Determination of the optimal statistical uncertainty to perform electron-beam Monte Carlo absorbed dose estimation in the target volume - 19/03/10

Doi : 10.1016/j.canrad.2009.09.007

A. Isambert ^a,^⁎ , L. Brualla ^b, M. Benkebil ^c, D. Lefkopoulos ^a
^a Medical Physics Department, institut Gustave-Roussy, 39, rue Camille-Desmoulins, 94805 Villejuif, France
^b NCTeam, Strahlenklinik, Universitätsklinikum Essen, Hufelandstr, 55, 45122 Essen, Germany
^c DOSIsoft, 45/47, avenue Carnot, 94230 Cachan, France

Corresponding author.

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Abstract

Purpose of study

Monte Carlo based treatment planning system are known to be more accurate than analytical methods for performing absorbed dose estimation, particularly in and near heterogeneities. However, the required computation time can still be an issue. The present study focused on the determination of the optimum statistical uncertainty in order to minimise computation time while keeping the reliability of the absorbed dose estimation in treatments planned with electron-beams.

Materials and methods

Three radiotherapy plans (medulloblastoma, breast and gynaecological) were used to investigate the influence of the statistical uncertainty of the absorbed dose on the target volume dose–volume histograms (spinal cord, intramammary nodes and pelvic lymph nodes, respectively).

Results

The study of the dose–volume histograms showed that for statistical uncertainty levels (1 S.D.) above 2 to 3%, the standard deviation of the mean dose in the target volume calculated from the dose–volume histograms increases by at least 6%, reflecting the gradual flattening of the dose–volume histograms.

Conclusions

This work suggests that, in clinical context, Monte Carlo based absorbed dose estimations should be performed with a maximum statistical uncertainty of 2 to 3%.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Résumé

Objectif de l’étude

Les systèmes de planification de traitement utilisant la méthode de Monte Carlo (TPS Monte Carlo) sont connus pour être plus précis pour effectuer l’estimation des doses absorbées, en particulier dans et à proximité des hétérogénéités. Cependant, les temps de calcul peuvent encore constituer un problème. La présente étude est axée sur la détermination de l’incertitude statistique optimale permettant d’atteindre le plus faible temps de calcul tout en conservant la fiabilité du calcul de la dose absorbée dans le cas des faisceaux d’électrons.

Matériels et méthodes

Trois plans de traitement par radiothérapie (médulloblastome, cancer du sein et gynécologique) ont été utilisés pour étudier l’influence de l’incertitude statistique sur les histogrammes dose–volume des volumes cibles (moelle, chaîne mammaire interne et ganglions lymphatiques pelviens, respectivement).

Résultats

L’étude a montré que pour des valeurs d’incertitude statistique (1S.D.) supérieures à 2 à 3 %, l’écart-type de la dose moyenne dans le volume cible, calculée à partir des histogrammes dose–volume, augmente d’au moins 6 %, ce qui traduit l’aplatissement progressif de la courbe.

Conclusions

Cette étude suggère que dans un contexte clinique, les calculs de dose réalisés à l’aide d’un système de planification de traitement par la méthode de Monte Carlo doivent être effectués avec une incertitude statistique maximale de 2 à 3 %.

Le texte complet de cet article est disponible en PDF.

Keywords : Statistical uncertainty, Monte Carlo, Electron-beams

Mots clés : Incertitude statistique, Monte Carlo, Faisceaux d’électrons