Karakterisering av Rekombinasjon Effects i en flytende Ionization Chamber Brukes for Dosimetri av en radiosurgical Accelerator

Summary

Et økende antall av strålebehandling enheter tilbyr fordelen av å levere dosen gjennom svært små bjelker til svulsten, noe som åpner for økt konformitet og høyere doser per fraksjon. Mange forskjellige detektorer kan brukes til dosimetri av disse små felter. I den foreliggende undersøkelse, er effekten av ion rekombinasjon undersøkt for en flytende ionisering kammer ved hjelp av en stereotaktisk strålebehandling system.

Abstract

De fleste moderne stråle behandlingsanordninger tillater bruk av svært små felt, enten gjennom beamlets i Intensitet-modulert strålebehandling (imrt) eller ved stereotaktisk radioterapi hvor Posisjonseringsnøyaktigheten kan levere meget høye doser per fraksjon i et lite volum av pasienten. Dosimetriske målinger på medisinske akseleratorer er konvensjonelt realiseres med luftfylte ionisering kamre. Men i små bjelker disse er underlagt nonnegligible perturbasjonsmetoder effekter. Denne studien fokuserer på flytende ionisering kamre, noe som gir fordeler i form av romlig oppløsning og lav innflytelse forstyrrelse. Ion rekombinasjon effekter er undersøkt for microLion detektor (AT) brukes med Cyberknife-systemet (Accuray). Fremgangsmåten består i å utføre en serie av vanntank målinger ved forskjellige kilde-overflate avstander, og anvende korreksjoner i de flytende detektoravlesninger basert på samtidige gassformige detektor målinger. Denne tilnærmingen facilitates isolere rekombinasjon effekter som følge av den høye tettheten av væsken sensitive medium og skaffe korreksjonsfaktorer skal gjelde for detektoravlesninger. Den største vanskeligheten ligger i å oppnå en tilstrekkelig grad av nøyaktighet i oppsett for å være i stand til å oppdage små endringer i kammeret respons.

Introduction

Dosimetri i stråleterapi er blitt utført ved hjelp av gassformige ionisering kamre i mange år. Disse detektorer gir gode resultater så langt som "konvensjonell" strålebehandling er opptatt, dvs. store homogene (eller langsomt varierende) feltene brukes. Men mange nyere enheter, for eksempel Cyberknife (figur 1) system studert i dette arbeidet, tilbyr muligheten for å bruke svært små felt (ned til 5 mm). Andre enheter produsere svært modulert bjelkeprofiler som i Intensity-modulert strålebehandling (IMRT). Konvensjonelle luftfylte detektorer er ikke godt egnet for disse teknikkene ^1; for å oppnå en akseptabel romlig oppløsning volumet av hulrommet ville måtte bli redusert til en slik størrelse at kammeret reaksjon ville bli for lav. Dioder tilbyr fordelen av mindre sensitive volumer, og de er mye brukt i liten stråle dosimetri. Men de presenterer andre begrensninger som for eksempel spredning effektersom følger av deres metallisk skjerming ^12,13.

I en væske ionisering kammer ² (LIC) er ionisering meget høyere egenvekt og dermed reduksjon av det følsomme volum er mulig uten at det går på detektorresponsen. Videre har det følsomme medium har en tetthet nær den for vann, noe som reduserer fluence forstyrrelsene assosiert med en lufthulrom. Disse aspektene gjør LIC en interessant kandidat for liten stråle dosimetri ^3-5.

Det er likevel en del saker å ta før de blir i stand til å utføre rutinemessige dosimetriske målinger med LICS. Først, på grunn av den høyere tetthet ionisering rekombinasjon effekter er viktigere enn i luftfylte kamre ^6-8. Rekombinasjon kan enten være første (et elektron recombines med sin mor ion) eller generell (to ioner som kommer fra forskjellige ionisering hendelser rekombinerer). Sistnevnte er avhengig av doserate som faller inn på detektoren; thans midler som relative dosemålinger (dvs. doseprofiler, prosentdybdedoser, utgangsfaktorer) kan potensielt gjennomgå avvik på grunn av endringen i doserate. Rekombinasjon er karakterisert ved den generelle samling effektivitet, definert som forholdet mellom den målte lade til charge fremstilt ved innfallende stråling og rømmer innledende rekombinasjon: f = Q _C / Q _0. I gassformige detektorer rekombinasjon effekter er evaluert ved hjelp av de to-spenningsmetoden fra teorien om Boag ^9,10, som ikke kan anvendes i Lics ^11..

