Summary
Ett växande antal strålterapi enheter erbjuder fördelen av att leverera dosen genom små strålar till tumören, vilket möjliggör ökad överensstämmelse och högre doser per fraktion. Många olika detektorer kan användas för dosimetri av dessa små områden. I den aktuella studien, är effekten av jon rekombination undersökts för en vätske jonisering kammare med hjälp av en stereotaktisk strålterapi systemet.
Abstract
De flesta moderna strålbehandlingsenheter tillåta användning av mycket små områden, antingen genom beamlets i Intensitet-strålterapi (IMRT) eller via stereotaktisk strålterapi där positioneringsnoggrannhet medger att leverera mycket höga doser per fraktion i en liten volym av patienten. Dosimetriska mätningar på medicinska acceleratorer konventionellt realiseras med hjälp av luftfyllda joniseringskamrar. Men i små balkar dessa är föremål för nonnegligible störningseffekter. Denna studie fokuserar på flytande joniseringskamrar, som erbjuder fördelar i fråga om rumslig upplösning och lågt inflytande störning. Ion rekombination effekter utreds för microLion detektorn (PTW) används med Cyberknife systemet (Accuray). Metoden består i att utföra en serie vattentank mätningar vid olika källjordiska avstånd, att utföra korrigeringar av de flytande detektoravläsning bygger på samtidiga gasformiga mätningar detektor. Detta tillvägagångssätt facilitates isolera rekombination effekter av den höga densiteten för vätskekänsliga mediet och erhålla korrektionsfaktorer som gäller för detektor avläsningar. Den största svårigheten ligger i att uppnå en tillräcklig grad av exakthet i setup för att kunna detektera små förändringar i kammaren svar.
Introduction
Dosimetri inom strålterapi har utförts med hjälp av gasformiga joniseringskamrar i många år. Dessa detektorer fungerar bra så långt som "konventionell" strålbehandling är berörda, det vill säga stora homogena (eller långsamt varierande) fält används. Men många nya enheter, t.ex. CyberKnifen (Figur 1)-systemet studerades i detta arbete, erbjuder möjligheten att använda mycket små områden (ner till 5 mm). Andra enheter producera mycket modulebalkprofiler såsom i Intensitet-strålterapi (IMRT). Konventionella luftfyllda detektorer är inte väl lämpad för dessa tekniker 1; i syfte att nå en acceptabel rumslig upplösning volymen av håligheten skulle behöva minskas till en storlek där kammaren svar skulle bli för låg. Dioder ger fördelen av mindre känsliga volymer och de används i stor utsträckning i liten stråle dosimetri. Men de presenterar andra begränsningar, t.ex. spridning effekterhärrör från deras metalliska skärm 12,13.
I en flytande joniseringskammaren 2 (LIC), är jonisering densitet mycket högre och således en minskning av den känsliga volymen är möjligt utan att kompromissa med detektorrespons. Dessutom det känsliga mediet har en täthet nära den för vatten, vilket minskar fluensen störningar associerade med en lufthålighet. Dessa aspekter gör LIC en intressant kandidat för liten stråle dosimetri 3-5.
Det finns dock vissa frågor att ta itu med innan du kan utföra rutinmässiga mätningar dosimetriska med låginkomstländerna. För det första på grund av den högre jonisering densitet de rekombinationsställen effekter är viktigare än i luftfyllda kamrar 6-8. Rekombination kan antingen vara initial (en elektron rekombinerar med sin mamma ion) eller allmän (två joner som kommer från olika jonisering händelser rekombinerar). Det senare är beroende av den dosrat som infaller på detektom; thans sätt att relativ dos mätningar (dvs. dos profiler, procentuell djupdoser, utgångsfaktorer) potentiellt kan genomgå avvikelser på grund av förändringen i dosrat. Rekombination kännetecknas av effektivitet allmän samling, definierat som förhållandet mellan den uppmätta laddningen till laddningen producerad av den infallande strålningen och utströmmande initiala rekombination: f = 0 Q C / Q. I gasformiga detektorer rekombination effekter utvärderas med hjälp av två spänningsmetoden från teorin om Boag 9,10, vilket inte kan tillämpas i låginkomstländerna 11.
