Evaluation of dose calculation algorithm accuracy in eclipse treatment planning system for small fields

Abstract

The challenges of small field dosimetry in the commissioning process leads to computational inaccuracies of the Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) and Acuros XB (AXB) implemented in the EclipseTM treatment planning system (TPS), which are more pronounced in small-field conditions. Since Varian recommends using multileaf collimators (MLC) instead of collimator jaws for small field delimitation and claiming the superior accuracy of AXB in the heterogeneity, this study aimed to evaluate the dosimetric calculation accuracy of AAA and AXB algorithms implemented in the Eclipse TPS 13.6.23 when computed both in a homogeneous and heterogeneous media for the range of small static fields defined by jaws and MLCs. Calculated field output factors and absolute dose were compared with reference measurements following the Technical Report Series 483 guidelines (TRS-483) on a water phantom and in-house heterogeneous lung phantom for field size ranging from 0.5×0.5 to 5×5 cm2 defined by jaws and MLCs. Measurements were performed using microDiamond, PTW SRS diode, and CC01 ionization chamber in 6 MV photon beams delivered by Varian EdgeTM linear accelerator. Comparison with the TRS-398 method was also performed to study the impact of inaccurate measurements. For the experiment in a homogeneous phantom, the accuracy of both AAA and AXB were within 2% of measurements for fields ≥2×2 cm2. In smaller fields, better agreement was found in MLC-defined fields for all variation of jaw settings. The same trends were found in the test on heterogeneity with a higher percentage difference. Superior agreement of AXB could observe only for field ≥3×3 cm2 which reflects the improper value of the effective spot size. Generally, AAA achieves a better deal with measurements (using TRS-398 protocol) for small fields defined by jaws, while the small MLC-defined fields can improve the agreement for both algorithms due to the reduction of the role of the inaccurate configured beam data. Comparison with measurements following TRS-483 achieves a 5% better than comparison with uncorrected measurements. Except in small jaw-defined fields, better agreement was found in comparison with uncorrected measurements because the calculation in jaw-defined fields based on uncorrected configured beam data.

การวัดปริมาณรังสีในพื้นที่ขนาดเล็กให้ถูกต้องยังคงเป็นเรื่องยากในปัจจุบัน ข้อมูลลำรังสีจากการวัดดังกล่าวเมื่อถูกนำเข้าสู่ระบบวางแผนการรักษา Eclipse™ (TPS) สามารถทำให้เกิดความผิดพลาดในการคำนวณปริมาณรังสีของอัลกอริทึม Analytical Anisotropic Algorithm (AAA) และ Acuros XB (AXB) ในพื้นที่ขนาดเล็กได้ ดังนั้น Varian จึงแนะนำให้ใช้ Multileaf collimator (MLCs) แทน collimator jaws เพื่อกำหนดขอบเขตในพื้นที่ขนาดเล็กและยังได้อ้างว่า AXB สามารถคำนวณได้ถูกต้องกว่าในตัวกลางหลายความหนาแน่น (heterogeneous media) การศึกษานี้จึงมีวัตถุประสงค์เพื่อประเมินความถูกต้องของ AAA และ AXB ใน Eclipse TPS เวอร์ชั่น 13.6.23 เมื่อคำนวณปริมาณรังสีในตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันและตัวกลางหลายความหนาแน่นในพื้นที่ขนาดเล็กซึ่งกำหนดโดย jaws และ MLCs ค่าฟิลด์เอาท์พุทและปริมาณรังสีจากการคำนวณถูกนำไปเปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการวัดตาม โปรโตคอล 483 ในตัวกลางน้ำและตัวกลางความหนาแน่นเทียบเคียงปอด สำหรับพื้นที่ขนาด 0.5×0.5 ถึง 5×5 ตารางเซนติเมตรกำหนดขอบเขตโดย jaws และ MLCs การวัดใช้หัววัด microDiamond, PTW SRS diode และ CC01 ionization chamber วัดในลำรังสีโฟตอนพลังงาน 6 เมกกะโวลต์โดยใช้เครื่องเร่งอนุภาคแนวตรง Varian EdgeTM และเปรียบเทียบกับการวัดตามโปรโตคอล 398 เช่นกัน ผลการทดลองในตัวกลางน้ำพบว่าทั้งสองอัลกอริทึมแตกต่างจากการวัดไม่เกิน 2% สำหรับพื้นที่ขนาด 2×2 ตารางเซนติเมตรขึ้นไปในขณะที่พื้นที่ที่เล็กกว่าพบว่าความแตกต่างเมื่อใช้ MLC ในการกำหนดขอบเขตจะต่ำกว่าการใช้ jaws และสำหรับการทดลองในตัวกลางหลายความหนาแน่นพบว่ามีแนวโน้มเหมือนกันแต่ความแตกต่างจะสูงกว่า โดยความถูกต้องของ AXB จะดีกว่า AAA เฉพาะในพื้นที่ขนาด 3×3 ตารางเซนติเมตรขึ้นไปเท่านั้น ภาพรวมของการทดลองพบว่า AAA ให้ความถูกต้องได้มากกว่า AXB สำหรับการคำนวณในพื้นที่ขนาดเล็กที่กำหนดขอบเขตด้วย jaws ในขณะที่พื้นที่ขนาดเล็กที่กำหนดขอบเขตด้วย MLCs สามารถลดความแตกต่างระหว่างการวัดและการคำนวณได้เนื่องจากข้อมูลลำรังสีใน TPS ที่วัดมาอย่างไม่ถูกต้องจะมีบทบาทในการคำนวณในพื้นที่ประเภทนี้น้อยลง นอกจากนี้ยังพบว่าการเปรียบเทียบการคำนวณกับการวัดตามโปรโตคอล 483 ให้ความแตกต่างน้อยกว่าเมื่อนำไปเปรียบเทียบการวัดตามโปรโตคอล 398 (สูงสุด 5%) ยกเว้นในพื้นที่ขนาดเล็กที่กำหนดขอบเขตโดย jaws พบว่าการคำนวณมีความใกล้เคียงกับการวัดตามโปรโตคอล 398 มากกว่า เนื่องจากค่าที่คำนวณได้เป็นไปตามข้อมูลลำรังสีใน TPS ที่ได้มาจากการวัดตามโปรโตคอล 398