Summary
Et stigende antal enheder strålebehandling har den fordel at levere dosen gennem meget små bjælker til tumoren, giver mulighed for øget overensstemmelse og højere doser pr fraktion. Mange forskellige detektorer kan anvendes til dosimetri af disse små felter. I den foreliggende undersøgelse, er effekten af ion rekombination undersøgt for en flydende ioniseringskammer hjælp af en stereotaktisk strålebehandling system.
Abstract
De fleste moderne udstyr strålebehandling tillader anvendelse af meget små områder, enten gennem beamlets i intensitet-moduleret strålebehandling (IMRT) eller via stereotaktisk strålebehandling hvor positioneringsnøjagtighed muligt at levere meget høje doser pr fraktion i et lille volumen af patienten. Dosimetriske målinger på medicinske acceleratorer konventionelt gennemføres ved luftfyldte ioniseringskamre. Men i små bjælker disse er genstand for nonnegligible perturbationsmetoder effekter. Denne undersøgelse fokuserer på flydende ioniseringskamre, som tilbyder fordele i form af rumlig opløsning og lav fluens forstyrrelse. Ion rekombinationsbegivenheder effekter undersøges for microLion detektor (PTW) bruges med Cyberknife systemet (Accuray). Metoden består i at udføre en serie af vandtank målinger ved forskellige kilde-overflade afstande og anvende korrektioner for flydende detektor aflæsninger baseret på samtidige gasformige detektor målinger. Denne fremgangsmåde facilitaTES isolere rekombinationssitene virkninger af den høje tæthed af det flydende følsomme medium og opnåelse korrektionsfaktorer at gælde for den detektor aflæsninger. Den største vanskelighed er bosat i at opnå en tilstrækkelig grad af nøjagtighed i setup at kunne detektere små ændringer i kammeret respons.
Introduction
Dosimetri i strålebehandling er blevet udført under anvendelse af gasformige ioniseringskamre i mange år. Disse detektorer klarer sig godt så langt som "konventionelle" strålebehandling angår, er nemlig store homogene (eller langsomt varierende) felter anvendes. Men mange nyere apparater, såsom Cyberknife (figur 1)-system undersøgt i dette arbejde, giver mulighed for at bruge meget små marker (ned til 5 mm). Andre enheder producere meget modulerede bjælkeprofiler såsom i intensitet-moduleret strålebehandling (IMRT). Konventionelle luftfyldte detektorer er ikke velegnet til disse teknikker 1; med henblik på at nå frem til en acceptabel rumlig opløsning volumenet af hulrum skulle blive reduceret til en størrelse, hvor kammeret svar ville blive for lav. Dioder har den fordel af mindre følsomme volumener, og de bliver flittigt brugt i lille stråle dosimetri. Men de præsentere andre begrænsninger såsom spredning effektersom følge af deres metalliske afskærmning 12,13.
I en flydende ioniseringskammer 2 (LIC) ionisering massefylde er meget højere, og dermed reduktionen af følsomme volumen er muligt uden at kompromittere detektorrespons. Desuden følsomme medium har en densitet der ligger tæt på vand, hvilket reducerer intensitetsniveauer forstyrrelser forbundet med en luft hulrum. Disse aspekter gør LIC en interessant kandidat til lille stråle dosimetri 3-5.
Der er dog nogle problemer at løse, før de kan udføre rutinemæssige dosimetriske målinger med LIC. Først på grund af den højere ioniseringstæthed rekombinationssitene virkninger er vigtigere end luftfyldte kamre 6-8. Rekombination kan enten være initial (en elektron splejset sin mor ion) eller generelt (to ioner der kommer fra forskellige ionisering begivenheder kombinere). Sidstnævnte er afhængig af dosis indfaldende på sensoren; tsine midler, at den relative dosis målinger (dvs. dosis profiler, doser procent dybde, output faktorer) potentielt kan gennemgå afvigelser på grund af ændringen i dosis. Rekombination er kendetegnet ved den almene opsamlingseffektivitet, defineret som forholdet mellem den målte ladning til ladning produceret af den indfaldende stråling og undslippe indledende rekombination: f = Q C / Q 0. I gasformige detektorer rekombinationsfremgangsmåder effekter evalueres ved anvendelse af to-spænding metode fra teorien om Boag 9,10, som ikke kan anvendes i lavindkomstlandene 11.
