Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator

Antoine Wagner; Frederik Crop; Thomas Lacornerie; Nick Reynaert

doi:10.3791/51296

JoVE Journal > Engineering

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

Karakterisering van recombinatie Effecten in een Liquid ionisatiekamer gebruikt voor de dosimetrie van een radiochirurgische Accelerator

Published: May 09, 2014

doi:

10.3791/51296

Antoine Wagner¹, Frederik Crop¹, Thomas Lacornerie¹, Nick Reynaert¹

¹Department of Medical Physics,Centre Oscar Lambret

Summary

Steeds radiotherapie inrichtingen bieden het voordeel van het leveren van de dosis door zeer smalle balken aan de tumor, waardoor verhoogde conformiteit en hogere doses per fractie. Veel verschillende detectoren kunnen worden gebruikt voor de dosimetrie van deze kleine velden. In deze studie is het effect van ionen recombinatie onderzocht vloeibare ionisatiekamer met een stereotactische stralingstherapiesysteem.

Abstract

De meeste moderne radiotherapie inrichtingen maken het gebruik van zeer kleine gebieden, hetzij door beamlets in intensiteit-gemoduleerde radiotherapie (IMRT) of door stereotactische radiotherapie wanneer positioneernauwkeurigheid kan leveren zeer hoge doses per fractie in een klein volume van de patiënt. Dosimetriemetingen op medische versnellers worden gewoonlijk gerealiseerd met behulp van met lucht gevulde ionisatiekamers. Echter, in kleine balken deze zijn onderhevig aan niet te verwaarlozen verstoring effecten. Deze studie richt zich op het vloeibare ionisatiekamers, die voordelen bieden op het vlak van ruimtelijke resolutie en lage Fluence verstoring. Ion recombinatie worden bestudeerd voor de microLion detector (PTW) gebruikt met de Cyberknife systeem (Accuray). De methode bestaat uit het uitvoeren van een reeks watertank metingen bij verschillende bron-oppervlak afstanden en toepassen van correcties op de vloeibare uitlezingen van de detector gebaseerd op de gelijktijdige gasvormige detector gemeten. Deze aanpak faciliterendetes isoleren van de recombinatie-effecten die voortvloeien uit de hoge dichtheid van de vloeistof gevoelige medium en het verkrijgen van correctiefactoren toe te passen op de detector lezingen. Het grootste probleem bevindt zich in het bereiken van een voldoende niveau van nauwkeurigheid in de setup te kunnen kleine veranderingen te detecteren in de kamer respons.

Introduction

Dosimetrie in de radiotherapie is uitgevoerd die gasvormige ionisatiekamers jaren. Deze detectoren presteren wat "klassieke" stralingstherapie betreft, namelijk grote homogene (of langzaam variërende) velden worden gebruikt. Maar vele recente apparaten, zoals Cyberknife (figuur 1) systeem bestudeerd in dit werk, bieden de mogelijkheid om zeer kleine velden (tot 5 mm). Andere apparaten produceren sterk gemoduleerde bundel profielen zoals in intensiteit-gemoduleerde radiotherapie (IMRT). Conventionele detectoren luchtgevulde zijn niet goed geschikt voor deze technieken ^1; teneinde een aanvaardbare ruimtelijke resolutie van het volume van de holte moet worden gereduceerd tot een omvang waarbij de kamer respons te laag zou worden bereikt. Diodes bieden het voordeel van kleinere volumes gevoelige en zij worden veelvuldig gebruikt in kleine bundel dosimetrie. Maar ze presenteren andere beperkingen, zoals verstrooiingseffectendie voortvloeien uit een metalen afscherming ^12,13.

In een vloeibaar ionisatiekamer ² (LIC), de ionisatie dichtheid veel hoger en dus de vermindering van de volumeregeling mogelijk zonder de detectorresponsie. Bovendien gevoelige medium een dichtheid dicht bij die van water, waardoor de fluentie storingen geassocieerd met luchtspouw. Deze aspecten maken het LIC een interessante kandidaat voor kleine bundel dosimetrie ^3-5.

