Análise do algorítimo Acuros XB para cálculo de dose em tratamentos de teleterapia em situações de heterogeneidade

Abstract

O cálculo preciso da dose na radioterapia é essencial para a eficácia e segurança do tratamento, especialmente em meios heterogêneos como tecidos moles, ar, osso e próteses metálicas. Este estudo compara o desempenho dos algoritmos Acuros XB (AXB) e AAA, ambos na versão 16.1.2, em diferentes interfaces heterogêneas (tecidoar, tecido-osso e tecido-metal). As comparações incluem medidas dosimétricas realizadas com câmaras de ionização, filmes radiocrômicos e matriz de diodos, fantomas antropomórficos e um fantoma desenvolvido manualmente para este estudo. Também foi avaliado o tempo de cálculo dos algoritmos, considerando diferentes técnicas de tratamento (3D, IMRT e arcos). Medidas de PDPs, em setup com metal, mostraram desvio do AAA de até 18,8% contra 5,3% usando AXB, com a cortiça, os resultados foram semelhantes (1,5% x 1,7%). Utilizando filmes radiocrômicos nos fantomas antropomórficos, todos os planos tiveram índice gama maior que 96,4% com critério 3% / 3 mm. Usando a matriz de diodos, AAA falha quando os campos atravessam diretamente o metal enquanto AXB apresentou índice gama de 94,7% com critério 1% / 1mm. Na presença da cortiça, ambos os algoritmos apresentam índice gama de 100% com 3% / 3mm, mas com critérios mais restritos AXB apresentou índices melhores. Usando o fantoma Artrodese, vimos que quanto mais forçamos os feixes atravessarem o titânio maior o desvios encontrados com AAA e AXB, obtendo com câmara de ionização, diferenças de 5,8% e 4,0% respectivamente. Utilizando a matriz de diodos, neste mesmo fantoma, temos que o AAA falha no cálculo com campos atravessando o metal enquanto AXB atinge gama de 99,2% com critério 3% / 3mm. Ao analisar as curvas de DVH de diferentes planejamentos e nos diversos setups utilizados neste estudo, encontramos que, em alvos em região de heterogeneidade de baixa densidade, AXB calcula mais dose que AAA, já em alta densidade AXB calcula menos dose ao longo de toda curva de DVH. Quanto aos tempos de cálculo, usando arcos conformacionais, AXB foi 3,7 vezes mais rápido usando GPU, com IMRT AAA é mais rápido que AXB, mas a relação se inverte usando GPU, mas, utilizando a técnica 3D, AXB, mesmo associado ao GPU, usou o dobro do tempo que o AAA. Vimos que, nas proximidades de interfaces com alta densidade, o AAA falha e o AXB se mostrou uma ótima alternativa, não só para regiões de baixa densidade, como casos de pulmão citados em vários artigos e também verificado ao longo do trabalho, mas também para as situações em que o paciente apresenta próteses e implantes. Os resultados obtidos corroboram a adoção e recomendação do Acuros XB nessas situações, como um ótimo recurso no planejamento, garantindo a segurança e a eficácia dos procedimentos para os pacientes.

Accurate dose calculation in radiotherapy is essential for the effectiveness and safety of treatment, especially in heterogeneous media such as soft tissues, air, bone, and metallic prostheses. This study compares the performance of the Acuros XB (AXB) and AAA algorithms, both in version 16.1.2, across different heterogeneous interfaces (tissue-air, tissue-bone, and tissue-metal). The comparisons include dosimetric measurements performed with ionization chambers, radiochromic films, and diode matrices, as well as anthropomorphic phantoms and a manually developed phantom created for this study. The calculation time for both algorithms was also evaluated, considering different treatment techniques (3D, IMRT, and arcs). Percentage depth dose (PDP) measurements with metal setups showed a deviation of up to 18.8% for AAA, compared to 5.3% for AXB. For setups involving cork, the results were similar (1.5% vs. 1.7%). Using radiochromic films with anthropomorphic phantoms, all plans achieved a gamma index above 96.4% with the 3% / 3 mm criterion. With the diode matrix, AAA failed when fields directly crossed the metal, while AXB reached a gamma index of 94.7% using the 1% / 1 mm criterion. In the presence of cork, both algorithms achieved 100% gamma index with the 3% / 3 mm criterion, but AXB performed better under stricter criteria. Using the Artrodese phantom, the deviations increased with more beam intersections through titanium screws, resulting in 5.8% deviation for AAA and 4.0% for AXB, as measured with the ionization chamber. With the diode matrix, AAA failed when fields crossed the metal, while AXB achieved a 99.2% gamma index with the 3% / 3 mm criterion. Analyzing the DVH curves from different treatment plans and setups, AXB calculated higher doses in low-density regions than AAA, while in high-density regions, AXB calculated lower doses along the entire DVH curve. Regarding calculation times, AXB was 3.7 times faster when using GPU for conformal arcs. In IMRT, AAA was faster, but the relationship reversed with GPU, where AXB became 1.6 times faster. However, for the 3D technique, AXB with GPU took twice as long as AAA. The results demonstrate that AAA fails near high-density interfaces, while AXB proved to be an excellent alternative not only for low-density regions, such as in lung treatments cited in the literature and verified in this study, but also for cases involving prostheses and implants. The findings support the adoption of Acuros XB as a valuable tool in treatment planning, ensuring the safety and effectiveness of radiotherapy procedures for patients.