Et alternativ er å finne i bruken av de to-dose-rate fremgangsmåte ^8, som består av å variere doserate for å isolere påvirkning av generell rekombinasjon og måle den generelle oppsamlingsvirkningsgraden på forholdet

der u er defSAKES som

med α være rekombinasjon koeffisient, Q ₀ hvor mye strøm som rømmer innledende rekombinasjon, h elektroden separasjon, e det elementære kostnad, V den følsomme volumet av kammeret, k ₁ og k ₂ de mobilitet av de positive og negative ladninger, og U spenningen. Ved å måle ved forskjellige doser per puls er det mulig å tilveiebringe parameteren u og dermed oppsamlingseffektivitet, f. Dosen per puls er gitt ved forholdet

Alle målinger er utført på referanse betingelsene for Cyberknife (Kilde-Surface Avstand SSD = 78,5 cm, 1,5 cm dybde, 60 mm kollimator). Bruken av et stort kollimator allows unngå volumeffekter forbundet med små bjelker. Gitt dosehastigheten er 800 MU / min, og repetisjonsfrekvens er 150 Hz, gir dette en dose på 0,89 mGy / puls (ved referansebetingelser, tilsvarer en MU til en dose på 1 CGY). Når pulsrepetisjonsfrekvens holdes konstant, dosen per puls bare avhengig av doserate i Gy / min, noe som henger sammen med SSD gjennom den inverse kvadrat-lov avstand:

for to SSD d ₁ og d _2.

Protocol

En. Eksperimentell Setup (figur 2)

(Utført 1 time før de første målingene for å stabilisere detektorens temperatur og den høye spenningen.)

1. Plasser vanntanken under behandling hodet, husk at SSD vil måtte økes opp til 200 cm. Således tanken skal plasseres så lavt som mulig, avhengig av takhøyden.
2. Juster vanntanken med linac (dens vertikale sider må være parallell med de vertikale sidene av hodet). Laseren kan bli brukt for å sikre orienteringen er korrekt; denne fremgangsmåten er beskrevet i Physics guiden ¹⁴ av systemet.
3. Kontroller den vertikale orientering av linac ved å utføre x-og y-profil målinger ved to forskjellige dybder, beregning av strålen deklinasjon og korrigere ved bruk av rotasjonsaksene av hodet (se Physics guide).
4. Skift collimator med telemeter tilbehøret, og bruke den til å accurbart plassere hodet på 78,5 cm SSD. Tuppen av tilbehøret bør knapt berører vannflaten.
5. Fjern avstandsmåler og plasser 60 mm kollimator på behandlingshodet.
6. Plasser LIC referansepunkt på 1.5 cm dybde i en vertikal stilling, dvs. med aksen av det sylindriske hulrom er parallell med stråleretningen. Dette resulterer i en avstand av 80 cm mellom kilden og detektoren. Bruk av laser for å plassere LIC i sentrum av strålen i sideretningen.
7. Plasser en 0.125 cm ³ luftfylt ionisering kammer (AIC) ved siden av LIC å være i stand til å korrigere for demping, avstand og scatter effekter.
8. Koble LIC og den høye spenningen til electro og sette spenningen til 800 V. Koble AIC til en annen electro og sette spenningen til 400 V. Deretter venter en time til stabiliseringsformål.
9. For å sikre nøyaktigheten av detektoren sideveis posisjonering, utføre profilmålinger ibåde tverrgående retninger og korrigere null av LIC om nødvendig.
10. Kontroller at repetisjon, beregnes etter linac er fast (nominell verdi = 150 Hz).

2. Målinger

1. Først leverer en forhånds bestråling dose på 3000 monitor enheter (MU) for å stabilisere LIC respons. Deretter utfører en null av electro.
2. For å vurdere lekkasjestrøm og stabilitet, utføre en serie av ladnings kjøp med strålen av for en varighet lik den for målingene (7,5 sek ved 100 mu). Sammenligne den gjennomsnittlige verdien oppnådd for verdiene målt med strålen på. En typisk charge lekkasje på mindre enn 0,03% av den minste verdien målt med strålen på kan betraktes som ubetydelig.
3. Plasser behandling hodet på 58,5 cm SSD: bruke fjernkontrollen i kartesiansk modus og bare utføre en 20 cm bevegelse i z-retning.
4. Forlate behandlingsrommet, lukk døren og programmere en bestråling av 100 MU påoperatør-konsoll. Deretter starter begge electro, levere dosen og merk kostnadene målt ved LIC og AIC .
5. Gjenta prosessen 10 ganger for å kunne vurdere statistiske usikkerheter.
6. Etter ti målinger, gå inn i rommet og flytte behandlingen hodet til neste posisjon (68,5 cm SSD). Deretter gjentar du trinn 2,4 og 2,5.
7. Når hodet beveges ytterligere bort fra tanken avstanden mellom målepunktene kan økes etter hvert som belastningen varierer etter den inverse kvadrat-lov avstand. Tabell 1 gir et eksempel på en oversikt over alle målepunkter, sammen med den tilsvarende dose per puls.

