RECONSTRUCTION OF PHOTON ENERGY SPECTRA FROM CLINICAL PERCENTAGE DEPTH-DOSE CURVES USING TIKHONOV REGULARIZATION AND GENERALIZED SIMULATED ANNEALING

RECONSTRUCCIÓN DEL ESPECTRO DE ENERGÍA DE FOTONES A PARTIR DE CURVAS CLÍNICAS DE DOSIS PORCENTUAL EN PROFUNDIDAD MEDIANTE REGULARIZACIÓN DE TIKHONOV Y GENERALIZED SIMULATED ANNEALING

The primary objective of this study is to reconstruct the energy spectrum from three linear accelerators (LINACs) using experimental measurements of the percentage depth dose (PDD) curve. The experimentally obtained percentage depth dose curves were used to solve the Fredholm integral equation. The photon beam spectra are related to radiation doses through a Fredholm integral equation, utilizing the generalized simulated annealing optimization method. The resulting spectrum was used to simulate an irradiation reference condition as recommended by TRS-398. The Monte Carlo codes PENELOPE and TOPAS were employed to create the simulation scenario under reference conditions (10 x 10 cm² field size, 100 cm SSD, and 30 x 30 x 30 cm³ water phantom) for 6 MV photon beams.  The calculated spectra from the three LINACs demonstrated a remarkable level of concordance, achieving up to 99% agreement. The validation of the reconstructed spectrum was carried out by comparing it with the PDD and beam profile curves, revealing a highly favorable correspondence in their behavior. A comprehensive analysis compared the experimentally acquired PDDs with those simulated using the reconstructed spectrum. Parameters such as the entrance dose and   were derived from the PDD curves for evaluation. Upon conducting a thorough comparison of these parameters with the experimental dataset, noticeable deviations of 10 % (entrance dose), and 3 % ( ).  Beam profile comparisons across field size dimensions revealed differences ranging from 0.5% to 5.3%. The present study encompassed the reconstruction of the photon beam spectrum originating from LINACs, revealing a noteworthy level of agreement among them. The validation of the Fredholm integral equation by utilizing two simulation codes, as facilitated by the analysis of the PDD and beam profile curves, revealed substantial disparities within the region leading up to the build-up point. This reconstructed spectrum holds considerable potential for simulation scenarios within radiotherapy applications. This significance is particularly underscored by the challenges associated with acquiring comprehensive data from manufacturers of LINACs, which impedes access to crucial information regarding the constituents of these accelerators.

El objetivo principal de este estudio es reconstruir el espectro de energía de tres aceleradores lineales (LINACs) utilizando mediciones experimentales de la curva de dosis en profundidad porcentual (PDD). Las curvas del porcentaje de dosis en profundidad obtenidas experimentalmente se utilizaron para resolver la ecuación integral de Fredholm. Los espectros de los haces de fotones están relacionados con las dosis de radiación a través de una ecuación integral de Fredholm, utilizando el método de optimización de recocido simulado generalizado. El espectro resultante se empleó para simular una condición de irradiación de referencia según lo recomendado por el TRS-398. Los códigos de Monte Carlo PENELOPE y TOPAS se utilizaron para crear el escenario de simulación en condiciones de referencia (tamaño de campo de 10 x 10 cm², SSD de 100 cm y un fantoma de agua de 30 x 30 x 30 cm³) para haces de fotones de 6 MV. Los espectros calculados de los tres LINACs demostraron un notable nivel de concordancia, alcanzando hasta un 99% de acuerdo. La validación del espectro reconstruido se llevó a cabo comparándolo con las curvas de PDD y los perfiles del haz, revelando una correspondencia altamente favorable en su comportamiento. Se realizó un análisis comparativo entre las PDD adquiridas experimentalmente y aquellas simuladas con el espectro reconstruido. Se derivaron parámetros como la dosis de entrada y el  a partir de las curvas de PDD para su evaluación. Al comparar estos parámetros con los datos experimentales, se observaron desviaciones notables del 10% (dosis de entrada) y del 3% ( ). Las comparaciones de perfiles del haz en diferentes tamaños de campo revelaron diferencias que oscilaron entre el 0.5% y el 5.3%. Este estudio abarcó la reconstrucción del espectro del haz de fotones originado en LINACs, mostrando un nivel significativo de concordancia entre ellos. La validación de la ecuación integral de Fredholm mediante la utilización de dos códigos de simulación, a través del análisis de las curvas de PDD y del perfil del haz, reveló discrepancias sustanciales en la región build-up. El espectro reconstruido tiene un considerable potencial para la simulación de escenarios en aplicaciones de radioterapia. Esta relevancia se ve particularmente resaltada por los desafíos asociados con la obtención de datos detallados de los fabricantes de LINACs, lo que dificulta el acceso a información crucial sobre los componentes de estos aceleradores.