Entropic model for dose calculation in external beam radiotherapy and brachytherapy
Description
This work is dedicated to development of a completely new Grid-Based Boltzmann Solver (GBBS) for the transport and energy deposition by energetic particles and x-rays in human tissues. The entropic closure and structured mathematical formulation provide an efficient framework enabling calculations of the delivered dose with an accuracy comparable to Monte Carlo (MC) codes in a strongly reduced computational time and without any special processing power requirement. In contrast to discrete ordinates angular discretization methods, such as Acuros, the entropic model is based on a reduced number of moment equations for the electrons and photons closed with Boltzmann's H-theorem. Keeping a good accuracy of calculations, the algorithm can simulate different treatment techniques such as the external radiotherapy even in presence of magnetic field (e.g., MRI-guided radiotherapy), brachytherapy or intra-operative radiation therapy. The model has been compared with the full MC simulations by using the code PENELOPE and showed a good accuracy and performance for different materials and geometric structures.The validation procedure consisted in simulating dose distributions in complex numerical phantoms including a large number of heterogeneity shapes and materials such as bone, lung and air. For both, brachytherapy and external beam radiotherapy, simulations based on CT scans and using the real phase-space of the source, have been performed. The code is capable of calculating three-dimensional dose distributions with 1 mm3 voxels without statistical uncertainties in a few seconds instead of several minutes like PENELOPE. In brachytherapy applications the calculated dose distributions significantly differ from the ones calculated with the TG-43 approximations, thanks to a more accurate account for the material inhomogeneities and strong density gradients. For both applications the entropic model shows an excellent agreement with PENELOPE calculations within the 1%/1 mm gamma-index criterion. This Ph. D. thesis presents the mathematical background and different steps of optimization and validation of the entropic model for the radiotherapy applications. Comparisons with the MC simulations demonstrates an excellent accuracy and efficiency of the model. Thanks to the significantly reduced computational time and its accuracy, this model is a promising candidate to become a real-time dose calculation algorithm. (author)
Abstract (French)
Ce travail est dedie au developpement et a la validation d'un nouvel algorithme de resolution de l'equation de Boltzmann sur une grille cartesienne pour le transport et le depot d'energie de particules energetiques et de rayons X dans les tissus humains. Ce modele base sur une fermeture entropique fournit un outil mathematique efficace permettant de calculer la dose delivree avec une precision comparable a celle des codes referents de Monte Carlo (MC) en un temps de calcul fortement reduit et sans exigence de puissance de calcul.Contrairement aux methodes basees sur une discretisation angulaire aux ordonnees discretes de la solution, telles que le modele developpe dans le logiciel Acuros, le modele entropique est base sur l'ecriture d'un nombre reduit d'equations aux moments pour les electrons et les photons dont la fermeture est assuree par le H-theoreme de Boltzmann. En conservant une bonne precision de calcul, l'algorithme peut simuler differentes techniques de traitement telles que la radiotherapie externe - eventuellement en presence de champ magnetique pour la radiotherapie guidee par IRM - la curietherapie ou la radiotherapie intra-operatoire. Le modele a ete compare aux simulations MC en utilisant le code PENELOPE; il a montre une excellente precision et de bonnes performances pour differents materiaux et structures geometriques. Le protocole de validation mis en place a consiste a simuler les distributions de doses dans des fantomes numeriques complexes en termes de geometries (heterogeneites) et de composition (os, poumons, air, protheses). Pour la curietherapie et la radiotherapie externe, des simulations realistes basees sur des tomographies et utilisant l'espace de phase reel de la source ont ete effectuees. Le code est capable de calculer des distributions de dose tridimensionnelles avec des voxels de 1mm x 1mm x 1mm sans incertitudes statistiques en quelques secondes au lieu de plusieurs minutes comme PENELOPE le propose. Dans les applications a la curietherapie, nous montrons que les distributions de dose different significativement de celles calculees avec les approximations TG-43, grace a une prise en compte plus precise des inhomogeneites et des compositions chimiques des materiaux ainsi que des forts gradients de densite. Pour les deux applications, le modele entropique montre un excellent accord avec les calculs PENELOPE dans le critere de mesure d'erreur gamma-index 1% / 1 mm. Cette these de doctorat presente les bases mathematiques et les differentes etapes d'optimisation et de validation du modele entropique pour la radiotherapie. Les comparaisons avec les simulations MC demontrent une excellente precision et efficacite du modele. Grace au temps de calcul considerablement reduit et a sa precision, ce modele est un candidat prometteur pour devenir un algorithme de calcul de dose en temps reel referent
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Additional details
Additional titles
- Original title (English)
- Modele entropique pour le calcul de dose en radiotherapie externe et curietherapie
Publishing Information
- Imprint Pagination
- 186 p.
- Report number
- FRCEA-TH--14879
INIS
- Country of Publication
- France
- Country of Input or Organization
- France
- INIS RN
- 54015233
- Subject category
- S61: RADIATION PROTECTION AND DOSIMETRY; S62: RADIOLOGY AND NUCLEAR MEDICINE;
- Resource subtype / Literary indicator
- Thesis
- Descriptors DEI
- ACCURACY; ALGORITHMS; BOLTZMANN EQUATION; BRACHYTHERAPY; DOSE RATES; H THEOREM; P CODES; RADIATION DOSE DISTRIBUTIONS; VALIDATION
- Descriptors DEC
- COMPUTER CODES; DIFFERENTIAL EQUATIONS; EQUATIONS; INTEGRO-DIFFERENTIAL EQUATIONS; KINETIC EQUATIONS; MATHEMATICAL LOGIC; MEDICINE; NUCLEAR MEDICINE; PARTIAL DIFFERENTIAL EQUATIONS; RADIOLOGY; RADIOTHERAPY; TESTING; THERAPY
Optional Information
- Notes
- 150 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses