Design and evaluation of a Monte Carlo based model of an orthovoltage treatment system

The aim of this study was to develop a flexible framework of an orthovoltage treatment system capable of calculating and visualizing dose distributions in different phantoms and CT datasets. The framework provides a complete set of various filters, applicators and x-ray energies and therefore can be adapted to varying studies or be used for educational purposes. A dedicated user friendly graphical interface was developed allowing for easy setup of the simulation parameters and visualization of the results.For the Monte Carlo simulations the EGSnrc Monte Carlo code package was used. Building the geometry was accomplished with the help of the EGSnrc C++ class library. The deposited dose was calculated according to the KERMA approximation using the track-length estimator. The validation against measurements showed a good agreement within 4-5% deviation, down to depths of 20% of the depth dose maximum. Furthermore, to show its capabilities, the validated model was used to calculate the dose distribution on two CT datasets. Typical Monte Carlo calculation time for these simulations was about 10 minutes achieving an average statistical uncertainty of 2% on a standard PC. However, this calculation time depends strongly on the used CT dataset, tube potential, filter material/thickness and applicator size.

ZusammenfassungZiel dieser Arbeit ist die Entwicklung eines flexiblen Simulationsframeworks für die Bestimmung und Visualisierung der Dosisverteilungen von Röntgentherapieanlagen in verschiedenen Phantomen und reale CT-Daten. Das Framework bietet eine komplette Auswahl von typischerweise eingesetzten Filtern, Applikatoren und Röntgenenergien. Es kann somit für unterschiedliche dosimetrische Fragestellungen genutzt und in der Ausbildung für die Therapiegeräte eingesetzt werden. Eine benutzerfreundliche graphische Oberfläche wurde entwickelt, welche die Eingabe der Simulationsparameter und die Visualisierung der Ergebnisse erleichtert. Das Framework beruht auf dem Monte-Carlo Simulationspaket EGSnrc. Die Geometrie einer Röntgentherapieanlage wurde mittels der EGSnrc-C++-Klassenbibliothek umgesetzt. Die deponierte Dosis wird hierbei entsprechend der KERMA-Approximation unter Einbeziehung des ”Track-Length Estimator“ermittelt. Zur Validierung des Frameworks wurden die Simulationsergebnisse mit realen Messungen verglichen. Dabei zeigten die Tiefendosiskurven eine Abweichung von 4-5% bei einer Tiefe von 20% des Dosismaximums entlang des Zentralstrahls. Weiterhin wurde exemplarisch die Dosisverteilung in zwei realen CT-Datensätzen berechnet und visualisiert, um die prinzipielle Machbarkeit zu demonstrieren. Die Berechnungsdauer für diese Simulationen mit einer statistischen Unsicherheit von 2% lag bei 10 Minuten bei Verwendung eines Standard-PCs. Die Zeit ist allerdings stark von den gewählten CT-Daten, der Röntgenenergie, dem eingesetzten Filter und der Applikatorgröße abhängig.