Od vzniku prvých kalkulačných algoritmov pre radiačnú dávku v oblasti rádioterapie uplynulo už niekoľko mnoho desiatok rokov. So zlepšujúcim sa hardvérom a komplexnejšími softvérmi je možné vypočítať pomocou simulácii Monte Carlo výslednú dávku veľmi presne, avšak čas potrebný na tento výpočet je stále relatívne veľmi dlhý, aby sa dal využiť pre štandardné využitie v klinickej praxi. Algoritmy, používané rutinne v klinickej praxi dokážu síce vypočítať dávku vo veľmi krátkom čase, ale môžu mať aj určité skryté nedostatky v presnosti výpočtu dávky. Okrem typu algoritmu dôležitú úlohu pre presnosť výpočtu zohráva výber použitej energie, veľkosť ožarovacieho poľa, heterogenita materiálu, technika, či zakrivenie povrchu média. Keďže v rádioterapii nie je možné merať dávku priamo v pacientovi, merania je nutné vykonávať vo fantómoch, simulujúcich reálneho pacienta. Nakoľko komerčné fantómy sú cenovo málo dostupné, vďaka dispozícií 3D tlačiarne na pracovisku bolo možné vytvoriť takéto uspôsobené fantómy priamo na pracovisku.
Táto práca bude analyzovať presnosť kalkulačného algoritmu AAA verzie 15.6 pre výpočet radiačnej dávky v „podomácky“ vyrobenom fantóme za pomoci 3D tlače, a to porovnaním vypočítanej a reálne nameranej dávky v ňom. Podmienky ožarovania budú simulované, ako pri reálnom ožarovaní v typicky nehomogénnych prostrediach, ako je napr. pľúcne tkanivo či kostné stavce – hrudný fantóm.
Výsledkom meraní by malo byť odhalenie zdroja nepresností pri výpočte pre dané techniky a objektívne zhodnotenie situácii, pri ktorých by sme sa mohli dopustiť určitých dozimetrických nepresností pri plánovaní rádioterapie.
Táto práca bola podporená Kultúrno-vzdelávacou grantovou agentúrou Ministerstva školstva školstva, vedy, výskumu a športu Slovenskej republiky (KEGA) 041UK-4/2020.
Oceňujeme veľmi hodne zvolenú
Oceňujeme veľmi hodne zvolenú tému s vysokým spoločensko-zdravotným významom. Rada by som sa opýtala na spomínané "home-made" fantómy - môžete stručne opísať ich výhody a nevýhody oproti komerčne dostupným?
iwa
Dobrý deň, ďakujem za otázku.
Dobrý deň, ďakujem za otázku.
V skratke, veľkou výhodou "home-made" fantómov je v prvom rade cena, ktorá je aj 100-násobne nižšia v porovnaní s komerčne vyrábanými fantómami. Ďalej je obrovskou výhodou zhotovenie fantómu podľa vlastných potrieb - zloženie, heterogenita/homogenita, hustota materiálu, otvory na rôzne detektory. Čiže dizajn je možné veľmi blízko priblížiť potrebám pre klinické merania, alebo rôzne štúdie.
Nevýhodou je samozrejme dozimetrická verifikácia konkrétnych materiálov, dokonca od toho istého výrobcu, nakoľko je treba brať v úvahu aj energeticko-materiálovú závislosť a na rozdiel od komerčných fantómov nie sú tieto materiály certifikované a pomerané. Preskúmaná nie je taktiež vzťah radiačná dávka a materiálová stabilita. K výrobe je samozrejme potrebné vlastniť hardvér - 3D tlačiareň a mať ju “vyladenú” k danej tlači a danému materiálu a vedieť ovládať aj kresliaci softvér.
Ďakujeme za rýchlu reakciu a
Ďakujeme za rýchlu reakciu a vyčerpávajúcu odpoveď - ešte zvedavá otázka, ste s vašimi home-made fantómami na pracovisku spokojní? 😊 Vyplatilo sa venovať čas ich výrobe?
iwa
:) Samozrejme, vyplatilo.
