Yüksek Atom Numaralı Kompleks Geometrik Yapılı ...medikalfizik.org/.../17-Med-Fiz-Sunum_Gizem_Aybars.pdfGiriş Materyal - Metot Bulgular Sonuçlar Referanslar Yüksek Atom Numaralı

Giriş Materyal - Metot Bulgular Sonuçlar Referanslar

Yüksek Atom Numaralı Kompleks Geometrik YapılıMateryallerin Yüzey Dozlarının Monte Carlo Simülasyonu

ile Değerlendirilmesi

Gizem Bakıcıerler Aybars 1,2, Gizem Şişman 1, Ayşegül Yurt 1, Hakan Epik 3,Kadir Akgüngör 3

1 Dokuz Eylül Üniversitesi, Sağlık Bilimleri Enstitüsü, Medikal Fizik AD2 Celal Bayar Üniversitesi, Hafsa Sultan Hastanesi, Radyasyon Onkolojisi AD

3 Dokuz Eylül Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü

Ekim 2019

Med. Fiz. Uzm. Gizem Bakıcıerler Aybars 17. Ulusal Medikal Fizik Kongresi Ekim 2019 1 / 29


İçindekiler

1 Giriş

2 Materyal - Metot

3 Bulgular

4 Sonuçlar

5 Referanslar



Giriş

Radyoterapide kullanılan megavoltaj enerjilerinde yüksek atomnumaralı materyallerin, hedef ve normal doku dozlarını büyükölçüde etkileme potansiyeli bulunmaktadır1.Yapılan çalışmalarda yüksek atom numaralı protezdenkaynaklanan doz değişimlerinin enerji, materyal malzemesi,kalınlık gibi faktörlere bağlı değişimi deneysel ve Monte Carlosimülasyon tekniği kullanılarak makroskopik boyutlardaincelenmiştir.Monte Carlo simülasyonu, deneysel ölçümlerin zor olduğu birfantom içindeki doz dağılımlarını doğru ve ayrıntılı bir şekildetahmin etmemizi sağlamaktadır2.



Giriş

Amaç :

Yüksek yoğunluklu titanyum protezlerinin kompleks geometrikyapılarının ve ışın içindeki pozisyonlarının yüzeye yakınbölgelerdeki doz dağılımı üzerine etkisini Monte Carlosimülasyonu ile mikroskopik boyutta değerlendirmektir.



GirişDozimetrik olarak protezlerin fiziksel özellikleri (kütle yoğunluğu,kütle atenüasyon katsayısı, efektif atom numarası, elektronyoğunluğu, rölatif elektron yoğunluğu vb.), şekli, boyutu, bileşimiönemlidir.

Tablo 1: Yaygın olarak kullanılan metal implantların fiziksel özellikleri2,3,4,5,6

Materyal ρ(g/cm3) ρc(elektron/cm3) ρc(metal)/ρe(H2O)H2O 1.00 3.43x1023 1.0Titanyum 4.54 12.56x1023 3.76Titanyum Alaşım 4.34 12x1023 3.72Paslanmaz Çelik 7.90 22.15x1023 6.63Co-Cr-Mo 7.90 23.02x1023 6.89



GirişÇeşitlilik fazla olduğu için teorik olarak her bir protezi kesin olaraksimüle etmek oldukça zordur ve mikroskopik boyutta deneyselolarak ölçmek ise mümkün değildir.

Şekil 1: Farklı protez parçaları (1) titanyum, (2) paslanmaz çelik, (3) Co-Cr-Mo, (4) vitalyum7,8



Giriş

Birkaç grup araştırmacı, protez içeren fantomlarda, hastalardaya da tedavi planlama sistemlerinde (TPS) ölçümleme veyahesaplama yöntemleriyle dozdaki bozulmaları belirlemeyeçalışmıştır.

Ding ve Yu2; MC simülasyonları ile 18 MV foton enerjisindepaslanmaz çelik protezin arayüzünden 2 mm uzaklıkta %15doz artışı olduğunu tespit etmişlerdir.

Gullane9; paslanmaz çelik ve titanyum materyallerin proksimalyüzeylerinde %50’ye kadar artan doz değerlerini iyon odası ileölçmüşlerdir.



Giriş

Erlanson ve diğerleri10; farklı açılarda ve farklı fotonenerjilerinde titanyum alaşımlı protezin arkasında 2 cm’ekadar uzayan bölgede %25’lik doz artışını Si diyotlar ileölçmüşlerdir.

Rogers ve diğerleri11; 6 MV ile MC (EGS4/BEAM)yöntemiyle hesaplanan derin doz eğrisini, farklı algoritmalarlahesaplanan derin doz eğrileri ile karşılaştırmışlardır. MChesaplamasının, su-titanyum arayüzüne yakın yerlerdeki büyükdoz artışını gösteren tek algoritma olduğu sonucunavarmışlardır.



