An open source software for proton treatment planning

INTRODUCTION: This report describes in three sections the complete method for the creation of an open-source, multi-platform Treatment Planning System (TPS) dedicated to proton beam lines. The first part outlines the implementation of a proton Dose Calculation Engine (DCE) based on pencil beam algorithms in Plastimatch, an open-source software for medical image computation. The DCE was decomposed into two types of algorithms: the model of the beam line elements and the dose summation algorithms in the input CT-images. An accurate analysis of the proton pencil beam deformation due to beam line elements was performed. Three pencil beam dose summation algorithms were developed, in addition to the reference well-known Hong’s algorithm, and compared with dose distributions computed by Monte Carlo simulations. The second part illustrates how the proton pencil beam model was upgraded with respect to Hong’s reference algorithms, providing a better description of the lateral scattering of protons in both the range compensator and in the patient heterogeneities. The last part describes the creation of a user-friendly interface, implemented in the open-source software for medical image computation and visualization 3D Slicer. The interface, connected to the dose DCE developed in Plastimatch, simulates a commercial TPS: it allows the setting of the parameters required for both the beam line characterization and the definition of a specific treatment plan. Moreover, the interface also provides a visualization of the output dose volume, associated to the treatment plan, overlapped on the input CT-images. METHODS: The entire beam line model implemented in Plastimatch was based on the Hong’s method, known as the reference method for proton pencil beam dose calculations and dedicated to passively scattered beam line. The approach was validated by Monte Carlo simulations and compared to the three alternative dose summation models developed in this project: the Ray Tracer (RT), the Cartesian Geometry dose Summation algorithm (CGS) and the Divergent Geometry dose Summation algorithm (DGS). In particular conditions, such as heterogeneous media, the reference algorithm is known to compute inaccurately the proton beamlet spread. We proposed to upgrade it in two ways: at first, by building a new model that described the lateral scattering of proton pencil beamlets in range compensators. The study evaluated multiple analytical models of beamlet spreads that are customized for a PMMA range compensator. Four different models were chosen and their accuracies were tested by Monte Carlo measurements in the particle therapy energy range. At a later stage, a differential method accounting for the patient heterogeneities was developed with the help of the proton scattering power theory and implemented as an alternative algorithm in Plastimatch. The algorithm was built in order to consider both the composition and the position of any scattering material crossed by the pencil beam axis, while the Hong’s reference algorithm is based only on a water pencil beam scaled by the water equivalent depth in the medium. Finally, the TPS developed in this project proposed to automatically conform the dose distribution around a target volume. To reach this objective, three algorithms were achieved: a collimator shaper based on the projection of the target volume in the beam frame, a range compensator creator considering the lack of material upward the target volume, and a Spread Out Bragg Peak (SOBP) designer. RESULTS AND DISCUSSION: The four dose summation algorithms were tested in broad beam conditions. The CGS, DGS and HGS were in good agreement with Monte Carlo simulations (2.5%-2.5 mm gamma-index scores > 95%). Instead, the RT algorithm, not considering any lateral scattering, was clearly refuted. The Hong’s algorithm describing the beamlet spread in the patient was assessed to be accurate only in homogeneous water equivalent media. In heterogeneous phantoms involving air gaps, the Hong’s model led to 60% errors on the Full Width at Half Maximum (FWHM) of the beamlet lateral spread when compared to Monte Carlo simulations. Once the differential method based on the scattering power theory was applied in the same conditions, this error was reduced to 6%. Improvements were also found in cortical bone-water heterogeneities, reducing the error on the FWHM from 30% with the Hong’s approach to 2.5% with the differential approach. Regarding the PMMA-range compensator analytical models, the most significant input parameters proved to be the distance from the effective origin of the scattering inside the range compensator, the particle energy and the range compensator thickness. The study showed that two models considering the effective origin of scattering were more accurate than simpler models that did not contemplate such factor, and they provided estimations of beamlet spread induced by PMMA range compensators in the order of 0.2 % ± 3.1 % (mean ± standard deviation, compared to MC simulations) when the reference Hong’s model provided discrepancies in the order of -6.7% ± 7.7%. Ultimately, the report proposes an overview of the complete interface including the presentation of the modules for the beam line characterization and the treatment plan definition. Two different treatment plans are presented as examples, which have been successfully created from the SlicerRt interface connected to the Plastimatch DCE. These two examples were computed on real patient images (pelvis and brain localizations) and validated the whole beam line model (including the collimator shaper, the range compensator creator and the SOBP designer) as the dose distribution associated to these treatment plans conformed accurately and homogeneously the target whole volume. CONCLUSION: The study showed that a basic TPS dedicated to passively scattered proton beam line could be contrived with accuracy. The dosimetric study validated two new dose summations algorithms (CGS and DGS) in addition to the reference HGS algorithm, the CGS being slightly faster than the HGS. We also proposed a differential approach describing the pencil beamlet spread with a higher accuracy than the reference method, especially in heterogeneous media. The Plastimatch DCE achieved acceptable accuracy (2.5%-2.5 mm gamma-index scores > 95%) in both homogeneous and heterogeneous phantoms in a satisfying computation time (<5 min) on a common laptop or computer. A precise analytic model for computing the beamlet spread induced by a common PMMA range compensator was developed and implemented in the Plastimatch DCE. These different improvements in the pencil beam definition allowed to create a complete basic TPS, calling the Plastimatch DCE, which was demonstrated to be more accurate than the reference Hong’s method. We hope that the open-source TPS developed during this PhD project will contribute to a better understanding and estimation of the delivered dose in particle therapy, especially for pencil beam dose calculation methods, and will help the research groups that couldn’t afford a commercial TPS.