Tabell 1. Liste over målepunkter for de to-dosehastighetsmetode (A og B) med de tilsvarende doser per puls.

Tre. Analyse

To metoder kan anvendes til å analysere dataene.

Metode A

1. For hver avstand d, kan forholdet mellom hver målte LIC verdi med den tilsvarende AIC verdien erholdt i samme avstand, .
2. Plott forholdstall mot dose per puls og bruke en lineær tilpasning for å oppnå ekstrapolert ratio på null dose per puls, R _0.
3. Med en forutsetning om at samlingen effektiviteten er lik en på 0 mGy / puls, normalisere alle forholdstall beregnet i trinn 3.A.1 til ekstrapolert verdi fra forrige trinn for å få verdiene av f (dvs. skala hver forholdet ved en faktorslik at k-R ₀ = 1).
4. Plott verdiene av f mot verdiene av dosen per puls som representerer utviklingen av oppsamlingseffektivitet. De feilfelt kan beregnes ved å spre den usikkerhet om evaluert fra de gjentatte målinger på hver distanse LIC og AIC kostnader.

Metode B

1. Ta forholdstall av LIC målinger på 200 cm (198,5 cm SSD) og 60 cm (58,5 cm SSD), og av de AIC opplesninger, .
2. Numerisk løse ligningen nedenfor for u _200.
   
3. Injiser verdien av u ₂₀₀ i følgende forhold for å oppnå den oppsamlingseffektivitet, fpå 200 cm avstand.
   
4. Effektiviteten kan beregnes ved hjelp av forholdstall med andre avstander enn 60 cm, så lenge belaste forholdet er høyere enn tre. Denne prosedyren gjør det mulig å teste usikkerheten på de beregnede u og f-verdier.
5. Beregn parameteren u for alle målepunkter, ved hjelp av følgende forhold (ved å velge avstandene, slik at )
   
6. Beregn alle innsamlingseffektiviteten, f _d, fra forholdet
   
7. Plott verdiene av f mot verdiene av dosen pr puls til represent utviklingen av oppsamlingseffektivitet. De feilfelt kan beregnes ved å spre den usikkerhet om evaluert fra de gjentatte målinger på hver distanse LIC og AIC kostnader.

Representative Results

I figur 3 oppsamlingseffektiviteten f erholdt fra metode A er plottet mot dose per puls, som spenner 0 til 1,6 mGy / puls hvor en 2% tap i signal kan sees. Punktene følger en lineær oppførsel. Feilsøylene viser viktige usikkerheter som synes iboende i fremgangsmåten, og kan bli sterkt redusert ved bruk av metode B. Det er også verdt å merke seg at i denne metode AIC respons antas å gjennomgå ingen rekombinasjon virkninger, som ikke nødvendigvis er helt sant . For å kontrollere dette kan man bare utføre tilsvarende målinger ved hjelp av AIC alene i en oppbyggings cap (ingen vanntank) og riktig for den inverse square avstand; små avvik kan observeres og inkludert i usikkerheten verdier.

Figur 4 viser oppsamlingseffektivitet beregnes fra den andre fremgangsmåte (B). Det viser seg mer presis og har fordelen av å gi absolutte verdier av f. Den devisjoner fra lineær oppførsel er små og tapet i signal er noe lavere enn ved metode A.

Som en direkte anvendelse av metode B, kan faktorer beregnes for å korrigere for generell rekombinasjon ved en gitt dose per puls, ved ganske enkelt å ta den inverse av samlingen effektivitet, f. Da disse faktorer kan bli anvendt for å relative dybde dosemålinger. Figur 5 viser relative dybde dose målt med en diode (ikke gjenstand for rekombinasjon virkninger), og med LIC før og etter rekombinasjon korreksjon. Når kurvene er normalisert til en dybde på 240 mm (hvor rekombinasjon virkningene forsvinner), faller sammen de, noe som betyr at de korreksjoner kompensere for rekombinasjon effekter i oppbygging område (hvor dosen per puls, og dermed av korrigeringsfaktorer er høyest). Dette tyder på at de beregnede korreksjonsfaktorer er nøyaktige og kan tjene som en validering av de to-doserate metode.