Giriş

Carolan ve diğerleri6; MC simülasyonunda 6-MV X-ışını ile Co-Cr-Moalaşımında protez-doku arayüzünden 5 mm mesafede az miktarda dozartışı olurken, arayüze 100 µm mesafede %35’lik doz artışı olduğunuortaya koymuşlardır.

Ade ve Plessis12; 6 ve 15 MV foton enerjilerinde titanyum protezlerin dozdağılımlarını film ve TPS ile karşılaştırmışlardır. Protezin proksimalindearayüzde dozun %21 ile %30 arasında arttığını, protezin altında ise %15ile %23 arasında azaldığını gözlemlenmişlerdir.

Buffard ve diğerleri13; protez geometrisini hesaba katmak için MCsimülasyonu ile farklı modeller geliştirilmişler ve deneysel ölçüm verileri ilekarşılaştırılmışlardır. Teorik sonuçlar çelik ve TA6V4 arayüzlerindeki dozartışının sırasıyla %23 ve %16 olduğunu göstermiştir.



Materyal - Metot

Başlık Yüksek Atom Numaralı Kompleks Geometrik Yapılı MateryallerinYüzey Dozlarının Monte Carlo Simülasyonu ile Değerlendirilmesi

Yazılım GAMOS 6.0.0

Donanım 2x (Intel Xeon(R) CPU E5630 4x 2x(HT) 2.53 GHz), 64-bit24 GB RAM

Kaynak 6 MV mono enerjili X-ışınıFizik GmEMStandardPhysics, emstandard_opt4Analiz MATLAB kullanılarak analiz programları yazıldı



Materyal - Metot

Küresel ve keskin kenarlı kompleksbir geometri yaklaşımı ile tasarlananprotez (4x4x8 cm3 boyutunda), suiçerisine yerleştirildi.0° ve 45° ışın açıları109 parçacık ile 100 µm vokselboyutunda (Set Cut=0.01 mm)büyük dedektörler yerleştirilerekhesaplamalar yapıldı.108 parçacık ile 25 µm vokselboyutlarında (Set Cut=5 µm) dahaküçük dedektörler ilgili bölgelereyerleştirilerek hesaplamalar yapıldı. Şekil 2: Monte Carlo simülasyonunda oluşturulan

protezin geometrisi



Materyal - Metot

Elde edilen 3 boyutlu dozve doz-enerji-parçacıkilişkisine dayalı verilerMatlab’da oluşturduğumuzyazılım programları ileanaliz edildi.Su, titanyum protez vemateryal arayüzündeki dozdağılımları değerlendirildi.

Şekil 3: Matlab analizi ile elde edilen 3 boyutlu yüzey grafiği



Bulgular

Şekil 4: 0° ve 45° ile ışınlanan protezin simülasyon görüntüsü



Bulgular

Şekil 5: Protezin 0° ışınlanması ile büyük vokselboyutlarında elde edilen yüzey grafiği

Şekil 6: Protezin 0° de ışınlanmasıyla elde edilen yüzeykontur grafiği



Bulgular

Şekil 7: Protezin 0° de ışınlanması ile orta hatta elde edilenderinliğe bağlı doz atenüasyon grafiği

Protezin 0° ile ışınlamasıile titanyum materyalininçıkış bölgesinde su-metalarayüzünden 500 µmmesafede %15 oranındadoz birikimleri(rebuild-up) olduğutespit edilmiştir.



Bulgular

Şekil 8: Protezin 45° ışınlanması ile büyük vokselboyutlarında elde edilen yüzey grafiği

Şekil 9: Protezin 45° ışınlanması ile büyük vokselboyutlarında elde edilen orta hat derinlik-doz

atenüasyon grafiği

Oblik ışınlamada titanyum materyalinin giriş bölgesinde su-metal arayüzünden 2mm mesafede, çıkış bölgesinden ise 500 µm mesafede %18 doz birikimleri(rebuild-up) olduğu tespit edilmiştir.



Bulgular

Şekil 10: 0° ile ışınlanan protezin girişine ve çıkışınayerleştirilmiş büyük voksel boyutlu dedektörlerin

geometrisi Şekil 11: Giriş-çıkış dedektörlerinden elde edilen eş dozdüzeyleri



Bulgular

Şekil 12: Protezin girişinde büyük voksel boyutlarındapiksel-doz değişim grafiği

Şekil 13: Protezin girişinde küçük voksel boyutlarındapiksel-doz değişim grafiği

Protezin girişinde küresel su-metal arayüzünden itibaren 1.5 mm mesafeyekadar %36 doz artışı, arayüzden 25 µm mesafede ise %20 doz düşüşüolduğu görülmüştür.



