Development of a mouse computational model for MCNPx based on Digimouse (r) images and dosimetric assays

ABSTRACT The aim of this study was to create and test a new mice 3D-voxel phantom named DM_BRA for mice and human first-estimation radiopharmaceutical dosimetry. Previously, the article reviews the state-of-art in animal model development. Images from Digimouse CT database were used in the segmentation and on the generation of the voxelized phantom. Simulations for validation of the DM_BRA model was performed at 0.015, 0.1, 0.5, 1 and 4 MeV photons with heart-source. Specific Absorbed Fractions (SAF) data were compared with literature data. The organ masses of DM_BRA correlated well with existing models based on the same dataset; however, few small organ masses hold significant variations. The SAF data in most simulated cases were statistically equal to a significant level of 0.01 to the reference data.

Dosimetria comparativa de braquiterapia de próstata com sementes de I-125 e Pd-103 via SISCODES/MCNP / Comparative dosimetry of prostate brachytherapy with I-125 and Pd-103 seeds via SISCODES/MCNP

OBJETIVO: O presente artigo visa apresentar um estudo dosimétrico comparativo de braquiterapia de próstata com sementes de I-125 e Pd-103. MATERIAIS E MÉTODOS: Um protocolo adotado para ambos os implantes com 148 sementes foi simulado em um fantoma tridimensional heterogêneo de pelve por meio dos códigos SISCODES/MCNP5. Histogramas dose-volume na próstata, bexiga e reto, índices de doses D10, D30, D90, D0,5cc, D2cc e D7cc, e representações de distribuição espacial de dose foram avaliados. RESULTADOS: A atividade inicial de cada semente de I-125, para que D90 seja equivalente à dose de prescrição, foi calculada em 0,42 mCi, e de Pd-103, em 0,94 mCi. A dose máxima na uretra foi 90% e 108% da dose de prescrição para I-125 e Pd-103, respectivamente. A D2cc para I-125 foi 30 Gy no reto e 127 Gy na bexiga, e para Pd-103 foi 29 Gy no reto e 189 Gy na bexiga. A D10 no osso do púbis foi 144 Gy para I-125 e 66 Gy para Pd-103. CONCLUSÃO: Os resultados indicam que os implantes de Pd-103 e I-125 puderam depositar a dose prescrita no volume alvo. Entre os achados, observou-se excessiva exposição de radiação nos ossos da pelve, principalmente no protocolo com I-125.

OBJECTIVE: The present paper is aimed at presenting a comparative dosimetric study of prostate brachytherapy with I-125 and Pd-103 seeds. MATERIALS AND METHODS: A protocol for both implants with 148 seeds was simulated on a heterogeneous three-dimensional pelvic phantom by means of the SISCODES/MCNP5 codes. Dose-volume histograms on prostate, rectum and bladder, dose indexes D10, D30, D90, D0.5cc, D2cc and D7cc, and representations of the spatial dose distribution were evaluated. RESULTS: For a D90 index equivalent to the prescription dose, the initial activity of each I-125 seed was calculated as 0.42 mCi and of Pd-103 as 0.94 mCi. The maximum dose on the uretra was 90% and 108% of the prescription dose for I-125 and Pd-103, respectively. The D2cc for I-125 was 30 Gy on the rectum and 127 Gy on the bladder; for Pd-103 was 29 Gy on the rectum and 189 Gy on the bladder. The D10 on the pubic bone was 144 Gy for I-125 and 66 Gy for Pd-103. CONCLUSION: The results indicate that Pd-103 and I-125 implants could deposit the prescribed dose on the target volume. Among the findings of the present study, there is an excessive radiation exposure of the pelvic bones, particularly with the I-125 protocol.

Simulação e análise dosimétrica de protonterapia e íons de carbono no tratamento do melanoma uveal / Simulation and dosimetric analysis of proton and carbon ion therapy in the treatment of uveal melanoma

OBJETIVO: Este artigo apresenta a avaliação dosimétrica da radioterapia por íons de carbono em comparação à protonterapia. MATERIAIS E MÉTODOS: As simulações computacionais foram elaboradas no código Geant4 (GEometry ANd Tracking). Um modelo de olho discretizado em voxels implementado no sistema Siscodes (sistema computacional para dosimetria em radioterapia) foi empregado, em que perfis de dose em profundidade e curvas de isodose foram gerados e superpostos. Nas simulações com feixe de íons de carbono, distintos valores de energia do feixe foram adotados, enquanto nas simulações com feixe de prótons os dispositivos da linha de irradiação foram incluídos e diferentes espessuras do material absorvedor foram aplicadas. RESULTADOS: As saídas das simulações foram processadas e integradas ao Siscodes para gerar as distribuições espaciais de dose no modelo ocular, considerando alterações do posicionamento de entrada do feixe. Os percentuais de dose foram normalizados em função da dose máxima para um feixe em posição de entrada específica, energia da partícula incidente e número de íons de carbono e de prótons incidentes. CONCLUSÃO: Os benefícios descritos e os resultados apresentados contribuem para o desenvolvimento das aplicações clínicas e das pesquisas em radioterapia ocular por íons de carbono e prótons.