Et alternativ kan findes i brugen af to-dosishastighed metode 8, bestående af varierende dosishastigheden at isolere indflydelse af generel rekombination og måle den generelle samling effektivitet gennem relationen 
hvor u er defined som 
med α være rekombination koefficient, Q 0 mængden af afgift, der undslipper indledende rekombination, h elektrode separation, e elementarladningen, V den følsomme volumen af kammeret, k 1 og k 2 mobiliteterne af de positive og negative ladninger, og U den anvendte spænding. Ved at måle ved forskellige doser pr puls er det muligt at opnå parameteren u og dermed opsamlingseffektiviteten f. Dosen impuls er givet ved forholdet 
Alle målinger er foretaget ved standardbetingelser for Cyberknife (Kilde-areal SSD = 78,5 cm, 1,5 cm dybde, 60 mm kollimator). Anvendelsen af et stort kollimator allows undgå volumen effekter forbundet med små bjælker. I betragtning af dosishastigheden er 800 MU / min, og gentagelse frekvens er 150 Hz, resulterer dette i en dosis på 0,89 mGy / puls (ved standardbetingelser, 1 MU svarer til en dosis på 1 cGy). Når pulsrepetitionsfrekvensen holdes konstant, dosis per impuls afhænger kun dosishastigheden i Gy / min, hvilket er relateret til SSD gennem den inverse-squared distance lov: 
for to SSD'er d1 og d2.
Protocol
1.. Forsøgsopstilling (figur 2)
(Udført 1 time forud for de første målinger at stabilisere detektorens temperatur og den høje spænding.)
- Placer vandtanken under behandlingen hovedet, at holde for øje, at SSD vil skulle øges op til 200 cm. Således tanken skal placeres så lavt som muligt, afhængigt af loftshøjde.
- Juster vandtanken med linac (dets lodrette sider skal være parallelle med lodrette sider af hovedet). Laseren kan bruges til at sikre, at retningen er korrekt; denne procedure er beskrevet i fysik vejledning 14 af systemet.
- Kontroller den vertikale orientering af linac ved at udføre x-og y-profil målinger på to forskellige dybder, beregning af strålen deklination og korrigere hjælp rotationsakserne af hovedet (se Fysik vejledning).
- Udskift kollimator med telemeter tilbehør og bruge det til at accurdelbart placere hovedet på 78,5 cm SSD. Spidsen af tilbehøret bør næppe røre vandoverfladen.
- Fjern telemeter og placer 60 mm kollimatoren om behandlingen hovedet.
- Placer LIC referencepunktet 1,5 cm dybde i en lodret stilling, dvs med aksen af det cylindriske hulrum parallelt med bjælken retning. Dette resulterer i en afstand på 80 cm mellem kilden og detektoren. Brug af laseren til at placere LIC i centrum af strålen i den laterale retning.
- Placer en 0.125 cm3 luftfyldte ioniseringskammer (AIC) ved siden af LIC at være i stand til at korrigere for dæmpning, distance og scatter effekter.
- Slut LIC og højspændingen til elektrometret og indstille spændingen til 800 V. Tilslut AIC til en anden elektrometer og indstille spændingen til 400 V. Så vente 1 time til stabilisering.
- For at sikre nøjagtigheden af detektoren lateral positionering, udføre profilmålinger ibåde tværgående retninger og korrigere nul i LIC evt.
- Sørg for, at gentagelse sats for linac er fast (nominel værdi = 150 Hz).
2. Målinger
- Først levere en pre-strålingsdosis på 3.000 monitor enheder (MU) for at stabilisere LIC respons. Derefter udføre en nul af elektrometre.
- At vurdere lækstrøm og stabilitet, udføre en række charge opkøb med bjælken ud for en varighed svarende til det af målingerne (7,5 sek for 100 MU). Sammenlign den gennemsnitlige værdi, der opnås med de værdier, der måles med bjælken på. En typisk lækage afgift på mindre end 0,03% af den mindste målte værdi med bjælken på, kan anses for ubetydelig.
- Placer behandling hovedet på 58,5 cm SSD: bruge fjernbetjeningen i kartesiske tilstand og blot udføre en 20 cm bevægelse i z-retningen.
- Lad behandling værelse, lukke døren og programmere en bestråling på 100 MU vedomstillingsbord. Så starter begge elektrometre, levere dosen og bemærk de afgifter målt ved LIC og AIC
. - Gentag processen 10 gange for at kunne vurdere statistiske usikkerheder.
- Efter ti målinger, kommer ind i lokalet og flytte behandlingen hoved til næste position (68,5 cm SSD). Og gentag derefter trin 2.4 og 2.5.
- Når hovedet er flyttet længere væk fra tanken afstanden mellem målepunkterne kan øges som afgiften varierer efter den inverse-squared afstand lov. Tabel 1 giver et eksempel på en liste over målepunkter, sammen med den tilsvarende dosis pr puls.
