Monte Carlo simulations to replace film dosimetry in IMRT verification

Patient-specific verification of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans can be done by dosimetric measurements or by independent dose or monitor unit calculations. The aim of this study was the clinical evaluation of IMRT verification based on a fast Monte Carlo (MC) program with regard to possible benefits compared to commonly used film dosimetry.25 head-and-neck IMRT plans were recalculated by a pencil beam based treatment planning system (TPS) using an appropriate quality assurance (QA) phantom. All plans were verified both by film and diode dosimetry and compared to MC simulations. The irradiated films, the results of diode measurements and the computed dose distributions were evaluated, and the data were compared on the basis of gamma maps and dose-difference histograms.Average deviations in the high-dose region between diode measurements and point dose calculations performed with the TPS and MC program were 0.7 ± 2.7% and 1.2 ± 3.1%, respectively. For film measurements, the mean gamma values with 3% dose difference and 3 mm distance-to-agreement were 0.74 ± 0.28 (TPS as reference) with dose deviations up to 10%. Corresponding values were significantly reduced to 0.34 ± 0.09 for MC dose calculation. The total time needed for both verification procedures is comparable, however, by far less labor intensive in the case of MC simulations.The presented study showed that independent dose calculation verification of IMRT plans with a fast MC program has the potential to eclipse film dosimetry more and more in the near future. Thus, the linac-specific QA part will necessarily become more important. In combination with MC simulations and due to the simple set-up, point-dose measurements for dosimetric plausibility checks are recommended at least in the IMRT introduction phase.

ZusammenfassungDie patientenbezogene Verifikation bei intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT) kann sowohl durch dosimetrische Messungen als auch durch unabhängige Dosis- oder Monitoreinheitenberechnung erfolgen. Ziel dieser Studie war die klinische Evaluation der IMRT-Verifikation auf Grundlage eines schnellen Monte-Carlo- (MC-) Programms im Hinblick auf mögliche Vorteile verglichen mit der noch immer häufig eingesetzten Filmdosimetrie.25 Kopf-Hals-IMRT-Pläne wurden mit einem Bestrahlungsplanungssystem (BPS) mit Pencil-Beam-Algorithmus unter Verwendung eines geeigneten Phantoms zur Qualitätssicherung (QS) neu berechnet. Alle Bestrahlungspläne wurden sowohl mittels Film- als auch Diodendosimetrie verifiziert und mit MC-Simulationen verglichen. Die bestrahlten Filme, die Ergebnisse der Diodenmessungen und die berechneten Dosisverteilungen wurden ausgewertet, und die Daten beruhend auf Gamma-Karten und Dosis-Differenz-Histogrammen analysiert.Im Schnitt wichen Diodenmessungen und Punktdosisberechnungen durch das BPS bzw. MC-Programm in der Hochdosisregion um 0, 7 ± 2, 7% bzw. 1, 2 ± 3, 1% voneinander ab. Für die Filmdosimetrie betrug der mittlere Gamma-Index bei einem Gamma-Kriterium von 3% Dosisdifferenz und 3 mm räumlichem Abstand 0, 74 ± 0, 28 (BPS als Referenz) mit Dosisabweichungen bis zu 10%. Die entsprechenden Werte waren maßgeblich reduziert auf 0, 34 ± 0, 09 für die MC-Dosisberechnung. Die Gesamtzeit beider Verifikationsmethoden ist zwar vergleichbar, allerdings weitaus weniger arbeitsaufwändig im Fall von MC-Simulationen.Die vorgestellte Studie ergab, dass die unabhängige Dosisberechnung von IMRT-Plänen mit einem schnellen MC-Programm das Potenzial besitzt, die Filmdosimetrie immer mehr in den Hintergrund zu drängen. Die maschinenbezogene QS wird daher zwangsläufig an Bedeutung gewinnen. Zusammen mit MC-Simulationen und aufgrund des einfachen Vorgehens werden Punktdosismessungen für dosimetrische Plausibilitätskontrollen zumindest in der Einführungsphase der IMRT empfohlen.