Er zijn echter een aantal zaken aan te pakken voordat ze in staat om routinematige dosimetriemetingen voeren met LIC. Ten eerste, vanwege de hogere dichtheid ionisatie recombinatie effecten belangrijker dan in lucht gevulde kamers ^6-8. Recombinatie kan zowel de eerste (een elektron recombineert met zijn moeder ion) of algemeen (twee ionen afkomstig uit verschillende ionisatie gebeurtenissen recombineren). Dit laatste is afhankelijk van de dosering invalt op de detector; tzijn middelen die relatief dosismetingen (dwz dosis profielen, percentage diepte doses, output factoren) mogelijk afwijkingen kunnen ondergaan als gevolg van de verandering in de dosering. Recombinatie wordt gekenmerkt door de algemene verzamelingsrendement, gedefinieerd als de verhouding van de gemeten lading aan de door de invallende straling en lading ontsnapt eerste recombinatie: f = Q _C / Q _0. Als gas detectoren recombinatie effecten worden geëvalueerd met de twee-spanning werkwijze uit de theorie van Boag ^9,10, die niet LIC ¹¹ kan worden toegepast.

Een alternatief is te vinden in het gebruik van de twee-dosis-thode ^8, bestaande uit het variëren van de dosering onder invloed van algemene recombinatie isoleren en meet de algemene verzamelingsrendement door de relatie

waar u is defined als

met α zijnde de recombinatie coëfficiënt, Q ₀ de hoeveelheid lading die ontsnapt eerste recombinatie, h de elektrode scheiding, e de elementaire lading, V de gevoelige volume van de kamer, k ₁ en k ₂ de mobiliteiten van de positieve en negatieve ladingen, en U de aangelegde spanning. Door meten bij verschillende doses per puls is het mogelijk om de parameter u en dus de verzamelingsrendement, f verkrijgen. De dosis per puls wordt gegeven door de relatie

Alle metingen worden uitgevoerd onder de referentieomstandigheden van de Cyberknife (Bron-Oppervlakte Afstand SSD = 78,5 cm, 1,5 cm diep, 60 mm collimator). Het gebruik van een grote collimator allows vermijden van de volume-effecten geassocieerd met smalle balken. Aangezien de dosering is 800 MU / min en de herhalingsfrequentie van 150 Hz, resulteert in een dosis van 0,89 mGy / puls (onder de referentieomstandigheden, 1 MU overeen met een dosis van 1 cGy). Wanneer de pulsherhalingsfrequentie constant wordt gehouden, de dosis per puls alleen afhangt van de snelheid dosis Gy / min, die gerelateerd is aan de SSD via inverse kwadraat afstand recht:

voor twee SSD's d ₁ en d _2.

