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Concepts for the efficient Monte Carlo-based treatment plan optimization in radiotherapy

Siggel, Martin

German Title: Konzepte für die effiziente Monte Carlo-basierte Optimierung von Bestrahlungsplänen in der Radiotherapie

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Abstract

Monte Carlo (MC) dose calculation algorithms are regarded as the gold standard in intensity-modulated radiation therapy (IMRT). Simply adding a MC dose calculation engine to a standard IMRT optimization framework is possible but computationally inefficient. Thus, the optimization would be too time consuming for clinical practice. In this work we developed a hybrid algorithm for the treatment plan optimization that combines the accuracy of MC simulations with the efficiency of less precise dose calculation algorithms. Two methods are introduced that allow a rapid convergence of the iterative optimization algorithm and preserve the efficiency of the MC dose calculation. The performance of the hybrid optimization algorithm is analyzed on different treatment sites. The results are compared against a reference optimization algorithm, which is based on MC simulations in the standard IMRT framework. For this comparison we evaluated several indicators of treatment plan quality, convergence properties, calculation times and efficiency ratios. The efficiency of the optimization could be improved from originally 10-30% to 80-95%. Due to this improvement the calculation times could be reduced to 2-28 minutes, depending on the treatment plan complexity. At the same time, the treatment plan quality could be maintained compared to the reference algorithm.

Translation of abstract (German)

Monte Carlo (MC) Algorithmen zur Dosisberechnung gelten als Goldstandard in der intensitätsmodulierten Radiotherapie (IMRT). Das einfache Hinzufügen von MC Dosisberechnungen in gängige Systeme zur Optimierung von Bestrahlungsplänen ist zwar möglich, jedoch zu ineffizient und resultiert in zu langen Rechenzeiten für eine klinische Verwendung. In dieser Arbeit wurde ein hybrider Optimierungsalgorithmus entwickelt, welcher die Genauigkeit von MC Simulationen mit der Effizienz von weniger genauen Algorithmen zur Dosisberechnung verbindet. Wir präsentieren zwei Methoden, die eine schnelle Konvergenz des iterativen Optimierungsverfahrens erlauben und die Effizienz der MC Dosisberechnung erhalten. Die Funktionsweise des hybriden Optimierungsalgorithmus wurde an verschiedenen Körperregionen demonstriert. Die daraus resultierenden Bestrahlungspläne werden gegen die Ergebnisse eines Referenzalgorithmus verglichen, welcher auf MC Simulationen im gängigen IMRT Framework basiert. Neben verschiedenen Indikatoren zur Qualität der Bestrahlungspläne wurden Konvergenzeigenschaften, Rechenzeiten und Effizienzen für diesen Vergleich ausgewertet. Die Effizienz der Optimierung konnte mit dem neuen Algorithmus von ursprünglich 10-30% auf 80-95% gesteigert werden. Aufgrund dieser Steigerung konnten wir - je nach Bestrahlungsplan - die Rechenzeiten auf 2 bis 28 Minuten verkürzen. Dabei konnte im Vergleich zum Referenzalgorithmus die Qualität der Bestrahlungspläne beibehalten werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Oelfke, Prof. Dr. Uwe
Date of thesis defense: 23 May 2012
Date Deposited: 13 Jun 2012 13:36
Date: 2012
Faculties / Institutes: Service facilities > German Cancer Research Center (DKFZ)
Subjects: 530 Physics
Controlled Keywords: Strahlentherapie
Uncontrolled Keywords: radiotherapy, optimization, Monte Carlo, dose calculation, IMRT
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