. 
Tabel 1.. Liste målepunkter for to dosersats metode (A og B) med de tilsvarende doser pr puls.
3. Analyse
To metoder kan anvendes til at analysere dataene.
Metode A
- For hver afstand d tage forholdet af hver målt LIC værdi med den tilsvarende AIC opnåede værdi i samme afstand,
. - Plot nøgletal mod dosis pr impuls og bruge en lineær egnet til at opnå den ekstrapolerede ratio på nul dosis pr puls, R 0.
- Med den antagelse, at indsamlingen effektivitet er lig med 1 ved 0 mGy / puls, normalisere alle de beregnede nøgletal i trin 3.A.1 til ekstrapoleret værdi fra det foregående trin for at opnå værdier af f (dvs. skala hver ratio med en faktorsåledes at k R 0 = 1).
- Plot værdierne af f mod værdierne af dosis pr impuls til at repræsentere udviklingen af kollektionen effektivitet. Fejlsøjlerne kan beregnes ved formerings usikkerheden på LIC og AIC afgifter vurderes ud fra gentagne målinger på hver distance.
. Fremgangsmåde B
- Tag nøgletal
De LIC aflæsninger ved 200 cm (198,5 cm SSD) og 60 cm (58,5 cm SSD), og de AIC aflæsninger . - Numerisk løse nedenstående ligning for u 200.
- Injicer værdien af u 200 i følgende forhold for at opnå indsamling effektivitet, f200 cm afstand.
- Effektiviteten kan beregnes ved hjælp af forholdene med andre afstande end 60 cm, så længe ladningsforhold er højere end 3. Denne procedure gør det muligt at teste usikkerheden på de beregnede u og f værdier.
- Beregn parameter u for alle målepunkter, ved hjælp af følgende forhold (valg afstande, således at
) 
- Beregn alle indsamling effektivitetsgevinster, f d, fra relationen
- Afbildes værdier for f mod værdierne af dosis pr impuls til represent udviklingen af kollektionen effektivitet. Fejlsøjlerne kan beregnes ved formerings usikkerheden på LIC og AIC afgifter vurderes ud fra gentagne målinger på hver distance.
De LIC aflæsninger ved 200 cm (198,5 cm SSD) og 60 cm (58,5 cm SSD), og de AIC aflæsninger 
) 
Representative Results
I figur 3 opsamlingseffektivitet f opnået fra metode A afbildes mod dosis pr puls, der spænder fra 0 til 1,6 mGy / puls, hvor et tab i signal 2% kan ses. De punkter følger en lineær opførsel. Fejlsøjlerne viser betydelige usikkerhedsmomenter, der synes uløseligt forbundet med metoden og kan reduceres betydeligt med brug af metode B. Det er også værd at bemærke, at AIC svar i denne metode antages at undergå nogen rekombinations effekter, hvilket ikke nødvendigvis er helt rigtigt . For at verificere dette kan man blot udføre lignende målinger ved hjælp af AIC alene i en ophobning hætte (ingen vand tank) og korrekt for den omvendte kvadrat distance; små afvigelser kan observeres og indgår i usikkerhed værdier.
Figur 4 viser opsamlingseffektiviteten beregnet ud fra den anden metode (B). Det viser mere præcist og har den fordel, at den absolutte værdier for f. DEVItioner fra den lineære opførsel er små og tab af signalet er en smule lavere end ved metode A.
Som en direkte anvendelse af metode B, kan faktorer beregnet til at korrigere for generel rekombination ved en given dosis impuls, ved blot at tage den inverse af opsamlingseffektiviteten f. Så disse faktorer kan anvendes relative dosis dybde målinger. Figur 5 viser dosis relative dybde målt med en diode (ikke genstand for rekombinations-effekter) og med LIC før og efter rekombination korrektion. Når kurverne er normaliseret ved en dybde på 240 mm (hvor rekombinations virkninger forsvinder), de falder sammen, hvilket betyder, at de korrektioner kompensere for rekombinations virkninger opbygning (hvor dosis impuls og dermed korrektionsfaktorerne er den højeste). Dette tyder på, at de beregnede korrektionsfaktorer er korrekte og kan tjene som en validering af de to-dosishastigheden metoden.
Figur 1.. Cyberknife sytem. En visning af Cyberknife system, der anvendes til målingerne, med speederen hovedet nedad. Vandtanken kan enten placeres på gulvet eller på robot sofaen synlig på bagsiden af rummet, afhængigt af den tilgængelige plads over hovedet.
