INTRODUÇÃO: Na Radioterapia, a acurácia da distribuição de dose em cálculos com correção de heterogeneidade está diretamente relacionada à escolha do algoritmo de cálculo. Existe uma variedade de algoritmos de cálculo disponíveis no mercado, variando em tempo de processamento e acurácia. Este estudo teve como objetivos quantificar a acurácia de dez diferentes algoritmos de cálculo em objetos simuladores de pulmão e analisar o impacto da escolha do algoritmo na distribuição de dose em radioterapia aplicada a tumores de pulmão. METODOLOGIA: Foram utilizados placas simuladoras de água (água sólida RW3) e pulmão (cortiça) para determinar a Porcentagem de Dose em Profundidade (PDP) e perfil transversal dentro da heterogeneidade (cortiça). As medidas foram realizadas em um Clinac Varian 6EX, com feixes de fótons de 6 MV e dois tamanhos de campo (5 x 5 cm2 e 10 x 10 cm2), irradiando-se filmes radiocrômicos Gafchromic EBT3 e câmara de ionização Scanditronix Wellhofer CC13. Planejamentos de 25 pacientes - 11 com técnica tridimendional (3D) e 14 com técnica de Radioterapia Estereotática Corpórea (SBRT) - foram realizados, inicialmente sem correção de heterogeneidade e, mantendo-se as UM, os cálculos com os diferentes algoritmos/métodos de correção foram comparados com o planejamento inicial. Foram avaliados as doses no volume alvo e nos órgãos em risco. RESULTADOS: As medidas realizadas em objetos simuladores revelaram que os algoritmos baseados no princípio da convolução (Eclipse® Pencil Beam Convolution com métodos de correção Batho, Batho Modificado e TAR equivalente; XiO® Clarkson e Convolution e iPlan® Pencil Beam) apresentaram diferenças de dose significativas na região da cortiça, sempre superestimando a medida, com uma sobredose superior a 8%. Algoritmos mais avançados, como o Eclipse® AAA e Acuros XB, XiO® Superposition e iPlan® XVMC, apresentaram desvios inferiores a 3% na região da heterogeneidade. A análise dos perfis mostra, igualmente, que a segunda classe de algoritmos apresenta melhor comportamento em meios de baixa densidade como a cortiça. A largura da penumbra apresentou desvios inferiores a 1 mm para os algoritmos mais avançados contra diferenças de até 4,5 mm entre os algoritmos baseados em convolução. A análise da distribuição de dose em planejamentos de tumores pulmonares mostrou que todos os cálculos com correção de heterogeneidade presentam doses superiores ao cálculo sem correção de heterogeneidade. O histograma dose-volume (DVH) do volume alvo sofreu um impacto maior do que dos órgãos em risco. Os cálculos realizados com algoritmos baseados em convolução apresentaram distribuições de dose semelhantes entre si, porém diferentes das do cálculo sem correção de heterogeneidade. Eclipse® AAA, Acuros XB, XiO® Superposition e iPlan® XVMC apresentaram distribuições de dose também semelhantes, porém Eclipse® Acuros XB e iPlan® XVMC são ainda mais similares. Os planejamentos de SBRT apresentaram resultados mais discrepantes do cálculo sem correção de heterogeneidade do que os planejamentos 3D. CONCLUSÕES: Os diferentes algoritmos de cálculo disponíveis possuem acurácias diferentes em meios de baixa densidade eletrônica. Essas diferenças possuem impacto nas distribuições de dose em planejamentos de tratamento de tumores pulmonares, sendo o impacto ainda maior para a técnica de SBRT. Entre os algoritmos avaliados, há pelo menos um de cada fabricante que apresentou bom desempenho em objetos simuladores de pulmão e que devem ser priorizados para o cálculo em planejamentos de tratamentos de câncer de pulmão / INTRODUCTION: In Radiotherapy, the dose distribution accuracy in heterogeneity correction calculations is directly related to the choice of calculation algorithm. There are many calculation algorithms commercially available. They vary in accuracy and processing time. This study aimed to quantify the accuracy of ten different calculation algorithms in lung equivalent material and to analyze the impact of the algorithm choice in the dose distribution in Radiotherapy applied to lung tumors. METHODS: It was used plates of water (solid water RW3) and lung (cork) equivalent materials to determine the Percentage of Depth Dose (PDD) and transversal profile inside the heterogeneity (cork). The measurements were