Bulgular

Şekil 14: Protezin çıkışında büyük voksel boyutlarındapiksel-doz değişim grafiği

Şekil 15: Protezin çıkışında küçük voksel boyutlarındapiksel-doz değişim grafiği

Protezin çıkışında metal-su arayüzden itibaren 50 µm mesafede doz %24oranında artmış (rebuild-up), 1.5 mm mesafede ise doz eksponansiyel olarak%13.5 oranında azalmıştır.Monte Carlo hesaplamalarındaki istatistiksel standart sapma %1’in altındadır.



Bulgular

Geometriye bağlı yüzey etkisi:

Şekil 16: Farklı yüzeylerin giriş ve çıkışlarına yerleştirilen küçük voksel boyutlu dedektörler



Bulgular

Geometriye bağlı yüzey etkisi:

Şekil 17: Protezin küçük voksel boyutlarında küreyegiriş yüzey grafiği

Şekil 18: Protezin küçük voksel boyutlarında küreyegiriş piksel-doz değişim grafiği



BulgularGeometriye bağlı yüzey etkisi:

Şekil 19: Protezin küçük voksel boyutlarında küresizyüzeye giriş grafiği

Şekil 20: Protezin küçük voksel boyutlarında küresizyüzeye giriş piksel-doz değişim grafiği

Protezin küresel ve düz giriş yüzeylerinin 0° ile ışınlanmasıyla elde edilenderinliğe bağlı yüzey grafikleri incelendiğinde dozun su-metal arayüzüne 1.5mmmesafeye kadar arttığı, arayüzden 25 µm mesafede doz düşüşü olduğu tespitedilmiştir.



BulgularDar açılarda geometriye bağlı yüzey etkisi:

Şekil 21: Dar açılara yerleştirilen küçük voksel boyutlu dedektör geometrisi

Yüzeydeki maksimum dozlar 0°’lik ışınlamada, oblik ışınlamaya oranla%20 daha yüksek bulunmuştur.



Bulgular

Şekil 22: Protezin 45° ışınlanmasında dar açıdakidedektörden elde edilen giriş yüzey grafiği

Şekil 23: Protezin 45° ışınlanmasında dar açıdakidedektörden elde edilen çıkış yüzey grafiği

Oblik ışınlamada protezin giriş ve çıkış yüzeylerindeki maksimum yüzeydozları arasında yaklaşık olarak %30 azalma görülmektedir.



BulgularBirbirine yakın sıcak ve soğuk yüzeyler:

Şekil 24: Sıcak ve soğuk yüzeydeki elektronlarınkinetik enerji-doz spektrum grafiği

Tüm ışınlamalarda arayüzdekietkileşimler değerlendirildiğindeelektronların gamalardan daha fazlalokal sıcak doz bölgelerinekatkısının olduğu görülmüştür.0-1 MV enerji aralığında kinetikenerjiye sahip elektronlar için bukatkı yaklaşık %60 olarakbulunmuştur.Birbirine yakın yüksek ve düşükdozlu noktalar arasındakimaksimum doz farkı %25 olarakbulunmuştur.



Sonuçlar

MC hesaplamaları, deneysel olarak ölçümünün zor olduğu yüksekatom numaralı kompleks geometriye sahip materyalin varlığındageometriye ve ışın içindeki pozisyonuna bağlı saçılmalar nedeniylebüyük doz değişikliklerinin olabileceğini ayrıntılı bir şekildegöstermiştir14.

Tedavi bölgelerindeki protezlerin altında doz atenüasyonundandolayı tümör kontrolünde azalma ya da lokal doz artışlarından dolayıyumuşak doku, kemik nekrozları, implant fiksasyonunda azalma gibikomplikasyon oranlarında artış meydana gelebilmektedir1.

Yüksek yoğunluklu heterojeniteden ve geometrik farklılıklardankaynaklanan doz değişimleri tedavi planlama sistemlerinde doğru birşekilde dikkate alınmamaktadır. Bu nedenle, doz dağılımlarınındoğruluğu MC hesaplamaları ile iyileştirilmelidir1,2,13,15,16,17.



Sonuçlar

Bu çalışmanın devamında geometri çeşitliliği arttırılarak, geometrive doz ilişkisi arasında mikroskopik boyutta değerlendirmelerdengenel ifadeler türetilmesi hedeflenmektedir.

Protezlerin çıkış dozu ölçümleri diyot, termolüminesans dedektör(TLD) ve film kullanılarak yapılmaktadır. Diyot veya TLDkullanılarak yapılan in vivo dozimetrenin dezavantajı, dozun sınırlısayıda noktada ölçülmesidir.