Ett alternativ kan hittas i användningen av två-doshastigheten metod 8, som består av att variera doseringshastigheten för att isolera påverkan av allmän rekombination och mäta effektiviteten allmän samling genom relationen 
där u är defined som 
med α är den rekombination koefficienten, Q 0 mängden laddning som flyr inledande rekombination, h elektrodseparation, e det elementära laddning, V den känsliga volymen av kammaren, k 1 och k 2 rörligheten hos de positiva och negativa laddningar, och U den pålagda spänningen. Genom att mäta vid olika doser per puls är det möjligt att erhålla parametern u och därmed effektiviteten i insamlingen, f. Dosen per puls ges av förhållandet 
Alla mätningar utförs vid referensförhållanden Cyberknife (Källa-Surface Avstånd SSD = 78.5 cm, 1,5 cm djup, 60 mm kollimator). Användningen av en stor kollimator allows undvika volymeffekter förknippade med små strålar. Med tanke på dosraten är 800 MU / min och repetitionsfrekvensen är 150 Hz, resulterar detta i en dos på 0,89 mGy / puls (vid referensförhållandena, motsvarar 1 MU till en dos av 1 cGy). När pulsrepetitionsfrekvensen hålls konstant, den dos per puls endast är avhängigt av dosraten i Gy / min, vilket är relaterat till SSD genom invers-kvadratavståndet lag: 
för två SSD d 1 och d 2.
Protocol
1. Experimentuppställning (figur 2)
(Utförs 1 timme innan de första mätningarna för att stabilisera temperaturdetektor och högspänningskällan.)
- Placera vattentanken under behandlingshuvudet, med tanke på att SSD måste ökas upp till 200 cm. Tanken Därför bör placeras så lågt som kan uppnås, beroende på takhöjd.
- Rikta vattentanken med linjäracceleratorn (dess vertikala sidor måste vara parallell med de vertikala sidorna av huvudet). Lasern kan användas för att se till att inriktningen är korrekt; detta förfarande beskrivs i detalj i den Physics guide 14 av systemet.
- Verifiera den vertikala orienteringen av den linjära acceleratorn genom att utföra x-och y-profilmätningar på två olika djup, computing balken deklination och korrigering med hjälp av rotationsaxlarna av huvudet (se Physics guide).
- Byt kollimatorn med telemeter tillbehör, och använda den för att accurbart placera huvudet på 78,5 cm SSD. Spetsen på tillbehöret ska knappt vidröra vattenytan.
- Ta av telemeter och placera 60 mm kollimator på behandlingshuvudet.
- Placera LIC referenspunkten vid 1,5 cm djup i ett vertikalt läge, det vill säga med axeln hos den cylindriska kaviteten parallella med strålriktningen. Detta resulterar i ett avstånd av 80 cm mellan källan och detektorn. Använd laser för att positionera LIC vid centrum av strålen i den laterala riktningen.
- Placera en 0,125 cm 3 luftfyllda joniseringskammare (AIC) bredvid LIC att kunna korrigera för dämpning, avstånd och scatter effekter.
- Anslut LIC och högspänningstillförseln till elektrometern och ställ in spänningen till 800 V. Anslut AIC till en annan elektrometern och ställ in spänningen till 400 V. Sedan vänta 1 timme för stabilisering.
- För att säkerställa riktigheten av positioneringsdetektor sidled, utför profilmätningar ibåde tvärgående riktningar och rätta till noll i LIC behov.
- Se till upprepningshastigheten av linac är fast (nominellt värde = 150 Hz).
2. Mätningar
- Först leverera en förut strålningsdos om 3000 monitor enheter (ME) för att stabilisera den LIC respons. Utför sedan en nolla i electro.
- För att bedöma läckström och stabilitet, utföra en serie laddnings förvärv med strålen av för en löptid som motsvarar den för mätningarna (7,5 sek för 100 MU). Jämför det medelvärdet för de uppmätta värdena med balken på. En typisk läck laddning på mindre än 0,03% av det minsta värdet mäts med balken på kan anses vara försumbara.
- Placera behandlingshuvudet på 58,5 cm SSD: använd fjärrkontrollen i kartesiska läge och helt enkelt göra en 20 cm rörelse i z-riktningen.