Figur 1. Cyberknife sytem. En visning av Cyberknife systemet som brukes for målingene, med gasspedalen hodet pekende nedover. Vanntanken kan enten plasseres på gulvet, eller på robot sofaen er synlig på baksiden av rommet, avhengig av den tilgjengelige plass over hodet.

Figur 2. Experimental oppsett. Oppsettet er representert her med AIC og LIC plassert ved siden av hverandre inne i vanntanken (1,5 cm dybde), i sentrum av strålen, som er rettet nedover. Pilene indikerer gasspedalen hodebevegelser mellom hver serie med målinger, som starter på 60 cm avstand (58,5 cm SSD) og endte på 200 cm (198,5 cm SSD).

Fig. 3. Generelt oppsamlingseffektivitet, metode A. Diagram over utviklingen av den generelle oppsamlingseffektivitet, f, med hensyn til dose per puls (i mGy / puls) erholdt fra metode A.

Fig. 4. Generelt oppsamlingseffektivitet, metode B. Generell oppsamlingseffektivitet plottet mot dose per puls, følgende resultater fra metode B.

Figur 5. Anvendelse på relative dybde dosemålinger. Den relative dybde dose erholdt fra dioden målingene er vist i blått.Resultatene fra LIC målingene er representert ved den røde (ukorrigert) og gule (korrigert) kurver. Vennligst klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

Metodene som presenteres ovenfor tillate evaluering av rekombinasjon effekter i en LIC over et stort spekter av doserater (0,14 til 1,58 mGy / puls). Metode A er enkel, men er forbundet med flere usikkerhetsfaktorer enn metode B, som gir ganske nøyaktig (og absolutte) verdier av oppsamlingseffektivitet, f. Rekombinasjon er ansvarlig for omtrent 2% tap i signal over hele spekteret undersøkt, men dette området er større enn hva som vanligvis er utspent under rutinemålinger. Den største feilen på en produksjonsfaktor er 0,35%, og den når 1% for en prosentandel dybde dose måling som ble vist i resultatene delen.

Den kritisk element for gjennomføring av protokollen er det første oppsettet av eksperimentet, som alle målinger er utført i forhold til den opprinnelige plasseringen av behandlings hodet. Derfor bør man være forsiktig med nøyaktig måling av den innledende SSD å være i stand til å relatere detektoravlesninger for hvertdose per puls. Dette gjelder også for plassering av detektoren i vannet; det må sikres at den effektive målepunkt (1 mm som ligger bak inngangsvinduet i tilfelle av microLion detektor) er plassert 1,5 cm under overflaten. Den 1 timers forsinkelse og pre-bestrålingsdose er også viktig for å stabilisere 800 V tilførselen og temperaturen.

Gjentagelsen rente av linac direkte påvirker dose per puls. Ved 800 MU / min, og med en frekvens på 150 Hz, den dose per puls er 0,89 mGy / puls. Denne frekvensen skal være løst for alle målinger for å sørge for at avstanden er den eneste variabel faktor å ha en innflytelse på den dosen per puls. Fremgangsmåten kan anvendes i tilfelle av en kontinuerlig stråle med noen tilpasninger ^7. Ved andre apparater hvor SSD ikke kan varieres ved direkte å bevege behandlingshodet, kan repetisjonsfrekvensen bli modifisert for å introdusere den dose per puls variasjon. Hvis denne parameteren erløst i tillegg, kan den SSD fremdeles bli modifisert ved å bevege LIC og vannoverflaten i tanken, men nøyaktigheten av denne fremgangsmåten vil sannsynligvis være lavere enn ved behandling hodebevegelser som brukes i den foreliggende studie.

Det neste trinnet i den karakteriseringen av LIC for bruk i små felt dosimetri er å undersøke andre faktorer som induserer perturbasjon av responsen, for eksempel materialer av detektoren og volumeffekt (dvs. det faktum at det følsomme volumet ikke er liten i forhold til dimensjonene av bjelken). Dette er mulig ved bruk av Monte Carlo-simuleringer ^5. Med disse aspektene tatt hensyn til, kan globale korreksjonsfaktorer brukes til LIC målinger innhentet i kliniske rutinemålinger (output faktorer, prosentdybde doser, dose profiler) for å fullt ut eliminere forstyrrelsene.

Etter den fullstendige karakterisering og retting av disse perturbating effekter, tHan LIC kan benyttes som en ekstra detektor for liten bjelke dosimetri, slik at uavhengig kontroll av profiler, prosent dybde doser og effektfaktorer målt ved andre detektorer. Det er en svært høy romlig oppløsning i lengderetningen vil også være egnet for dosimetri av rektangulære felter med bare en liten dimensjon (f.eks TomoTherapy.)

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