Tuning effective spot size parameter in Acuros XB algorithm for EdgeTM radiosurgery machine

Abstract

The small field of stereotactic radiosurgery has become a common technique in radiation therapy. The treatment planning system (TPS) is an important process to deliver the accurate dose to patients. Many parameters in the treatment planning system can affect the dose calculation. One important matter is the effective spot size parameter (ESS). The ESS can affect the calculated beam profile shaping, especially penumbra region and output factor in a small beam. Inappropriate ESS can lead to improper isodose distribution in treatment planning. So, the aim of this research was to tune the ESS for the Acuros XB algorithm and to perform the small field output factor to evaluate the parameter performance. The ESS was varied separately in X and Y direction from 0 to 1.5 mm with 0.25 mm increment. In this research, the MLC field size of 0.5, 1, 2 cm square field with 3×3 cm 2 Jaw fixing, and 3×3 cm 2 Jaw square field with all retracted MLC were employed. The comparisons of beam profile shaping and gamma index evaluation both with TPS calculation and Gafchromic EBT3 film measurement were investigated. Then, the appropriate matching ESS was selected. The field output factors following the TRS-483 guideline were evaluated for dosimetric performance of the selected ESS. The microdiamond and PTW SRS diode were used for field output factor measurement of the small MLC field 0.5, 1, 2 cm square field with 3×3 cm 2 Jaw fixing, and Jaw fixing square field range from 0.6×0.6 cm 2 to 5×5 cm 2 cm with a reference field of 10×10 cm 2 . The appropriate ESSs for this research in (X, Y (mm)) were (0.75, 0), (1, 0), and (1, 0.25). The appropriated ESSs showed an excellent agreement of beam matching profile in crossline and inline direction. The penumbra difference of all appropriated ESSs demonstrated the value less than 0.5 mm while the gamma evaluation revealed the highest value with 5%/0.3 mm gamma criteria. The appropriated ESS demonstrated the good agreement of field output factor in testing performance for all MLC field, while in the Jaw field less than 2×2 cm 2 was limited. The ESS has a significant impact to the small beam in the Acuros XB calculation algorithm in the treatment planning system. The beam profile matching with the high-resolution detector such as film should be used for tuning the ESS. In addition, clinical situation should be performed for the confidence selecting the ESS parameter.

การฉายรังสีศัลยกรรมด้วยลำรังสีขนาดเล็กได้กลายมาเป็นเทคนิคทั่วไปมากขึ้นในทางรังสีรักษา ซึ่งระบบการวางแผนการรักษา (Treatment Planning System: TPS) เป็นขั้นตอนสำคัญในการให้ปริมาณรังสีที่ถูกต้องแก่ผู้ป่วย ในระบบมีค่าพารามิเตอร์ที่เกี่ยวข้องหลายตัวที่มีผลต่อการคำนวณปริมาณรังสี ซึ่งค่า จุดกำเนิดรังสี (Effective Spot Size: ESS) เป็นค่าหนึ่งซึ่งมีความสำคัญเพราะส่งผลต่อลักษณะของลำรังสีโดยเฉพาะบริเวณขอบของลำรังสี (penumbra) และยังส่งผลต่อค่าฟิลด์เอาท์พุดอีกด้วย โดยค่าจุดกำเนิดรังสีที่ไม่เหมาะสมจะทำให้การคำนวณลักษณะของการกระจายของกลุ่มรังสีซึ่งตรงไปยังตำแหน่งการฉายมีความไม่ถูกต้อง ดังนั้นเป้าหมายของงานวิจัยนี้คือเพื่อหาค่าของจุดกำเนิดรังสีที่เหมาะสมสำหรับ Acuros XB อัลกอริทึม และประเมินความสามารถด้วยค่าของฟิลด์เอาท์พุดในลำรังสีขนาดเล็ก ค่าจุดกำเนิดรังสีได้ถูกปรับค่าแยกกันในด้าน X และ Y ตั้งแต่ 0 จนถึง 1.5 มม. ไปทีละ 0.25 มม. โดยการปรับค่าได้ใช้ลำรังสีสี่เหลี่ยมจัตุรัสที่ปิดกั้นด้วย MLC (Multi-Leaf Collimator) ขนาด 0.5,1 และ 2 ซม. ด้วย Jaw ขนาด 3 ซม. และ Jaw อย่างเดียวขนาด 3 ซม. โดยใช้การวัดด้วย Gafchromic EBT3 film จากนั้นรูปร่างของลำรังสีที่วัดได้นั้นถูกนำไปเปรียบเทียบกับการคำนวณด้วยโปรแกรมวางแผนการรักษาซึ่งเกิดจากค่าจุดกำเนิดรังสีแต่ละค่า โดยเปรียบเทียบทั้งรูปร่างที่เหมือนกันและค่าของขอบลำรังสีหรือ penumbra ซึ่งค่าจุดกำเนิดที่เหมาะสมได้ถูกเลือกออกมาและนำมาประเมินความสามารถทางการคำนวณด้วยการเปรียบเทียบกับค่าฟิลด์เอาท์พุดของ MLC ซึ่งเหมือนกันลำรังสีที่ใช้ในการหาค่าจุดกำเนิด และลำรังสีที่ใช้ Jaw ที่กำหนดเป็นสี่เหลี่ยมจัตุรัส ซึ่งมีค่าตั้งแต่ 0.6 ถึง 5 ซม. โดยการใช้หัววัดชนิด microdiamond และ PTW SRS diode ซึ่งทำตาม TRS 483 ผลที่ได้พบว่าค่าจุดกำเนิดลำรังสีที่เหมาะสมในงานการศึกษานี้มีค่าอยู่ที่ (0.75,0),(1,0) และ (1,0.25) โดยเป็นขนาดในด้าน X และ Y ตามลำดับ (X, Y (มม.)) ซึ่งมีผลของความเหมือนกันของลำรังสีระหว่างการคำนวณด้วยโปรแกรมวางแผนการรักษากับค่าที่วัดได้จากฟิล์มทั้งในแนว crossline และ inline ทั้งยังมีค่าความแตกต่างของ penumbra ไม่เกิน 0.5 มม. นอกจากนี้ค่าความแตกต่างของแกมมาเมื่อใช้เกณฑ์แกมมาที่ 5%/0.3 มม. พบว่ากลุ่มของค่าจุดกำเนิดรังสีที่เหมาะสมจะให้ค่าสูงสุด เมื่อนำค่าดังกล่าวมาทดสอบด้วยวิธีการฟิลด์เอาท์พุดก็พบว่าได้ค่าที่ดีในทุกลำรังสี MLC และ Jaw แต่อย่างไรก็ตามในลำรังสีของ Jaw ที่เล็กกว่า 2 ซม. ยังมีข้อจำกัดอยู่ ทั้งนี้ค่าจุดกำเนิดรังสีมีความสำคัญต่อการคำนวณปริมาณรังสีในลำรังสีขนาดเล็ก โดยการวิจัยนี้ยืนยันถึงวิธีการสังเกตความเหมือนกันของลำรังสีระหว่างการวัดด้วยหัววัดที่มีความละเอียดสูงเช่นฟิล์มเมื่อเปรียบเทียบกับการคำนวณด้วยค่าจุดกำเนิดรังสีต่าง ๆ นั้น สามารถนำมาใช้ในการหาค่าจุดกำเนิดรังสีที่เหมาะสมได้ นอกจากนี้การศึกษาเพิ่มเติมทางคลินิกจริง จะช่วยยืนยันความมั่นใจในการเลือกค่าจุดกำเนิดรังสีที่เหมาะสมได้