- Lämnar behandlingsrummet, stänga dörren och programmera en bestrålning av 100 MU vidoperatörskonsolen. Börja sedan båda electro, leverera dosen och notera de avgifter som mäts av LIC och AIC
. - Upprepa proceduren 10 gånger för att kunna bedöma statistiska osäkerheter.
- Efter tio mätningar, in i rummet och flytta behandlingshuvudet till nästa position (68,5 cm SSD). Sedan upprepar du steg 2.4 och 2.5.
- När huvudet flyttas längre bort från tanken på avståndet mellan mätpunkterna kan ökas eftersom avgiften varierar efter den omvända-kvadrat avstånd lag. Tabell 1 ger ett exempel på en lista med mätpunkter, tillsammans med motsvarande dos per puls.
. 
Tabell 1. Lista över mätpunkter för två doserräntemetoden (A och B) med motsvarande doser per puls.
3. Analys
Två metoder kan användas för att analysera data.
Metod A
- För varje avstånd d, ta förhållandet på varje uppmätt LIC värde med motsvarande AIC värdet erhållet på samma avstånd,
. - Plotta nyckeltal mot dosen per puls och använder en linjär anpassning för att få den extrapolerade uppgick vid noll dos per puls, R 0.
- Med antagandet att effektiviteten samlingen är lika med 1 vid 0 mGy / puls, normalisera alla nyckeltal som beräknas i steg 3.A.1 till det extrapolerade värdet från föregående steg för att erhålla värden för f (dvs. skala varje förhållandet en faktorså att k R 0 = 1).
- Plotta värdena av f mot värdet av den dos per puls för att representera utvecklingen av uppsamlingseffekten. Felstaplarna kan beräknas genom att sprida osäkerheten på LIC och AIC avgifter utvärderats från de upprepade mätningar på varje distans.
. Metod B
- Ta nyckeltal
av LIC avläsningar på 200 cm (198,5 cm SSD) och 60 cm (58,5 cm SSD), och de AIC avläsningar, . - Numeriskt lösa ekvationen nedan för u 200.
- Injicera Värdet u 200 i följande förhållande för att erhålla den uppsamlingseffektivitet, fpå 200 cm avstånd.
- Verkningsgraden kan beräknas med användning av de förhållanden med andra avstånd än 60 cm, så länge laddningsförhållandet är högre än 3. Denna procedur tillåter testning av osäkerheten på de beräknade u och f-värden.
- Beräkna värde på u för alla mätpunkter, med användning av följande relation (välja avstånden så att
) 
- Beräkna alla avskiljningsgrader, f d, från relationen
- Plotta värdena av f mot värdet av dosen per puls till represent evolutionen av uppsamlingseffekten. Felstaplarna kan beräknas genom att sprida osäkerheten på LIC och AIC avgifter utvärderats från de upprepade mätningar på varje distans.
av LIC avläsningar på 200 cm (198,5 cm SSD) och 60 cm (58,5 cm SSD), och de AIC avläsningar, 
) 
Representative Results
I fig. 3 insamlingseffektivitet f erhållen från metod A är avsatt mot den dos per puls, som sträcker sig från 0 till 1,6 Gy / puls när en förlust 2% i signal kan ses. De punkter som följer ett linjärt beteende. Felstaplarna visar viktiga osäkerhetsfaktorer som verkar inneboende till metoden och kan minskas avsevärt med hjälp av metod B. Det är också värt att notera att AIC svaret på denna metod antas genomgå några rekombination effekter, vilket inte nödvändigtvis är helt sant . För att verifiera detta kan man helt enkelt utföra liknande mätningar med användning av AIC ensam i en uppbyggnad lock (inget vatten tank) och korrigera för den omvända kvadratavståndet; små avvikelser kan observeras och inkluderas i osäkerheten värden.
Figur 4 visar insamling effektiviteten beräknad från den andra metoden (B). Det visar sig vara mer exakt, och har fördelen av att ge absoluta värden för f.. Den deviAvvikelser från det linjära beteende är små och förlusten i signalen är något lägre än med metod A.
