Within the field of medical physics, Monte Carlo radiation transport simulations are considered to be the most accurate method for the determination of dose distributions in patients. The McGill Monte Carlo treatment planning system (MMCTP), provides a flexible software environment to integrate Monte Carlo simulations with current and new treatment modalities. A developing treatment modality called energy and intensity modulated electron radiotherapy (MERT) is a promising modality, which has the fundamental capabilities to enhance the dosimetry of superficial targets. An objective of this work is to advance the research and development of MERT with the end goal of clinical use. To this end, we present the MMCTP system with an integrated toolkit for MERT planning and delivery of MERT fields. Delivery is achieved using an automated ``few leaf electron collimator'' (FLEC) and a controller. Aside from the MERT planning toolkit, the MMCTP system required numerous add-ons to perform the complex task of large-scale autonomous Monte Carlo simulations. The first was a DICOM import filter, followed by the implementation of DOSXYZnrc as a dose calculation engine and by logic methods for submitting and updating the status of Monte Carlo simulations. Within this work we validated the MMCTP system with a head and neck Monte Carlo recalculation study performed by a medical dosimetrist. The impact of MMCTP lies in the fact that it allows for systematic and platform independent large-scale Monte Carlo dose calculations for different treatment sites and treatment modalities. In addition to the MERT planning tools, various optimization algorithms were created external to MMCTP. The algorithms produced MERT treatment plans based on dose volume constraints that employ Monte Carlo pre-generated patient-specific kernels. The Monte Carlo kernels are generated from patient-specific Monte Carlo dose distributions within MMCTP. The structure of the MERT planning toolkit software and optimization algorithms are demonstrated. We investigated the clinical significance of MERT on spinal irradiation, breast boost irradiation, and a head and neck sarcoma cancer site using several parameters to analyze the treatment plans. Finally, we investigated the idea of mixed beam photon and electron treatment planning. Photon optimization treatment planning tools were included within the MERT planning toolkit for the purpose of mixed beam optimization.In conclusion, this thesis work has resulted in the development of an advanced framework for photon and electron Monte Carlo treatment planning studies and the development of an inverse planning system for photon, electron or mixed beam radiotherapy (MBRT). The justification and validation of this work is found within the results of the planning studies, which have demonstrated dosimetric advantages to using MERT or MBRT in comparison to clinical treatment alternatives. / La technique Monte Carlo de transport de particules est considéré la méthode la plus précise pour calculer la distribution de dose dans les patients. La plate-forme de planification de traitement Monte Carlo de McGill (MMCTP) offre un environnement de logiciels flexibles pour intégrer des simulations Monte Carlo avec les modalités de traitement actuelles et nouvelles. Une nouvelle modalité de traitement surnommée MERT devrait améliorer la dosimétrie sur des cibles superficielles. Un des objectifs de ce travail est d'avancer la recherche et le développement de MERT à des fins d'usage clinique. Ainsi, nous présentons la plateforme MMCTP avec une boite à outils intégrée pour la planification et l'administration de plans MERT. Ces plans sont administrés à l'aide d'un collimateur automatisé surnommé FLEC et d'un contrôleur. En plus des outils de planification MERT, la plateforme MMCTP a nécessité plusieurs ajouts pour effectuer les taches complexes impliquées dans l'automatisation des simulations Monte Carlo à large échelle. La première addition était un filtre d'importation DICOM, suivie par l'implémentation de DOSXYZnrc comme outil de calcul de dose puis l'implémentation des méthodes logiques pour soumettre et mettre à jour le statut des simulations Monte Carlo. Dans ce travail, nous avons validé la plateforme MMCTP en recalculant avec le code Monte Carlo un plan tête et cou réalisé initialement par un dosimétriste médical. L'impact de MMCTP réside dans le fait qu'il permet des calculs de dose Monte Carlo à grande échelle avec une plateforme indépendante et systématique pour différents sites et différentes modalités de traitement. En plus des outils de plannification MERT, différents algorithmes d'optimisation ont été créés indépendamment de MMCTP. Ces algorithmes produisent des plans de traitement MERT basés sur des contraintes dose volume en utilisant des kernels pré-générés Monte Carlo de patient spécifiques. Les kernels Monte Carlo sont généerés à partir des distributions de dose Monte Carlo de patient spécifique dans MMCTP. La structure des algorithmes d'optimisation et du logiciel de la boite d'outils de planification sont démontrées. Nous avons également étudié l'impact clinique de MERT sur les irradiations de la colonne, les irradiations accélérées de sein, les irradiations de la tête et des sarcomes du cou en utilisant plusieurs paramètres pour analyser les plans de traitement. Finalement, nous avons cherché à combiner des plans de traitement photons avec d'autres d'électrons. Les outils d'optimisation du plan de traitement en photon ont été inclus dans la boite à outils de planification de MERT dans le but d'optimiser la combinaison des faisceaux. En conclusion, le travail de cette thèse a permis de développer une plateforme avancée pour les études de planification de traitement Monte Carlo en photons et en électrons. Il a également permis de développer un système de planification inverse pour photon, électron ou la radiothérapie de faisceaux combinés (MBRT pour "Mixed Beam RadioTherapy"). La justification et la validation de ce travail sont déemontrées à travers les résultats des études de planification, qui ont déterminées les avantages dosimétriques d'utiliser MERT ou MBRT par rapport aux alternatives cliniques de traitement.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.107670 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Alexander, Andrew |
| Contributors | Francois Deblois (Supervisor2), Jan Peter Frans Seuntjens (Supervisor1) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Physics) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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