performed in a Clinac Varian 6EX, with 6 MV photon beams and two field sizes (5 x 5 cm2 and 10 x 10 cm2), through irradiation of radiochromic films Gafchromic EBT3 and ionization chamber Scanditronix Wellhofer CC13. Treatment planning of 25 patients - 11 with tridimensional (3D) technique and 14 with Stereotactic Body Radiation Therapy (SBRT) technique - were performed, first without heterogeneity correction and, by keeping the Monitor Units (MU), the calculations were then performed with the different algorithms/methods of heterogeneity corrections and the results were compared with the initial planning. It was analyzed the target volume and organs at risk doses. RESULTS: The measurements performed in phantoms revealed that algorithms based on the convolution principle (Eclipse® Pencil Beam Convolution with correction methods Batho, Batho Modified and Equivalent TAR; XiO® Clarkson and Convolution e iPlan® Pencil Beam) presented significant dose differences in the cork region, overestimating the measurement, with a overdose higher than 8%. More advanced algorithms, as Eclipse® AAA and Acuros XB, XiO® Superposition and iPlan® XVMC, presented deviations below to 3% in the heterogeneity region. The profile analysis showed, similarly, that the second class of algorithms presents better performance in medium with low electronic density, like cork. The penumbra width presented deviations below to 1 mm for the more sophisticated algorithms against differences up to 4.5 mm between the convolution based algorithms. The dose distribution analysis in lung treatment planning showed that all the calculations performed with heterogeneity corrections presented doses higher than the calculation without heterogeneity corrections. The target volume dose-volume histogram (DVH) had a higher impact compared to the organs at risk. The calculation performed with convolution based algorithms presented dose distributions comparable, although different from the calculation performed without heterogeneity correction. Eclipse® AAA, Acuros XB, XiO® Superposition and iPlan® XVMC presented dose distribution similar, however Eclipse® Acuros XB and iPlan® XVMC are still more similar. The SBRT treatment planning presented higher deviations from the calculation with no heterogeneity correction, compared with the 3D treatment planning. CONCLUSIONS: The different calculation algorithms available have different accuracies in low density mediums. These differences have impact in the dose distributions in lung treatment planning, being the impact higher for the SBRT technique. Between the evaluated algorithms there is, at least one of each manufacturer, that presented acceptable performance in lung equivalent material and it should be the choice in lung treatment planning calculation

INTRODUÇÃO: Na Radioterapia, a acurácia da distribuição de dose em cálculos com correção de heterogeneidade está diretamente relacionada à escolha do algoritmo de cálculo. Existe uma variedade de algoritmos de cálculo disponíveis no mercado, variando em tempo de processamento e acurácia. Este estudo teve como objetivos quantificar a acurácia de dez diferentes algoritmos de cálculo em objetos simuladores de pulmão e analisar o impacto da escolha do algoritmo na distribuição de dose em radioterapia aplicada a tumores de pulmão. METODOLOGIA: Foram utilizados placas simuladoras de água (água sólida RW3) e pulmão (cortiça) para determinar a Porcentagem de Dose em Profundidade (PDP) e perfil transversal dentro da heterogeneidade (cortiça). As medidas foram realizadas em um Clinac Varian 6EX, com feixes de fótons de 6 MV e dois tamanhos de campo (5 x 5 cm2 e 10 x 10 cm2), irradiando-se filmes radiocrômicos Gafchromic EBT3 e câmara de ionização Scanditronix Wellhofer CC13. Planejamentos de 25 pacientes - 11 com técnica tridimendional (3D) e 14 com técnica de Radioterapia Estereotática Corpórea (SBRT) - foram realizados, inicialmente sem correção de heterogeneidade e, mantendo-se as UM, os cálculos com os diferentes algoritmos/métodos de correção foram comparados com o planejamento inicial. Foram avaliados as doses no volume alvo e nos órgãos em risco. RESULTADOS: As medidas realizadas em objetos simuladores revelaram que os algoritmos baseados no princípio da convolução (Eclipse® Pencil Beam Convolution com métodos de correção Batho, Batho Modificado e TAR equivalente; XiO® Clarkson e Convolution e iPlan® Pencil Beam) apresentaram diferenças de dose significativas na região da cortiça, sempre superestimando a medida, com uma sobredose superior a 8%. Algoritmos mais avançados, como o Eclipse® AAA e Acuros XB, XiO® Superposition e iPlan® XVMC, apresentaram desvios inferiores a 3% na região da heterogeneidade. A análise dos perfis mostra, igualmente, que a segunda classe de algoritmos apresenta melhor comportamento em meios de baixa densidade como a cortiça. A largura da penumbra apresentou desvios inferiores a 1 mm para os algoritmos mais avançados contra diferenças de até 4,5 mm entre os algoritmos baseados em convolução. A análise da distribuição de dose em planejamentos de tumores pulmonares mostrou que todos os cálculos com correção de heterogeneidade presentam doses superiores ao cálculo sem correção de heterogeneidade. O histograma dose-volume (DVH) do volume alvo sofreu um impacto maior do que dos órgãos em risco. Os cálculos realizados com algoritmos baseados em convolução apresentaram distribuições de dose semelhantes entre si, porém diferentes das do cálculo sem correção de heterogeneidade. Eclipse® AAA, Acuros XB, XiO® Superposition e iPlan® XVMC apresentaram distribuições de dose também semelhantes, porém Eclipse® Acuros XB e iPlan® XVMC são ainda mais similares. Os planejamentos de SBRT apresentaram resultados mais discrepantes do cálculo sem correção de heterogeneidade do que os planejamentos 3D. CONCLUSÕES: Os diferentes algoritmos de cálculo disponíveis possuem acurácias diferentes em meios de baixa densidade eletrônica. Essas diferenças possuem impacto nas distribuições de dose em planejamentos de tratamento de tumores pulmonares, sendo o impacto ainda maior para a técnica de SBRT. Entre os algoritmos avaliados, há pelo menos um de cada fabricante que apresentou bom desempenho em objetos simuladores de pulmão e que devem ser priorizados para o cálculo em planejamentos de tratamentos de câncer de pulmão / INTRODUCTION: In Radiotherapy, the dose distribution accuracy in heterogeneity correction calculations is directly related to the choice of calculation algorithm. There are many calculation algorithms commercially available. They vary in accuracy and processing time. This study aimed to quantify the accuracy of ten different calculation algorithms in lung equivalent material and to analyze the impact of the algorithm choice in the dose distribution in Radiotherapy applied to lung tumors. METHODS: It was used plates of water (solid water RW3) and lung (cork) equivalent materials to determine the Percentage of Depth Dose (PDD) and transversal profile inside the heterogeneity (cork). The measurements were performed in a Clinac Varian 6EX, with 6 MV photon beams and two field sizes (5 x 5 cm2 and 10 x 10 cm2), through irradiation of radiochromic films Gafchromic EBT3 and ionization chamber Scanditronix Wellhofer CC13. Treatment planning of 25 patients - 11 with tridimensional (3D) technique and 14 with Stereotactic Body Radiation Therapy (SBRT) technique - were performed, first without heterogeneity correction and, by keeping the Monitor Units (MU), the calculations were then performed with the different algorithms/methods of heterogeneity corrections and the results were compared with the initial planning. It was analyzed the target volume and organs at risk doses. RESULTS: The measurements performed in phantoms revealed that algorithms based on the convolution principle (Eclipse® Pencil Beam Convolution with correction methods Batho, Batho Modified and Equivalent TAR; XiO® Clarkson and Convolution e iPlan® Pencil Beam) presented significant dose differences in the cork region, overestimating the measurement, with a overdose higher than 8%. More advanced algorithms, as Eclipse® AAA and Acuros XB, XiO® Superposition and iPlan® XVMC, presented deviations below to 3% in the heterogeneity region. The profile analysis showed, similarly, that the second class of algorithms presents better performance in medium with low electronic density, like cork. The penumbra width presented deviations below to 1 mm for the more sophisticated algorithms against differences up to 4.5 mm