Monte Carlo dose calculation on deforming anatomy

This article presents the implementation and validation of a dose calculation approach for deforming anatomical objects. Deformation is represented by deformation vector fields leading to deformed voxel grids representing the different deformation scenarios. Particle transport in the resulting deformed voxels is handled through the approximation of voxel surfaces by triangles in the geometry implementation of the Swiss Monte Carlo Plan framework. The focus lies on the validation methodology which uses computational phantoms representing the same physical object through regular and irregular voxel grids. These phantoms are chosen such that the new implementation for a deformed voxel grid can be compared directly with an established dose calculation algorithm for regular grids. Furthermore, separate validation of the aspects voxel geometry and the density changes resulting from deformation is achieved through suitable design of the validation phantom. We show that equivalent results are obtained with the proposed method and that no statistically significant errors are introduced through the implementation for irregular voxel geometries. This enables the use of the presented and validated implementation for further investigations of dose calculation on deforming anatomy.

ZusammenfassungDieser Beitrag zeigt die Implementierung und Validierung eines Dosisberechnungsalgorithmus für anatomische Objekte, die sich während der Bestrahlung verformen. Die Representation der Deformation durch Deformationsvektorfelder führt zu unregelmäßigen Voxelgittern, die verschiedene Deformationszustände darstellen. Der Teilchentransport durch die daraus resultierenden deformierten Voxel wird mittels einer Approximation der Voxeloberfläche durch Dreiecke in der Geometrieimplementation der Swiss Monte Carlo Plan-Umgebung erreicht. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Validierungsmethododik, welche Phantome desselben physikalischen Objekts durch verschiedene Voxelraster benutzt. Die Phanome werden dabei so gewählt, dass ein Vergleich zwischen einem etablierten Monte-Carlo-Algorithmus und der neuen Implementation für unregelmäßige Voxel ermöglicht wird. Zudem lassen sich durch die vorgestellte Validierungsmethodik die Aspekte Deformation und die daraus resultierenden Dichteänderungen einzeln validieren. Die Validierung zeigt, dass mit dem Dosisberechnungsalgorithmus für deformierte Objekte äquivalente Resultate erzielt werden und dass durch die Implementierung irregulärer Voxelgeometrien keine statistisch signifikanten Fehler entstehen. Die beschriebene und validierte Implementierung deformierter Voxelraster kann daher für weitere Forschung auf dem Gebiete der Dosisberechung unter Einbezug von Organdeformation genutzt werden.