Monte-Carlo simulation of the Siemens Artiste linear accelerator flat 6 MV and flattening-filter-free 7 MV beam line

Abstract

There have been a number of Monte Carlo studies of clinical linear accelerators in the past years but only few of them focused on flattening filter free beams and a small handful of them consider a Siemens linear accelerator. The aim of this work is to provide the up-to-now missing information on the Siemens Artiste FFF 7 MV beam line using a Monte-Carlo model fit to the realistic dosimetric measurements at the linear accelerator in clinical use at our department. The main Siemens Artiste 6 MV and FFF 7 MV beams were simulated using the Geant4 toolkit. The simulations are compared with the measurements with an ionization chamber in a water phantom to verify the validation of simulation and tune the primary electron parameters. Hereafter, other parameters such as surface dose, spectrum, symmetry, flatness/unflatness, slope, and characteristic off-axis changes are discussed for both Flat and FFF mode. Fine-tuning the electron beam parameters and of the flattening filter were the most important challenges in this simulation, because these parameters verify the validity of the simulation after creating the geometry. In contrast to other vendors (Varian or Elekta), the Siemens implementation increases the incident electron beam energy for the FFF beam line to create closely similar depth-dose curves for the flat 6 MV and FFF 7 MV beams. Therefore, the mean electron energy for the FFF beam was 8.8 MeV and 7.5 MeV for flat 6 MV, the spread energy and spot size of the selected Gaussian distribution source were 0.4 MeV and 1mm, respectively. There is good agreement between calculation and experimental results; the absolute differences were less than 2% and in the most cases less than 1%. The dose rate of the FFF beam was 2.8 (2.96) times higher than for the flattened beam for a field size of 10×10 (20×20) cm2. The penumbra, surface dose and the mean energy of photons decreased by removing the flattening filter. Finally, the results show that the off-axis changes had no strong effect on the mean energy of FFF beams and this effect was even more considerable for the flattened beam

Verschiedene Studien haben Monte Carlo Simulationen für klinische Linearbeschleuniger durchgeführt, allerdings waren nur die wenigsten davon auf flächungsfilterfreie (FFF) Energien ausgelegt. Speziell die an den Siemens Linearbeschleunigern verwendete Implementierung der FFF Technik wurde bisher noch nicht mit Monte-Carlo-dosimetrischen Methoden untersucht. Das Ziel dieser Arbeit ist es, diese bisher fehlenden Informationen für eine Siemens Artiste FFF 7 MV Modalität bereitzustellen, unter Verwendung eines Monte Carlo Models, welches an reale dosimetrische Messungen an einem Linearbeschleuniger in klinischer Nutzung an unserer Einrichtung angepasst wurde. Die Hauptenergien der Siemens Artiste Maschine, 6 MV und FFF 7 MV, wurden mit dem Geant 4 Toolkit simuliert. Diese Simulationen wurden mit Messungen verglichen, die mit einer Ionisationskammer im Wasserphantom aufgenommen wurden, um die Validität der Simulation zu verifizieren und die Parameter für die Primärelektronen einzustellen. Im Anschluss werden andere Parameter wie die Oberflächendosis, das Spektrum, die Symmetrie, die flatness bzw. unflatness, die Steigung und die charakteristischen off-axis Veränderungen sowohl für den flachen, als auch den FFF Modus diskutiert. Die Feinabstimmung der Elektronenstrahlparameter sowie des Ausgleichsfilters waren die größten Herausforderungen dieser Simulation. Im Gegensatz zu anderen Anbietern (Varian oder Elekta, wird bei Siemens die Strahlenergie für den FFF Modus erhöht, um annähernd gleiche Tiefendosiskurven für 6 MV und FFF 7 MV Photonen zu erhalten. Aus diesem Grund war die mittlere Elektronenenergie für die FFF-Modalität 8,8 MeV und für 6 MV 7,5 MeV. Die Energiebreite und Spotgröße der gewählten Gaußschen Quelle waren 0,4 MeV und 1 mm. Die Übereinstimmung zwischen den Berechnungenund den experientellen Ergebnissen war sehr gut; die absoluten Unterschiede betrugen weniger als 2%, in den meisten Fällen sogar weniger als 1%. Die Dosisrate des FFF Strahls war 2,8 (2,96)- mal höher als die des flachen Strahls für eine Feldgröße von 10×10 (20×20) cm2. Der Halbschatten, die Oberflächendosis und die mittlere Energie der Photonen wurden durch die Entfernung des Flächungsfilters verringert. Schlussendlich zeigen die Ergebnisse, dass die off-axis Änderungen keinen starken Effekt auf die Strahlenergie der FFF Modalität haben, wobei dieser Effekt deutlich bedeutender für den flachen Strahl war.