between the convolution based algorithms. The dose distribution analysis in lung treatment planning showed that all the calculations performed with heterogeneity corrections presented doses higher than the calculation without heterogeneity corrections. The target volume dose-volume histogram (DVH) had a higher impact compared to the organs at risk. The calculation performed with convolution based algorithms presented dose distributions comparable, although different from the calculation performed without heterogeneity correction. Eclipse® AAA, Acuros XB, XiO® Superposition and iPlan® XVMC presented dose distribution similar, however Eclipse® Acuros XB and iPlan® XVMC are still more similar. The SBRT treatment planning presented higher deviations from the calculation with no heterogeneity correction, compared with the 3D treatment planning. CONCLUSIONS: The different calculation algorithms available have different accuracies in low density mediums. These differences have impact in the dose distributions in lung treatment planning, being the impact higher for the SBRT technique. Between the evaluated algorithms there is, at least one of each manufacturer, that presented acceptable performance in lung equivalent material and it should be the choice in lung treatment planning calculation

Made available in DSpace on 2014-12-17T15:47:46Z (GMT). No. of bitstreams: 1 FrederikoSLNA.pdf: 5281687 bytes, checksum: 9fe12b6bcc355f7c67cf2f2c3ad9812b (MD5) Previous issue date: 2006-02-16 / This work performs an algorithmic study of optimization of a conformal radiotherapy plan treatment. Initially we show: an overview about cancer, radiotherapy and the physics of interaction of ionizing radiation with matery. A proposal for optimization of a plan of treatment in radiotherapy is developed in a systematic way. We show the paradigm of multicriteria problem, the concept of Pareto optimum and Pareto dominance. A generic optimization model for radioterapic treatment is proposed. We construct the input of the model, estimate the dose given by the radiation using the dose matrix, and show the objective function for the model. The complexity of optimization models in radiotherapy treatment is typically NP which justifyis the use of heuristic methods. We propose three distinct methods: MOGA, MOSA e MOTS. The project of these three metaheuristic procedures is shown. For each procedures follows: a brief motivation, the algorithm itself and the method for tuning its parameters. The three method are applied to a concrete case and we confront their performances. Finally it is analyzed for each method: the quality of the Pareto sets, some solutions and the respective Pareto curves / O presente trabalho realiza um Estudo Algor?tmico para Otimiza??o do Plano de Tratamento da Radioterapia Conformal. Inicialmente s?o apresentadas: uma vis?o geral sobre o c?ncer, o tratamento com radioterapia e no??es sobre a intera??o do feixe de radia??es ionizantes com a mat?ria. Uma proposta para Otimiza??o do Plano de Tratamento Radioter?pico ? desenvolvida de modo sistem?tico. ? apresentado o paradigma de problemas multicrit?rio, os conceitos de Pareto otimalidade e Pareto Domin?ncia. Um modelo Gen?rico de Otimiza??o para o Plano de Tratamento Radioter?pico ? proposto. S?o constru?das suas entradas, ? calculada a dose depositada no corpo do paciente atrav?s do conceito de matriz de dose, e ? apresentada a fun??o objetivo deste modelo. A complexidade dos problemas de otimiza??o do tratamento radioter?pico s?o classificados como de complexidade NP, este resultado justifica o desenvolvimento de m?todos heur?sticos para a sua resolu??o. S?o propostas tr?s metaheur?sticas para a Otimiza??o do Plano de Tratamento Radioter?pico: MOGA, MOSA e MOTS de acordo como o modelo gen?rico de otimiza??o proposto. Os projetos desses procedimentos metaheur?sticos s?o devidamente apresentados. Para cada m?todo se faz uma introdu??o liter?ria, dos seus algoritmos e a da metodologia usada para a afina??o dos par?metros. Os m?todos s?o aplicados a um caso concreto e confrontados atrav?s de medidas de performance. Finalmente ? analisado a qualidade dos conjuntos de Pareto produzidos por cada m?todo, s?o exibidas algumas solu??es geradas e as respectivas curvas de Pareto associadas