Figur 2.. Forsøgsopstillingen. Opsætningen er repræsenteret her med AIC og LIC placeret ved siden af hinanden inde i vandtanken (1,5 cm dybde), i midten af strålen, som er rettet nedad. Pilene angiver speederen hoved bevægelse mellem hver serie målinger, der starter ved 60 cm afstand (58,5 cm SSD) og slutter ved 200 cm (198,5 cm SSD).
Figur 3.. Generel indsamling effektivitet, metode A. Graf af udviklingen i den generelle indsamling effektivitet, f, med hensyn til dosis pr puls (i mGy / puls) opnået fra metode A.
Figur 4.. Generel indsamling effektivitet, metode B. General opsamlingseffektivitet plottet mod dosis pr puls, efter resultaterne fra metode B.
Figur 5.. Anvendelse på relative dosis dybde målinger. Den relative dybde dosis opnået fra diode målingerne er vist i blåt.Resultaterne fra LIC målinger er repræsenteret ved den røde (ikke-korrigeret) og gule (korrigeret) kurver. Klik her for at se en større version af dette tal.
Discussion
De metoder, der præsenteres ovenfor, tillader at evaluere rekombinationssitene effekter i en LIC over et stort udvalg af dosishastigheder (0,14-1,58 mGy / puls). Metode A er enkel, men er forbundet med flere usikkerhedsmomenter end metode B, som giver ret nøjagtige (og absolutte) værdier for indsamling effektivitet, f.. Rekombination er ansvarlig for omkring 2% tab i signal over hele spektret undersøgt, men dette område er større end hvad der normalt strakte sig under rutinemæssige målinger. Den største fejl på et output faktor er 0,35%, og når op på 1% for en måling dosis procent dybde som blev vist i afsnittet om resultater.
Det kritiske element i gennemførelsen af protokollen er den indledende opsætning af eksperimentet, som alle målingerne er udført i forhold til den oprindelige position af behandlingen hovedet. Således bør man være forsigtig med nøjagtig måling af den oprindelige SSD at være i stand til at relatere detektor aflæsninger til hverdosis per impuls. Dette gælder også for placering af detektoren i vandet; der skal sørges for, at den effektive målepunkt (beliggende 1 mm bag indgangen vinduet i tilfælde af microLion detektor) er placeret på 1,5 cm under overfladen. Forsinkelsen 1 time og præ-strålingsdosis det er også afgørende for at stabilisere 800 V forsyning og temperaturen.
Gentagelsen sats af linac direkte påvirker dosis pr puls. Ved 800 MU / min og med en frekvens på 150 Hz, dosis pr puls er 0,89 mGy / puls. Denne frekvens bør fastsættes for alle målinger for at sikre, at afstanden er den eneste variable faktor, der har indflydelse på dosis pr puls. Fremgangsmåden kan anvendes i tilfælde af en kontinuerlig stråle med visse tilpasninger 7. På andre enheder, hvor SSD ikke kan varieres ved direkte at flytte behandling hoved kunne impulsfrekvens modificeres til at indføre dosen impuls variation. Hvis denne parameter erfaste og kan SSD stadig ændres ved at flytte LIC og vandoverfladen i tanken, men nøjagtigheden af denne fremgangsmåde sandsynligvis ville være lavere end den behandling, hoved bevægelse anvendt i den foreliggende undersøgelse.
Det næste skridt i karakteriseringen af LIC til brug for lille felt dosimetri er at undersøge de andre faktorer, der inducerer forstyrrelse af respons, såsom materialer detektoren og volumen effekt (dvs. at den følsomme volumen er ikke lille i forhold til dimensionerne af bjælken). Dette er muligt ved hjælp af Monte Carlo-simulationer 5. Med disse aspekter er taget i betragtning, kan den globale korrektionsfaktorer anvendes til LIC aflæsninger opnået i kliniske rutinemæssige målinger (output faktorer, doser procentvise dybde, dosis profiler) for fuldt ud at fjerne forstyrrelser.
Efter fuldstændig karakterisering og korrektion af disse perturbation effekter, than LIC kan bruges som en ekstra detektor for lille stråle dosimetri, så uafhængig kontrol af profiler, doser procentvise dybde og output faktorer målt ved andre detektorer. Dens meget høj rumlig opløsning i længderetningen vil også være velegnet til dosimetri af rektangulære felter med kun en lille dimension (f.eks tomotherapy.)
Disclosures
Forfatterne har ikke noget at afsløre.
Acknowledgments
Forfatterne har ingen bekræftelser.
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).