Som en direkt tillämpning av metod B, kan faktorer beräknas för att korrigera för allmän rekombination vid en given dos per puls, genom att helt enkelt ta inversen av uppsamlingseffekten, f. Då dessa faktorer kan tillämpas på relativa mått djup dos. Figur 5 visar relativ djupdosen mätt med en diod (som inte omfattas av rekombination effekter) och med LIC före och efter rekombination korrigering. När kurvorna är normaliserade på ett djup av 240 mm (där rekombination effekter försvinna), de sammanfaller, vilket innebär att de korrigeringar som kompenserar för rekombination effekter i uppbyggnaden området (där dosen per puls och därmed korrektionsfaktorer är den högsta). Detta tyder på att de beräknade korrektionsfaktorer är korrekta och kan fungera som en validering av den två-dosrat metoden.
Figur 1. Cyberknife sytem. En vy av Cyberknife systemet som används för mätningarna, med gaspedalen huvudet nedåt. Vattentanken kan antingen placeras på golvet, eller på robot soffan synliga på baksidan av rummet, beroende på det tillgängliga utrymmet ovanför huvudet.
Figur 2. Experimentuppställning. Installations representeras här med AIC och LIC placerade bredvid varandra inne i vattenbehållaren (1,5 cm djup), i mitten av balken, som är riktad nedåt. Pilarna indikerar gaspedalen huvudrörelse mellan varje serie av mätningar, som börjar på 60 cm avstånd (58,5 cm SSD) och slutar vid 200 cm (198,5 cm SSD).
Figur 3. Allmänt uppsamlingseffektivitet, metod A. Diagram över utvecklingen av det allmänna samlingseffektivitet, f, med avseende på den dos per puls (i Gy / puls), som erhållits från metod A.
Figur 4. Allmänt insamlingseffektivitet, ritas metod B. Allmänt insamlingseffektivitet mot dosen per puls, efter resultat från metod B.
Figur 5. Ansökan till relativa mätningar djup dos. Den relativa djup dos erhållits från mätningarna diod visas i blått.Resultaten från LIC mätningarna representeras av den röda (okorrigerat) och gula (korrigerade) kurvor. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Discussion
De metoder som presenteras ovan tillåter utvärdera rekombination effekter i en LIC över ett stort antal doser (0,14 till 1,58 mGy / puls). Metod A är enkel men är förknippad med flera osäkerheter än metod B, vilket ger ganska exakt (och absoluta) värden för uppsamlingseffektiviteten, f.. Rekombination svarar för cirka 2% förlust i signalen över hela området undersökts, men detta område är större än vad som brukar spännas under rutinmässiga mätningar. Det största felet på en utgångsfaktor är 0,35%, och den når 1% för en mätning procentdjupdosen som visades i avsnittet resultat.
Den avgörande faktor för att genomföra protokollet är den första installationen av experimentet, eftersom alla mätningar utförs i förhållande till utgångsläget i behandlingshuvudet. Således bör man vara försiktig med en noggrann mätning av den initiala SSD att kunna relatera detektoravläsningarna till varjedos per puls. Detta gäller också för placering av detektorn i vattnet; försiktighet bör vidtas för att den effektiva mätpunkten (belägen 1 mm bakom ingångsfönster i fallet med den microLion detektor) är placerad vid 1,5 cm under vattenytan. Den 1 hr dröjsmål och före strålningsdos är också viktigt för att stabilisera 800 V matning och temperaturen.
Den repetitionsfrekvens linjäracceleratorn direkt påverkar dos per puls. Vid 800 MU / min och med en frekvens på 150 Hz, dosen per puls är 0,89 mGy / puls. Denna frekvens bör fastställas för alla mätningar för att se till att avståndet är den enda variabel faktor som har inverkan på den dos per puls. Metoden kan användas i fallet med en kontinuerlig stråle med vissa anpassningar 7. Å andra anordningar där SSD inte kan varieras genom att direkt flytta behandlingshuvudet kan den repetitionshastighet modifieras för att införa den dos per puls variation. Om denna parameter ärfast också, kan SSD fortfarande ändras genom att flytta LIC och vattenytan i tanken, men riktigheten i denna strategi skulle sannolikt vara lägre än behandlingshuvudrörelse som används i denna studie.