INTRODUZIONE: Questa tesi presenta in tre parti un metodo completo per la creazione di un sistema di pianificazione del trattamento (TPS per Treatment Planning System) open-source e multipiattaforma dedicato a linee di fasci protonici nell’ambito dell’adroterapia. La prima parte descrive l’implementazione di un algoritmo di calcolo della dose (DCE per Dose Calculation Engine) in protonterapia, basato su algoritmi pencil beam, in Plastimatch, un software open-source per lo sviluppo di strumenti di calcolo ed analisi di immagini medicali. Il DCE è stato diviso in due algoritmi diversi: il primo descrive la modellizzazione della linea di fascio protonico e il secondo la ricostruzione della dose nel volume delle immagini CT del paziente. E’ stata realizzata un’analisi accurata della deformazione dei pencil beam dovuta agli elementi generalmente introdotti nella linea di fascio durante un trattamento e sono stati sviluppati tre algoritmi di ricostruzione della dose, oltre all’implementazione dell’algoritmo di referimento di Hong. Tutti e quattro gli algoritmi sono stati comparati a delle distribuzioni di dose calcolate con simulazioni Monte Carlo. La seconda parte illustra il miglioramento del modello pencil beam rispetto all’algoritmo di riferimento di Hong, grazie ad una migliore descrizione della dispersione laterale dei protoni nel compensatore in energia e più generalmente nei mezzi eterogenei (paziente). L’ultima parte presenta l’elaborazione di una semplice interfaccia in 3D Slicer, un software per la gestione, il calcolo e la visualizzazione di immagini medicali. L’interfaccia, connessa al DCE implementato in Plastimatch, simula un TPS commerciale: permette l’impostazione dei parametri richiesti per la caratterizzazione della linea di fascio protonico e la definizione di un piano di trattamento specifico. L’interfaccia propone inoltre una visualizzazione della distribuzione di dose, associata al piano di trattamento, sovrapposta alle immagini CT del paziente. METODI: La linea di fascio protonico implementata in Plastimatch è basata sul metodo di riferimento di Hong, dedicato ai sistemi detti di passive scattering. L’approccio è stato validato da simulazioni Monte Carlo per i tre nuovi algoritmi di ricostruzione della dose: il Ray Tracer (RT), l’algoritmo di ricostruzione di dose in geometria cartesiana (CGS per Cartesian Geometry dose Summation algorithm) e l’algoritmo di ricostruzione di dose in geometria divergente (DGS per Divergent Geometry dose Summation algorithm). In condizioni particolari, come nel caso di mezzi eterogenei, l’algoritmo di riferimento di Hong simula la dispersione laterale dei pencil beam in modo errato. Questo progetto propone il miglioramento di questo modello a due livelli: in primo luogo, descrivendo la dispersione laterale dei pencil beam nei compensatori in energia. Lo studio valuta diversi modelli analitici specifici ai compensatori in energia in PMMA. Sono stati selezionati quattro modelli diversi e la loro accuratezza è stata testata e comparata a misure realizzate con simulazioni Monte Carlo nella gamma delle energie della protonterapia. In secondo luogo è stato sviluppato, tenendo conto delle eterogeneità del paziente, un metodo differenziale grazie alla teoria del potere di diffusione dei protoni ed è stato implementato in Platimatch come algoritmo alternativo. Questo algoritmo è stato disegnato in modo tale da considerare sia la composizione che la posizione del materiale attraversato dall’ asse del pencil beam, mentre il metodo di riferimento di Hong è basato semplicemente su un pencil beam proporzionato rispetto alla profondità acqua-equivalente nel mezzo. Infine, il TPS sviluppato durante questo dottorato propone un metodo di conformazione automatico della dose attorno al volume bersaglio. Per raggiungere questo obiettivo, sono stati realizzati tre algoritmi: un creatore di collimatore