Validation of the Swiss Monte Carlo Plan for a static and dynamic 6 MV photon beam

Monte Carlo (MC) based dose calculations can compute dose distributions with an accuracy surpassing that of conventional algorithms used in radiotherapy, especially in regions of tissue inhomogeneities and surface discontinuities. The Swiss Monte Carlo Plan (SMCP) is a GUI-based framework for photon MC treatment planning (MCTP) interfaced to the Eclipse treatment planning system (TPS). As for any dose calculation algorithm, also the MCTP needs to be commissioned and validated before using the algorithm for clinical cases. Aim of this study is the investigation of a 6 MV beam for clinical situations within the framework of the SMCP. In this respect, all parts i.e. open fields and all the clinically available beam modifiers have to be configured so that the calculated dose distributions match the corresponding measurements.Dose distributions for the 6 MV beam were simulated in a water phantom using a phase space source above the beam modifiers. The VMC++ code was used for the radiation transport through the beam modifiers (jaws, wedges, block and multileaf collimator (MLC)) as well as for the calculation of the dose distributions within the phantom. The voxel size of the dose distributions was 2 mm in all directions. The statistical uncertainty of the calculated dose distributions was below 0.4%. Simulated depth dose curves and dose profiles in terms of [Gy/MU] for static and dynamic fields were compared with the corresponding measurements using dose difference and γ analysis.For the dose difference criterion of ±1% of Dmax and the distance to agreement criterion of ±1 mm, the γ analysis showed an excellent agreement between measurements and simulations for all static open and MLC fields. The tuning of the density and the thickness for all hard wedges lead to an agreement with the corresponding measurements within 1% or 1 mm. Similar results have been achieved for the block. For the validation of the tuned hard wedges, a very good agreement between calculated and measured dose distributions was achieved using a 1%/1 mm criteria for the γ analysis. The calculated dose distributions of the enhanced dynamic wedges (10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 45° and 60°) met the criteria of 1%/1 mm when compared with the measurements for all situations considered. For the IMRT fields all compared measured dose values agreed with the calculated dose values within a 2% dose difference or within 1 mm distance.The SMCP has been successfully validated for a static and dynamic 6 MV photon beam, thus resulting in accurate dose calculations suitable for applications in clinical cases.

ZusammenfassungMonte Carlo (MC) basierte Dosisberechnungen sind in der Lage Dosisverteilungen genauer zu berechen als konventionelle in der Radiotherapie verwendete Algorithmen, insbesondere in Regionen von Inhomogenitäten und unregelmässigen Oberflächen. Der Swiss Monte Carlo Plan (SMCP) ist eine GUI basierte Umgebung für Photonenbestrahlungsplanung mit MC (MCTP), welche mit dem Eclipse Therapieplanungssystem verknüpft ist. Wie jeder andere Berechnungsalgorithmus muss auch die MCTP vor dem Einsatz klinischer Situationen kommissioniert und validiert werden. Das Ziel der vorliegenden Studie ist die Untersuchung eines 6 MV Strahles für klinische Situationen innerhalb der SMCP Umgebung. In dieser Hinsicht müssen alle Komponenten, d.h. die offenen Felder und alle klinisch zur Verfügung stehenden Strahlmodifikatoren, so konfiguriert werden, dass die berechneten Dosisverteilungen mit den entsprechenden Messungen übereinstimmen.Dosisverteilungen wurden für einen 6 MV Strahl in einem Wasserphantom unter Verwendung einer Phasenraumquelle oberhalb der Strahlmodifikatoren simuliert. Der VMC++ code wurde für den Strahlentransport durch die Strahlmodifikatoren (Kollimatoren, Keile, Block und Mehrlamellenkollimator (MLC)) und die Dosisberechnung im Phantom verwendet. Die Voxelgrösse der Dosisverteilungen betrug 2 mm in allen Raumrichtungen. Die statistische Unsicherheit der berechneten Dosisverteilungen betrug weniger als 0.4%. Simulierte Tiefendosiskurven und Dosisprofile in Einheiten von [Gy/MU] für statische und dynamische Felder wurden mit den entsprechenden Messungen in Form von Dosisdifferenzen und der γ Analyse verglichen.Bezüglich dem Dosisdifferenzkriterium von ±1% des Dosismaximums und dem Distanzkriterium von ±1 mm, zeigte die γ Analyse für die statischen offenen und MLC Felder eine exzellente Übereinstimmung zwischen den Messungen und den Simulationen. Die Anpassungen der Dichte und der Dicke aller physikalischen Keile führte zu einer Übereinstimmung innerhalb 1% oder 1 mm mit den entsprechenden Messungen. Analoge Resultate wurden für den Block erzielt. Für die Validierung der konfigurierten physikalischen Keile wurde unter Verwendung eines 1%/1 mm Kriteriums für die γ Analyse eine sehr gute Übereinstimmung zwischen den gerechneten und gemessenen Dosisverteilungen erzielt. Die Dosisverteilungen für die verbesserten dynamischen Keile (10°, 15°, 20°, 25°, 30°, 45° und 60°) erfüllen die Kriterien von 1%/1 mm für alle durchgeführen Messungen. Für die IMRT Felder stimmten alle gemessenen Dosiswerte mit den gerechneten Dosiswerten innhalb einer Dosisdifferenz von 2% oder einer Distanz von 1 mm überein.SMCP wurde für einen statischen wie einen dynamischen 6 MV Strahl erfolgreich validiert und kann somit zuverlässig für eine genaue Dosisberechnung in klinischen Situationen verwendet werden.