Nästa steg i karakteriseringen av LIC för dess användning i små fält dosimetri är att undersöka andra faktorer som inducerar störning av svaret, som materialen i detektorn och volymeffekten (dvs. att den känsliga volymen inte liten i förhållande till dimensionerna hos balken). Detta är möjligt med hjälp av Monte Carlo-simuleringar 5. Med dessa aspekter beaktas, kan globala korrektionsfaktorer tillämpas på LIC avläsningar som erhållits i kliniska rutinmätningar (output faktorer, procent djup doser, dos profiler) för att till fullo eliminera störningar.
Efter fullständig karakterisering och korrigering av dessa perturbating effekter, than LIC kan användas som en extra detektor för liten stråle dosimetri, tillåter oberoende kontroll av profiler, procentdjupdoser och utgångsfaktorer som mäts av andra detektorer. Dess mycket hög rumslig upplösning i den längsgående riktning skulle även vara lämpade för dosimetri av rektangulära fält med endast en liten dimension (t.ex. Tomotherapy.)
Disclosures
Författarna har ingenting att lämna ut.
Acknowledgments
Författarna har inga bekräftelser.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| MicroLion chamber | PTW | 31018 | http://www.ptw.de/2263.html |
| Unidos Webline dosimeter | PTW | http://www.ptw.de/unidos_webline_dosemeter_rt0.html | |
| HV supply | PTW | http://www.ptw.de/2265.html | |
| MP3 water scanning system | PTW | http://www.ptw.de/2032.html | |
| 0.125 cm3 SemiFlex chamber | PTW | 31010 | http://www.ptw.de/semiflex_chambers0.html?&cId=6069 |
| Cyberknife | Accuray |
References
- Das, I. J., Din, G. X., Ahnesjö, A. Small fields: non-equlibrium radiation dosimetry. Med. Phys. 35 (1), 206-215 (2008).
- Wickmann, G., Nystrom, H. The use of liquids in ionization chambers for high precision radiotherapy dosimetry. Phys. Med. Biol. 37 (9), 1789-1812 (1992).
- Chung, E., Soisson, E., Seuntjens, J. Dose homogeneity specification for reference dosimetry of nonstandard fields. Med. Phys. 39 (1), 407-414 (2011).
- Francescon, P., Kilby, W., Satariano, N., Cora, S. Monte Carlo simulated correction factors for machine specific reference field dose calibration and output factor measurement using fixed and iris collimators on the Cyberknife system. Phys. Med. Biol. 57 (12), 3741-3758 (2012).
- Wagner, A., Crop, F., Lacornerie, T., Vandevelde, F., Reynaert, N. Use of a liquid ionization chamber for stereotactic radiotherapy dosimetry. Phys. Med. Biol. 58 (8), 2445-2459 (2013).
- Johansson, B., Wickman, G., Bahar-Gogani, J. General collection efficiency for liquid iso-octane and tetramethylsilane in pulsed radiation. Phys. Med. Biol. 42 (10), 1929-1938 (1997).
- Andersson, J., Tölli, H. Application of the two-dose-rate method for general recombination correction for liquid ionization chambers in continuous beams. Phys. Med. Biol. 56 (2), 299-314 (2010).
- Sjgren, R., Wendelsten, M. A two-dose-rate method for general recombination correction for liquid ionization chambers in pulsed beams. Phys. Med. Biol. 55 (15), 4247-4260 (2010).
- Boag, J. W. Ionization measurements at very high intensities: part I. Pulsed radiation beams. Br. J. Radiol. 23 (274), 601-611 (1950).
- Boag, J. W. The saturation curve for ionization measurements in pulsed radiation beams. Br. J. Radiol. 25 (300), 649-650 (1952).
- Stewart, K. J., Elliott, A., Seuntjens, J. P. Development of a guarded liquid ionization chamber for clinical dosimetry. Phys. Med. Biol. 52 (11), 3089-3104 (2007).
- Yin, Z., Hugtenburg, R. P., Beddoe, H. Response corrections for solid-state detectors in megavoltage photon dosimetry. Phys. Med. Biol. 49 (11), 3691-3702 (2004).
- Griessbach, I., Lapp, M., Bohsung, J., Gademann, G., Harder, D. Dosimetric characteristics of a new unshielded silicon diode and its application in clinical photon and electron beams. Med. Phys. 32, 3750-3754 (2005).
- Accuray Inc., Physics Essentials Guide P/N 032515A-ENG. Accuray Inc. , (2010).
