4D Monte Carlo investigation of organ motion in radiotherapy for lung cancer

• Main Author: Heath, Emily Claire
• Other Authors: Jan Peter Frans Seuntjens (Internal/Supervisor)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2008
• Subjects: Physics - Radiation
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=18810

A limitation of current dose calculation algorithms employed in radiotherapy treatment planning is the assumption that the patient's anatomy is static throughout the imaging, planning and delivery. 4D dose calculation methods employ non-linear image registration to determine the cumulative dose received in a deforming anatomy. In this work, we developed a 4D Monte Carlo dose calculation code, designated defDOSXYZ, which determines the dose received in a deforming voxel grid. Voxel deformations were determined from deformation vectors resulting from non-linear image registration between images of the reference and target states. The ANIMAL non-linear image registration algorithm was implemented for registration of thoracic 4D CT images. Modifications were performed to ANIMAL to minimize deformation vector discontinuities. A method for correcting artifacts in 4D CT images was developed which uses non-linear image registration to interpolate voxel intensities from temporally adjacent artifact-free images. Dose calculations in deforming phantoms and 4D CT patient data using defDOSXYZ were compared to conventional center-of-mass (COM) and trilinear (TL) dose remapping methods. defDOSXYZ calculations were determined to be accurate to within 1% by comparison with DOSXYZ calculations and internal consistency checks. Conventional dose remapping methods were found to underestimate the dose by 29% and 8%, on average, when remapping dose from Exhale to Inhale within simple deforming phantoms with voxel sizes of 1 cm and 0.5 cm, respectively. These discrepancies were reduced to 0.2% for voxel sizes of 0.25 cm and smaller, however dose errors of 20-30% still existed in regions of steep dose gradients. The accuracy of non-linear image registration between inhale and exhale images for 5 lung patients was found to be within 2 mm which was deemed acceptable for clinical dose calculations. Temporal interpolation using ANIMAL was demonstrated to improve image quality in 4D data se === L'hypothèse que l'anatomie du patient est statique tout au long de l'imagerie, de la planification et du traitement est une limite des algorithmes actuels de calcul de dose en planification de traitement radiothérapeutique. Des méthodes de calcul de dose en 4D utilisent le recalage d'image non linéaire pour déterminer la dose cumulée reçue par une anatomie déformable. Dans cette thèse, nous avons développé un code Monte-Carlo de calcul de dose en 4D, appelé defDOSXYZ, qui détermine la dose reçue dans une grille de voxels déformables. La déformation des voxels a été établie à partir de la variation des vecteurs résultant du recalage d'image non linéaire entre les états de référence et les états cibles. L'algorithme de recalage d'image non linéaire ANIMAL a été appliqué au recalage d'images thoraciques obtenues en tomodensitométrie 4D. Des modifications ont été apportées à ANIMAL afin de minimiser les discontinuités dans la variation des vecteurs. Une méthode a été développée pour corriger les images de tomodensitométrie 4D ; cette méthode utilise le recalage d'image non linéaire pour interpoler l'intensité dans les voxels à partir d'images sans artéfacts consécutives dans le temps. Les calculs de dose avec defDOSXYZ dans les fantômes déformables et sur des images tomodensitométriques 4D de patients ont été comparés aux méthodes conventionnelles de redistribution de dose, l'une dite « du centre de mass » (COM), l'autre trilinéaire (TL). Les calculs avec defDOSXYZ ont été mesurés et sont exacts à mieux que 1 % en comparaison des calculs de DOSXYZ et de tests d'autocohérence. Nous avons trouvé que les méthodes conventionelles de redistribution de dose sous-estiment la dose, en moyen, par 29% et 8% dans de simples fantômes déformables avec des tailles de voxel de 1.0 cm et 0.5 cm, respectivement. Les divergences étaient réduites jusqu'à 0.2% pour des tailles de voxel de 2.5 mm et plus petits, mal