:) Samozrejme, vyplatilo. Okrem toho, že už poslúžili na základné merania pre moju prácu, ich využitie slúžilo aj na "commissioning" nových lineárnych urýchľovačov, nácvik rôznych techník, periodické kontroly zobrazovacích systémov (napr. cone beam CT), presnosť registrácie obrazu a mnohé ďalšie. Špičkou je momentálne pohyblivý fantóm simulujúci dýchanie pacienta s pohybujúcim sa "nádorom" v ňom, ktorý slúži na nácvik techník využívajúcich gating - dýchanie. V spolupráci s lekármi sa niektoré fantómy dokonca vyhotovili so štruktúrami tvarom-pripomínajúcimi nádory v mozgu, čo je veľmi dobre viditeľné aj na CT/MR.
Gratulujem, verím, že sa Vám
Gratulujem, verím, že sa Vám aj naďalej bude dariť.
iwa
Dobrý deň, ďakujeme za ukážku
Dobrý deň, ďakujeme za ukážku komplikovanej práce fyzika v radioterapii. Zaujímalo by ma, aká je teda najväčšia slabina algoritmu AAA? Očakávate presnejšie výpočty pomocou ďalších algoritmov?
MZ
Dobrý deň,
Dobrý deň,
V skratke, dva kľúčové faktory, ktoré je potrebné brať do úvahy pri kalkulačných algorytmoch v rádioterapií sú rýchlosť a presnosť - aby bol klinicky vhodný. Výpočet dávky zahŕňa energiu absorbovanú médiom v každom bode, ktorým prejde zväzok, alebo do ktorého sa žiarenie dostane vplyvom interakcie medzi časticami v médiu. Dávka v ľubovoľnom bode je teda tvorená sumáciou dávky z primárneho zväzku, rozptýlenou dávkou z okolitých častíc a dávkou z častíc „neprimárneho“ zväzku, ktorá unikla z hlavice ožarovača.
Od svojho vývoju (60. roky min. storočia) prešli algorytmi svojim vývojom. Aby bol algorytmus v tomto období dostatočne rýchli, musel byť výpočet relatívne jednoduchý, kvôli nedostatočnémiu hardvéru. Výpočet zahŕňal len zmenu hustoty v smere lúča, nebral do úvahy okolité tkanivo a rozptyl lúča, a teda relatívna presnosť v homogénnom médiu, vysoká nepresnosť v silne heterogénnom médiu (Ľudské telo).
Pokročilejšie algoritmy, ako sú nové verzie AAA, alebo CCC už samozrejme tieto nedostatky vo svojom výpočte zahŕňajú a sú plnohodnotne aj dnes využívané v štandardnej rádioterapii. So súčasným hardvérovým vybavením sú relatívne rýchle (otázka minút) a v závislosti od spracovania výpočtu tzv. kernelu (príspevok rozptýlených fotónov a elektrónov) vedia byť oveľa presnejšie v heterogénnych médiách. Tieto algoritmy prepočítavajú hustotu tkaniva z CT Hounsfieldových jednotiek na základe kalibračnej krivky vytvorenej z CT skenu špeciálneho fantómu s insertami rôznych materiálov so známymi parametrami hmotnostnej a elektrónovej hustoty. Hustotu, s ktorou tieto dva algoritmy počítajú, sa nazýva elektrónová hustota a reprezentuje pravdepodobnosť výskytu elektrónu v infintenzimálne malom priestore v danom atóme. Táto hustota však nedáva úplný obraz o tom, ako sa bude fotón chovať v danom prostredí. Takúto informáciu je možné získať, ak sa do výpočtu namiesto elektrónovej hustoty dosadí hustota hmotnostná, ktorá je špecifická pre každú látku. Je teda veľmi dôležité definovať materiál/y a ich charakteristiky pre konkrétne CT (a jeho rekonštrukčný algoritmus), ktoré tvoria subjekt, v ktorom je dávka počítaná. Na takomto princípe funguje napríklad kalkulačný algoritmus Acuros XB. Ten funguje už na pokročilejšom systéme a svojou presnosťou sa blíži najviac k Monte-Carlo simuláciám. Algoritmus Acuros XB na simuláciu všetkých fyzikálnych procesov, ktoré zväzok absolvuje, využíva skupinu Boltzmanových transportných rovníc riešených numericky cez počítače, čo mnohonásobne urýchľuje výpočet a navyše disponuje podobnou presnosťou, ako Monte-Carlo výpočet, ktorý generuje každú časticu zväzku zvlášť - po jednom, čo je veľmi pomalé, a teda časovo náročné - čiže zatiaľ klinicky nevhodné.