basato sulla proiezione del volume bersaglio nel campo del fascio, un creatore automatico di compensatore in energia ed un Spread Out Bragg Peak (SOBP) designer. RISULTATI E DISCUSSIONE: I quattri algoritmi di ricostruzione della dose sono stati valutati in condizione di fasci larghi. Il CGS, DGS e il metodo di Hong hanno dimostrato un’eccellente accordo con le simulazioni Monte Carlo (Gamma-index (2.5mm, 2.5%) > 95% ). L’algoritmo RT, non considerando la dispersione laterale, è stato invece chiaramente scartato. Il metodo di Hong, descrivendo la dispersione laterale di fasci infinitesimali di protoni, è stato validato in mezzi omogenei ed equivalenti all’acqua. In fantocci eterogenei e simili a pazienti reali (aria / acqua / osso corticale), l’accuratezza di questo algoritmo diminuisce notevolmente: in diversi casi le discrepanze con simulazioni Monte Carlo possono raggiungere 60% nella stima della FWHM della dispersione laterale. L’algoritmo differenziale implementato in Plastimatch e basato sul potere di diffusione dei protoni riduce le discrepanze rispetto a Monte Carlo a 6% nelle stesse condizioni Riguardo i modelli analitici di compensatori in energia, è stata dimostrata una sensibilità significativa della dispersione laterale a diversi parametri: la distanza dall’origine effettiva della dispersione nel compensatore in energia, l’energia dei protoni e lo spessore del compensatore in energia. Questo studio ha evidenziato due modelli, entrambi considerando l’origine effettiva della dispersione nel compensatore in energia, in grado di calcolare in modo istantaneo la dispersione dei pencil beams con una discrepanza di 0.2 % ± 3.1 % (media + standard deviation) rispetto a simulazioni Monte Carlo, mentre le discrepanze del modello di Hong sono state valutate a -6.7% ± 7.7%. Infine, questo studio propone una visione d’insieme dell’interfaccia completa, includendo la presentazione dei moduli di caratterizzazione della linea di fascio protonico e di definizione dei piani di trattamento. Due piani di trattamento diversi sono presentati come esempi. Questi piani sono stati creati con successo dall’interfaccia di SlicerRt connessa al DCE di Plastimatch. Questi due esempi sono stati calcolati su delle immagini CT reali di pazienti (pelvi e testa & collo) e hanno validato la modellizzazione della linea di fascio protonico (includendo il creatore automatico di collimatori, il creatore automatico di compensatori in energia e il SOBP designer). CONCLUSIONE: Questo progetto dimostra che un TPS basico dedicato a una linea di fasci di protoni può essere realizzata con accuratezza. Lo studio dosimetrico ha validato due nuovi algoritmi di ricostruzione della dose (CGS and DGS), oltre al metodo di riferimento di Hong, il CGS and DGS essendo perfino più veloce dell’algoritmo di Hong. L’approccio differenziale descrive la dispersione laterale dei pencil beams con un’accuratezza maggiore rispetto al metodo di riferimento, in particolare nei mezzi eterogenei come i pazienti. Il DCE implementato in Plastimatch raggiunge un’accuratezza accettabile (gamma-index score (2.5 % - 2.5 m) > 95%) in mezzi omogenei e eterogenei in un tempo di calcolo soddisfacente ( ≈ 5 min) su un commune laptop. Un accurato modello analitico è stato sviluppato e implementato nel DCE di Plastimatch calcolando la dispersione dei pencil beams in compensatore in energia di PMMA. Questi diversi miglioramenti nella modellizzazione dei pencil beams hanno permesso di creare un TPS di base per il calcolo della dose di fasci di protoni, perfino più accurato del metodo di Hong. L’autore spera che il TPS open-source sviluppato durante questo progetto di dottorato contribuirà ad una migliore comprensione e valutazione della dose rilasciata in protonterapia, specialmente nell’ambito degli algoritmi pencil beam, ed aiuterà i gruppi di ricerca che non potrebbero comprare un TPS commerciale.