OBJECTIVE: The present paper addresses the dosimetric evaluation of carbon ion radiotherapy as compared with proton therapy. MATERIALS AND METHODS: Computer simulations were undertaken with the Geant4 (GEometry ANd Tracking) code. An eye model discretized into voxels and implemented in the Siscodes system (computer system for dosimetry in radiation therapy) was utilized to generate and superimpose depth dose profiles and isodose curves. Different values for beam energy were adopted in the simulations of carbon ion beams, while in the simulation with proton beams irradiation line devices were included with different absorbing material thicknesses. RESULTS: The simulations outputs were processed and integrated into the Siscodes to generate the spatial dose distribution in the eye model, considering changes in the beam entrance position. The dose rates were normalized as a function of the maximum dose for a beam at a specific entrance position, incident particle energy and number of incident carbon ions and protons. CONCLUSION: The described benefits together with the presented results contribute to the development of clinical applications and researches on carbon ion and proton therapy.

Sistema computacional para dosimetria de nêutrons e fótons baseado em métodos estocásticos aplicado a radioterapia e radiologia / Stochastic method-based computational system for neutron/photon dosimetry applied to radiotherapy and radiology

OBJETIVO: Este artigo mostra um procedimento de conversão de imagens de tomografia computadorizada ou de ressonância magnética em modelo de voxels tridimensional para fim de dosimetria. Este modelo é uma representação personalizada do paciente que pode ser usado na simulação, via código MCNP (Monte Carlo N-Particle), de transporte de partículas nucleares, reproduzindo o processo estocástico de interação de partículas nucleares com os tecidos humanos. MATERIAIS E MÉTODOS: O sistema computacional desenvolvido, denominado SISCODES, é uma ferramenta para planejamento computacional tridimensional de tratamentos radioterápicos ou procedimentos radiológicos. Partindo de imagens tomográficas do paciente, o plano de tratamento é modelado e simulado. São então mostradas as doses absorvidas, por meio de curvas de isodoses superpostas ao modelo. O SISCODES acopla o modelo tridimensional ao código MCNP5, que simula o protocolo de exposição à radiação ionizante. RESULTADOS: O SISCODES vem sendo utilizado no grupo de pesquisa NRI/CNPq na criação de modelos de voxels antropomórficos e antropométricos que são acoplados ao código MCNP para modelar braquiterapias e teleterapias aplicadas a tumores em pulmões, pelve, coluna, cabeça, pescoço, e outros. Os módulos atualmente desenvolvidos no SISCODES são apresentados junto com casos exemplos de planejamento radioterápico. CONCLUSÃO: O SISCODES provê de maneira rápida a criação de modelos de voxels personalizados de qualquer paciente que podem ser usados em simulações por códigos estocásticos tipo MCNP. A combinação da simulação via MCNP com um modelo personalizado do paciente traz grandes melhorias na dosimetria de tratamentos radioterápicos.

OBJECTIVE: The present paper describes a procedure for conversion of computed tomography or magnetic resonance images into a three-dimensional voxel model for dosimetry purposes. Such model is a personalized representation of the patient that can be utilized in nuclear particle transport simulations by means of the MCNP (Monte Carlo N-Particle) code, reproducing the stochastic process of nuclear particles interaction with human tissues. MATERIALS AND METHODS: The developed computational system - SISCODES - is a tool designed for 3D planning of radiotherapy or radiological procedures. Based on tomographic images of the patient, the treatment plan is modeled and simulated. Then, the absorbed doses are shown by means of isodose curves superimposed on the model. The SISCODES couples the threedimensional model with the MCNP5 code, simulating the protocol of exposure to ionizing radiation. RESULTS: The SISCODES has been utilized by the NRI/CNPq in the creation of anthropomorphic and anthropometric voxel models which are coupled with the MCNP code for modeling brachytherapy and teletherapy applied to lung, pelvis, spine, head and neck tumors, among others. The current SISCODES modules are presented together with examples of cases of radiotherapy planning. CONCLUSION: The SISCODES provides a fast method to create personalized voxel models of any patient which can be used in stochastic simulations. The combination of the MCNP simulation with a personalized model of the patient increases the dosimetry accuracy in radiotherapy.