Konumsal doz bilgisi elde etmenin bir yöntemi, doz hesaplamasınıdoğrulamak için portal görüntüleme kullanmaktır. Bir portalgörüntü ile hasta aracılığıyla iletilen rölatif doz dağılımları, protezboyunca radyolojik yol uzunluğunu belirlemek için kullanılabilir.



Referanslar1 Reft, C.; Alecu, R.; Das, I.J.; et al. Dosimetric considerations for patients with HIP prostheses undergoing

pelvic irradiation: report of the AAPM Radiation Therapy Committee Task Group 63. Med. Phys. 2003;30:1162–82. [doi: 10.1118/1.1565113]

2 Ding GX, Yu CW. A study on beams passing through hip prosthesis for pelvic radiation treatment. Int J.Radiat Oncol Biol Phys. 2001; 51:1167‐75. [doi:10.1016/s0360-3016(01)02592-5]

3 Biggs PJ, Russell MD. Effect of a femoral head prosthesis on megavoltage beam radiotherapy. Int J RadiatOncol Biol Phys 1988;14:581–586

4 Schild SE, Robinow JS, Casale HE, et al. Radiotherapy treatment planning for prostate cancer in patientswith prosthetic hips. Med Dosim 1992;17:83– 86

5 Alecu R, Loomis T, Ochran T, et al. Traditional and MLC based dose compensator design for patientswith hip prostheses undergoing pelvic radiation therapy. Med Dosim 1999;24:33–37

6 Carolan M, Dao P, Fox C, et al. Effect of hip prostheses on radiotherapy dose. Australas Radiol2000;44:290 –295

7 D. Rijken J., J. Colyer C. Dose uncertainties associated with a set density override of unknown hipprosthetic composition. J Appl Clin Med Phys. 2017 Sep;18(5):301-306. [doi: 10.1002/acm2.12167]

8 https://www.cgtrader.com/3d-models/science/medical/hip-replacement-implant-installed-in-the-pelvis-bone

9 Gullane P. J. Primary Mandibular reconstruction analysis of 64 cases and evaluation of interface radiationdosimetry on bridging plates. Laryngoscope. 1991; 101(6 Pt 2 Suppl 54):1-24.[doi:10.1288/00005537-199106000-00021]


https://www.cgtrader.com/3d-models/science/medical/hip-replacement-implant-installed-in-the-pelvis-bone

https://www.cgtrader.com/3d-models/science/medical/hip-replacement-implant-installed-in-the-pelvis-bone


Referanslar10 Erlanson M., Franzen L., Henriksson R.,et al. Planning of radiotherapy for patients with hip prosthesis. Int.

J. Radiat. Oncol., Biol., Phys. 1991; 20:1093–98. [doi:10.1016/0360-3016(91)90210-u]

11 Rogers D.W.O. , Faddegon B.A. , Ding G.X. ,et al. Beam: A Monte Carlo code to simulate radiotherapytreatment units. Med. Phys. 1995; 22: 503–24. [doi10.1118/1.597552]

12 Ade N., du Plessis FCP. Dose comparison between Gafchromic film, XiO, and Monaco treatment planningsystems in a novel pelvic phantom that contains a titanium hip prosthesis. J. Appl Clin. Med. Phys.2017;18(5):162-173. [doi: 10.1002/acm2.12141]

13 Buffard E., Gschwind R., Makovicka L.; et al. Study of the impact of artificial articulations on the dosedistribution under medical irradiation. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2005;229:78–84. [https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.11.005]

14 Buffard E., Gschwind R., Makovicka L.; et al. Monte Carlo calculations of the impact of a hip prosthesison the dose distribution. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B. 2006; 251: 9–18.[https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.05.031]

15 Wieslander E., Knöös T. Dose perturbation in the presence of metallic implants: treatment planningsystem versus Monte Carlo simulations.Phys. Med. Biol. 2003; 48:3295–3305.[doi: 10.1088/0031-9155/48/20/003]

16 Laub W.U., Nüsslin F. Monte Carlo dose calculations in the treatment of a pelvis with implant andcomparison with pencil-beam calculations. Med. Dosim. 2003; 28(4):229-33.[doi: 10.1016/j.meddos.2003.05.001]

17 Roberts R. How accurate is a CT-based dose calculation on a pencil beam TPS for a patient with ametallic prosthesis. Phys. Med. Biol. 2001; 46(9):N227-34. [doi:10.1088/0031-9155/46/9/402]


https://doi.org/10.1016/j.nimb.2004.11.005

https://doi.org/10.1016/j.nimb.2006.05.031


Teşekkürler


Documents

Yüksek Atom Numaralı Kompleks Geometrik Yapılı ...medikalfizik.org/.../17-Med-Fiz-Sunum_Gizem_Aybars.pdfGiriş Materyal - Metot Bulgular Sonuçlar Referanslar Yüksek Atom Numaralı