Development of a Geant4 based Monte Carlo algorithm to evaluate the MONACO VMAT treatment accuracy - Fleckenstein, Jens; Jahnke, Lennart; Lohr, Frank; Wenz, Frederik; Hesser, Jürgen (Zeitschrift für medizinische Physik, 2012)
A method to evaluate the dosimetric accuracy of volumetric modulated arc therapy (VMAT) treatment plans, generated with the MONACOTM (version 3.0) treatment planning system in realistic CT-data with an independent Geant4 based dose calculation algorithm is presented. Therefore a model of an Elekta Synergy linear accelerator treatment head with an MLCi2 multileaf collimator was implemented in Geant4. The time dependent linear accelerator components were modeled by importing either logfiles of an actual plan delivery or a DICOM-RT plan sequence. Absolute dose calibration, depending on a reference measurement, was applied. The MONACO as well as the Geant4 treatment head model was commissioned with lateral profiles and depth dose curves of square fields in water and with film measurements in inhomogeneous phantoms. A VMAT treatment plan for a patient with a thoracic tumor and a VMAT treatment plan of a patient, who received treatment in the thoracic spine region including metallic implants, were used for evaluation. MONACO, as well as Geant4, depth dose curves and lateral profiles of square fields had a mean local gamma (2%, 2mm) tolerance criteria agreement of more than 95% for all fields. Film measurements in inhomogeneous phantoms with a global gamma of (3%, 3mm) showed a pass rate above 95% in all voxels receiving more than 25% of the maximum dose. A dose-volume-histogram comparison of the VMAT patient treatment plans showed mean deviations between Geant4 and MONACO of -0.2% (first patient) and 2.0% (second patient) for the PTVs and (0.5±1.0)% and (1.4±1.1)% for the organs at risk in relation to the prescription dose. The presented method can be used to validate VMAT dose distributions generated by a large number of small segments in regions with high electron density gradients. The MONACO dose distributions showed good agreement with Geant4 and film measurements within the simulation and measurement errors. - Zusammenfassung - Eine Methode zur Evaluierung der dosimetrischen Genauigkeit von MONACO™ (Version 3.0)-VMAT-Behandlungsplänen in realen CT-Datensätzen mittels eines unabhängigen, auf Geant4 basierten Monte-Carlo-Dosisberechnungsalgorithmus wird vorgestellt. Hierfür wurde ein Modell eines Elekta-Synergy-Linearbeschleunigers mit MLCi2-Kollimator in Geant4 implementiert. Um die zeitlich veränderlichen Komponenten des Beschleunigerkopfes zu modellieren, wurden entweder logfiles einer Bestrahlung oder DICOM-RT-Pläne importiert. Ein auf einer Referenzmessung beruhender Formalismus zur Kalibration der absoluten Dosis wurde angewandt. Sowohl die MONACO- als auch die Geant4-Simulationen wurden mit lateralen Profilen und Tiefendosiskurven quadratischer Feldgeometrien in Wasser und mit Film-Messungen in inhomogenen Phantomen validiert. Ein Vergleich zwischen MONACO- und Geant4-generierten Dosisverteilungen wurde für einen VMAT-Bestrahlungsplan eines Patienten mit einem thorakalen Tumor sowie einen Bestrahlungsplan eines Patienten, der in der Wirbelsäulen-Region in Gegenwart metallischer Implantate bestrahlt wurde, durchgeführt. Sowohl MONACO als auch Geant4 zeigten für die Tiefendosiskurven und die lateralen Profile der quadratischen Felder bei einem lokalen Gamma (2%, 2mm) Kriterium für alle Felder eine mittlere Übereinstimmung von mehr als 95%. Filmmessungen in inhomogenen Phantomen erfüllten ein globales Gamma (3%, 3mm) Toleranzkriterium in mehr als 95% aller Voxel, die mehr als 25% der Maximaldosis erhielten. Die Dosis-Volumen-Histogramme der beiden VMAT-Behandlungen zeigten Unterschiede in der mittleren Dosis im Zielvolumen zwischen Geant4 und MONACO von -0,2% im ersten und 2,0% im zweiten Fall. Die Risikoorgane zeigten dosimetrische Unterschiede von (0,5±1,0)% und (1,4±1,1)% bezogen auf die Verschreibungsdosis. Die vorgestellte Methode kann verwendet werden, um VMAT-Dosisverteilungen, die durch viele kleine Segmente generiert wurden, in Regionen mit großen Elektronendichtevariationen zu verifizieren. Die mit MONACO simulierten Dosisverteilungen zeigten innerhalb der Fehler eine gute Übereinstimmung mit Geant4 sowie den Filmmessungen.
Gesehen am 06.08.2019