Sumár:
Hlavnou slabinou je teda stále menšia presnosť vo veľmi heterogénnych médiách - pľúcne tkanivo, kosť, sval, tuk - v aktuálnej verzii algorytmu je teda ešte možnosť vylepšiť kernel a výpočet za využitia elektrónovej hustoty miesto hmotnostnej. Algorytmus je však vo všeobecne vyhovujúci pre klinické použitie.
Ako bolo spomenuté vyššie, pri správnom definovaní materiálov očakávame s algorytmom ako napríklad Acuros XB presnejšie výsledky, a to hlavne v "extrémnych" podmienkach (dávka pod povrchom, malé polia, v silne heterogénnom prostredí...)
Dúfam, že som odpovedal stručne a zrozumiteľne, ak nie, rád vysvetlím ďalej alebo poskytnem literatúru :)
JI
Pozdravujem, pekná práca,
Pozdravujem, pekná práca, aj nápad. Som rád, že takúto štúdiu mame na Prevede. Držím palce
v jej napredovani. Môžem sa opýtať, na výrobu fantomov ste použili PLA materiál? Alebo nejaký iný ? Testovali ste aj rôzne percenta výplne materiálu? Viete mi poradiť nejaký dobrý free soft pre prácu s návrhom .stl objektov? Ak máte niečo vyskúšané. Ďakujem pekne a nech sa darí. M.
Dobrý deň, ďakujem veľmi
Dobrý deň, ďakujem veľmi pekne, k otázkam:
na začiatok by som chcel povedať, že táto téma je veľmi rozsiahla a aj napriek tomu, že som hlavným autorom práce, v pozadí sa nachádza takmer celý personál, ktorý pomáha s meraniami, 3D tlačov, či študenti, ktorý si môžu v spolupráci s ústavom urobiť bakalársku prácu.
V oblasti 3D tlače sa technicky angažuje hlavne kolega Ing. Matej Česák, ktorému vďačíme za jedinečné a kvalitné spracovanie našich fantómov, nastavenia, servis a údržbu tlačiarní a kreslenie.
K samotnej otázke:
Materiály boli použité rôzne podľa aplikácie v kombinácii s epoxidom. Momentálne využívané a dozimetricky zmerané materiály sú:
PLA biela (tu si ale treba dať pozor, každý výrobca má iný odtieň bielej, môže byť rozdiel aj medzi jednotlivými šaržami. Na bielu farbu sa používa Titánová beloba a tá do značnej miery ovplyvňuje ako to vo výsledku na CT skene "svieti" – čiže hustota, s ktorou následne počíta TPS (plánovací system).
PLA s prímesov minerálu. Toto PLA používame na simuláciu kostí. Rôznou hustotou výplne sa dá simulovať rozdielna denzita kostí, resp. dutiny.
PLA iné farby - na zobrazenie optimálnej hustoty
PETG - na výrobu foriem pre epoxid, držiakov, ale aj insertov na komory. Menej sa zmrštuje, je odolnejšie voči UV a teda aj žiareniu ako PLA.
ASA - držiaky, a formy tak isto, dá sa oveľa lepšie opracovať ako PLA, vyhladiť acetónom napr.
Z hladiska výplne, infil je rôzny v závislosti od tkaniva. Pre spresnenie, infil bol napr. Pre zuby 100%, frontálne dutiny približne 15%, prínosové dutiny približne 60 – 70%, kosť v závislosti od typu a locality 80 – 90 – 100%.
Softwéry použíame rôzne.
3D slice r- na spracovanie obrazu z CT a export do ďaľších formátov
Tomocon viewer - na spracovanie obrazu z CT a export do ďaľších formátov (toto je ale platený nemocnicčný softvér)
Blender - modelovanie
Meshmixer - úprava a modelovanie
Sketchup - technické kreslenie a návrhy
Autodesk fusion 360 - technické kreslenie a návrhy.
J