Automation of the Monte Carlo simulation of medical linear accelerators

Abstract

The main result of this thesis is a software system, called PRIMO, which simulates clinical linear accelerators and the subsequent dose distributions using the Monte Carlo method. PRIMO has the following features: (i) it is self- contained, that is, it does not require additional software libraries or coding; (ii) it includes a geometry library with most Varian and Elekta linacs; (iii) it is based on the general-purpose Monte Carlo code PENELOPE; (iv) it provides a suite of variance-reduction techniques and distributed parallel computing to enhance the simulation efficiency; (v) it is graphical user interfaced; and (vi) it is freely distributed through the website http://www.primoproject.net In order to endow PRIMO with these features the following tasks were conducted: - PRIMO was conceived with a layered structure. The topmost layer, named the GLASS, was developed in this thesis. The GLASS implements the GUI, drives all the functions of the system and performs the analysis of results. Lower layers generate geometry files, provide input data and execute the Monte Carlo simulation. - The geometry of Elekta linacs from series SU and MLCi were coded in the PRIMO system. - A geometrical model of the Varian True Beam linear accelerator was developed and validated. This model was created to surmount the limitations of the Varian distributed phase-space files and the absence of released information about the actual geometry of that machine. This geometry model was incorporated into PRIMO. - Two new variance-reduction techniques, named splitting roulette and selective splitting, were developed and validated. In a test made with an Elekta linac it was found that when both techniques are used in conjunction the simulation efficiency improves by a factor of up to 45. - A method to automatically distribute the simulation among the available CPU cores of a computer was implemented. The following investigations were done using PRIMO as a research tool : - The configu ration of the condensed history transport algorithm for charged particles in PENELOPE was optimized for linac simulation. Dose distributions in the patient were found to be particularly sensitive to the values of the transport parameters in the linac target. Use of inadequate values of these parameters may lead to an incorrect determination of the initial beam configuration or to biased dose distributions. - PRIMO was used to simulate phase-space files distributed by Varian for the True Beam linac. The results were compared with experimental data provided by five European radiotherapycenters. It was concluded thatthe latent variance and the accuracy of the phase-space files were adequate for the routine clinical practice. However, for research purposes where low statistical uncertainties are required the phase-space files are not large enough. To the best of our knowledge PRIMO is the only fully Monte Carlo-based linac and dose simulation system , addressed to research and dose verification, that does not require coding tasks from end users and is publicly available.

El principal resultado de esta tesis es un sistema informático llamado PRIMO el cual simula aceleradores lineales médicos y las subsecuentes distribuciones de dosis empleando el método de Monte Carlo. PRIMO tiene las siguiente características: (i) es auto contenido, o sea no requiere de librerías de código ni de programación adicional ; (ii) incluye las geometrías de los principales modelos de aceleradores Varían y Elekta; (iii) está basado en el código Monte Carlo de propósitos generales PENELOPE; (iv) contiene un conjunto de técnicas de reducción de varianza y computación paralela distribuida para mejorar la eficiencia de simulación; (v) tiene una interfaz gráfica de usuario; y (vi) se distribuye gratis en el sitio web http://vvww.primoproject.net. Para dotar a PRIMO de esas características, se realizaron las tareas siguientes: - PRIMO se concibió con una estructura de capas. La capa superior, nombrada GLASS, fue desarrollada en esta tesis. GLASS implementa la interfazgráfica de usuario, controla todas las funciones del sistema y realiza el análisis de resultados. Las capas inferiores generan los archivos de geometría y otros datos de entrada y ejecutan la simulación Monte Carlo. - Se codificó en el sistema PRIMO la geometría de los aceleradores Elekta de las series SLi y MLC. - Se desarrolló y validó un modelo geométrico del acelerador TrueBeam de Varian. Este modelo fue creado para superar las limitaciones de los archivos de espacio de fase distribuidos por Varian, así como la ausencia de información sobre la geometría real de esta máquina. Este modelo geométrico fue incorporado en PRIMO. - Fueron desarrolladas y validadas dos nuevas técnicas de reducción de varianza nombradas splitting roulette y selective splitting. En pruebas hechas en un acelerador Elekta se encontró que cuando ambas técnicas se usan en combinación, la eficiencia de simulación mejora 45 veces. - Se implementó un método para distribuir la simulación entre los procesadores disponibles en un ordenador. Las siguientes investigaciones fueron realizadas usando PRIMO como herramienta: - Fue optimizada la configuración del algoritmo de PENELOPE para el transporte de partículas cargadas con historia condensada en la simulación del linac. Se encontró que las distribuciones de dosis en el paciente son particularmente sensibles a los valores de los parámetros de transporte usados para el target del linac. El uso de va lores inadecuados para esos parámetros puede conducir a una incorrecta determinación de la configuración del haz inicial o producir sesgos en las distribuciones de dosis. - Se utilizó PRIMO para simular archivos de espacios de fase distribuidos por Varian para el linac TrueBeam. Los resultados se compararon con datos experimentales aportados por cinco centros de radioterapia europeos. Se concluyó que la varianza latente y la exactitud de estos espacios de fase son adecuadas para la práctica clínica de rutina. Sin embargo estos espacios de fase no son suficientemente grandes para emplearse en investigaciones que requieren alcanzar una baja incertidumbre estadística. Hasta donde conocemos, PRIMO es el único sistema Monte Carlo que simula completamente el acelerador lineal y calcula la dosis absorbida, dirigido a la investigación y la verificación de dosis que no requiere del usuario tareas de codificación y está disponible públicamente