuji N, Kanematsu N, Inaniwa T, et al. Dose prescription in carbon ion radiotherapy: How to compare two different RBE-weighted dose calculation systems. Radiother Oncol.2016;120:307-12. doi: 10.1016/j.radonc.2016.05.031.
Fossati P, Molinelli S, Matsufuji N, Ciocca M, Mirandola A, Mairani A, et al. Dose prescription in carbon ion radiotherapy: a planning study to compare NIRS and LEM approaches with a clinically-oriented strategy. Phys Med Biol. 2012;57:7543. doi: 10.1088/0031-9155/57/22/7543.
Wang W, Huang Z, Sheng Y, Zhao J, Shahnazi K, Zhang Q, et al. RBE-weighted dose conversions for carbon ionradiotherapy between microdosimetric kinetic model and local effect model for the targets and organs at risk in prostate carcinoma. Radiother Oncol. 2020;144:30-6. doi: 10.1016/j.radonc.2019.10.005.
Wieser HP, Cisternas E, Wahl N, Ulrich S, Stadler A, Mescher H, et al. Development of the open‐source dose calculation and optimization toolkit matRad. Med Phys. 2017;44:2556-68. doi: 10.1002/mp.12251.
Elsässer T, Weyrather WK, Friedrich T, Durante M, Iancu G, Krämer M, et al. Quantification of the relative biological effectiveness for ion beam radiotherapy: direct experimental comparison of proton and carbon ion beams and a novel approach for treatment planning. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2010;78:1177-83. doi: 10.1016/j.ijrobp.2010.05.014.
Low DA, Harms WB, Mutic S, Purdy JA. A technique for the quantitative evaluation of dose distributions. Med Phys. 1998;25:656-61. doi: 10.1118/1.598248.
Sato T, Niita K, Matsuda N, Hashimoto S, Iwamoto Y, Noda S, et al. Overview of the PHITS code and its application to medical physics. Prog Nucl Sci Technol. 2014;4:879-82. doi:10.15669/PNST.4.879
Sato T, Kase Y, Watanabe R, Niita K, Sihver L. Biological dose estimation for charged-particle therapy using an improved PHITS code coupled with a microdosimetric kinetic model. Radiat Res. 2009;171:107-17. doi: 10.1667/RR1510.1.
Sato T, Iwamoto Y, Hashimoto S, Ogawa T, Furuta T, Abe S-i, et al. Features of particle and heavy ion transport code system (PHITS) version 3.02. J Nucl Sci Technol. 2018;55:684-90. doi:10.1080/00223131.2017.1419890
Hong L, Goitein M, Bucciolini M, Comiskey R, Gottschalk B, Rosenthal S, et al. A pencil beam algorithm for proton dose calculations. Phys Med Biol. 1996;41:1305. doi: 10.1088/0031-9155/41/8/005.
Parodi K, Mairani A, Brons S, Hasch B-G, Sommerer F, Naumann J, et al. Monte Carlo simulations to support start-up and treatment planning of scanned proton and carbon ion therapy at a synchrotron-based facility. Phys Med Biol. 2012;57:3759. doi: 10.1088/0031-9155/57/12/3759.
Yang Z-Y, Tsai P-E, Lee S-C, Liu Y-C, Chen C-C, Sato T, et al., editors. Inter-comparison of dose distributions calculated by FLUKA, GEANT4, MCNP, and PHITS for proton therapy. EPJ Web of Conferences; 2017: EDP Sciences.
ดาวน์โหลด
เผยแพร่แล้ว
รูปแบบการอ้างอิง
ฉบับ
ประเภทบทความ
สัญญาอนุญาต
บทความที่ได้รับการตีพิมพ์เป็นลิขสิทธิ์ของวารสารมะเร็งวิวัฒน์ ข้อความที่ปรากฏในบทความแต่ละเรื่องในวารสารวิชาการเล่มนี้เป็นความคิดเห็นส่วนตัวของผู้เขียนแต่ละท่านไม่เกี่ยวข้องกับ และบุคคลากรท่านอื่น ๆ ใน สมาคมฯ แต่อย่างใด ความรับผิดชอบองค์ประกอบทั้งหมดของบทความแต่ละเรื่องเป็นของผู้เขียนแต่ละท่าน หากมีความผิดพลาดใดๆ ผู้เขียนแต่ละท่านจะรับผิดชอบบทความของตนเองแต่ผู้เดียว