Protocol

1. Experimentele opstelling (figuur 2) (Performed 1 uur vóór de eerste metingen om de temperatuur detector en de hoogspanningsvoeding stabiliseren.) Plaats het waterreservoir onder de behandeling hoofd, in gedachten houden dat de SSD zal moeten worden verhoogd tot maximaal 200 cm. Dus de tank moet zo laag als mogelijk is, afhankelijk van de plafondhoogte. Lijn het waterreservoir met de lineaire versneller (de verticale zijkanten moeten parallel aan de verticale zijkanten van het hoofd zijn). De laser kan worden gebruikt om te waarborgen de richting juist is; Deze procedure wordt beschreven in de natuurkunde geleiding 14 van het systeem. Controleer de verticale oriëntatie van de linac door het uitvoeren van x en y profielmetingen op twee verschillende dieptes, berekenen de balk declinatie en correctie met de draaiingsassen van de kop (zie Physics gids). Vervang de collimator met de afstandsmeter accessoire, en gebruik deze om accurlijk positioneren het hoofd bij 78,5 cm SSD. De tip van de accessoire dient nauwelijks raken het wateroppervlak. Verwijder de afstandsmeter en plaats de 60 mm collimator over de behandeling hoofd. Plaats de LIC referentiepunt 1,5 cm diepte in een verticale positie, dus met de as van de cilindrische holte evenwijdig aan de straalrichting. Dit leidt tot een afstand van 80 cm tussen de bron en de detector. Gebruik de laser om de LIC positie in het midden van de balk in de laterale richting. Plaats een 0,125 cm3 lucht gevulde ionisatiekamer (AIC) naast de LIC te kunnen corrigeren voor verzwakking, afstand en scatter effecten. Sluit de LIC en de hoge spanning op de elektrometer en stel de spanning tot 800 V. Sluit de AIC naar een andere electrometer en stel de spanning tot 400 V. Wacht dan 1 uur voor stabilisatie. Om de nauwkeurigheid van de detector laterale positionering te waarborgen, voeren metingen profielzowel dwarsrichting en de nul van het LIC corrigeren als dat nodig is. Zorg ervoor dat de herhalingssnelheid van de linac is vast (nominale waarde = 150 Hz). 2. Metingen Eerst leveren een vooraf stralingsdosis van 3000 monitorposten (MU) om de LIC respons stabiliseren. Vervolgens een nul van de elektrometers. Om te beoordelen lekstroom en stabiliteit, het uitvoeren van een reeks van overnames lading met de bundel af voor een duur die gelijk is aan die van de metingen (7,5 seconden voor 100 MU). Vergelijk de gemiddelde waarde tot de gemeten waarden met de balk op. Een typisch lekkage belast minder dan 0,03% van de kleinste gemeten met de straal op als verwaarloosbaar worden beschouwd. Plaats de behandeling hoofd bij 58,5 cm SSD: gebruik de afstandsbediening in cartesiaanse modus en gewoon een 20 cm motie uit te voeren in de z-richting. Verlaat de behandelkamer, sluit de deur en programmeren een bestraling van 100 MU op deoperator console. Dan beginnen beide elektrometers, de dosis toe te dienen en mee de lasten gemeten door de LIC en de AIC . Herhaal de procedure 10 keer te kunnen statistische onzekerheid te beoordelen. Na tien metingen, ga de kamer binnen en zet de behandeling hoofd naar de volgende positie (68,5 cm SSD). Dan stappen herhalen 2.4 en 2.5. Wanneer het hoofd verder van de tank verplaatst de afstand tussen de meetpunten kan worden verhoogd als de lading varieert na de inverse kwadraat afstand recht. Tabel 1 geeft een voorbeeld van een lijst van meetpunten, met bijbehorende dosis per puls. Tabel 1. Lijst meetpunten voor de twee doses-methode (A en B) met de bijbehorende doses per puls. 3. Analyse Twee methoden worden gebruikt om de gegevens te analyseren. Werkwijze A Voor elke afstand d, neemt de verhouding van elke gemeten waarde LIC met bijbehorende AIC waarde verkregen op dezelfde afstand, . Teken de verhoudingen tegen de dosis per impuls en gebruik een lineaire fit met de geëxtrapoleerde verhouding te verkrijgen op nul dosis per puls, R 0. Met de veronderstelling dat de collectie-efficiëntie ten minste 1 op 0 mGy / puls, normaliseren alle ratio's berekend in stap 3.A.1 de geëxtrapoleerde waarde van de vorige stap, teneinde de waarden van f (dwz schaal elke ratio met verkrijgen een factorzodanig dat k R 0 = 1). Zet de waarden van f met de waarden van de dosis per puls de evolutie van het verzamelingsrendement vertegenwoordigen. De fout bars kan worden berekend door het propageren van de onzekerheden op de LIC en AIC kosten geëvalueerd worden bij de herhaalde metingen op elke afstand. Methode B Neem de verhoudingen van de LIC metingen bij 200 cm (198,5 cm SSD) en 60 cm (58,5 cm SSD), en van de AIC lezingen, . Numeriek oplossen van de vergelijking hieronder voor u 200. Injecteer de waarde van u 200 in de volgende verhouding tot het verzamelingsrendement, f vindenop 200 cm afstand. De efficiency kan worden berekend met de ratio andere afstanden dan 60 cm, zolang de lading ratio hoger is dan 3. Deze procedure maakt het testen van de onzekerheid in de berekende u en f waarden. Bereken de parameter u voor alle meetpunten, met behulp van de volgende relatie (het kiezen van de afstanden, zodat ) Bereken de hele verzameling efficiëntie, f d, van de relatie Zet de waarden van f met de waarden van de dosis per puls represent de evolutie van de collectie efficiëntie. De fout bars kan worden berekend door het propageren van de onzekerheden op de LIC en AIC kosten geëvalueerd worden bij de herhaalde metingen op elke afstand.

Representative Results

In figuur 3 het verzamelingsrendement f verkrijgen werkwijze A wordt uitgezet tegen de dosering per puls, die varieert 0-1,6 mGy / puls wanneer een 2% verlies in signaal zichtbaar. De punten volgen een lineair gedrag. De foutbalken tonen belangrijke onzekerheden die inherent zijn aan de werkwijze lijken en kan sterk worden verminderd door het gebruik van werkwijze B. Het is ook vermeldenswaardig dat in deze methode de AIC reactie wordt aangenomen dat geen recombinatie effecten die niet noodzakelijkerwijs volledig waar te ondergaan . Om dit te controleren kan met vergelijkbare metingen eenvoudig uit te voeren met behulp van de AIC alleen in een build-up cap (geen watertank) en juist zijn voor het inverse kwadraat afstand; kleine afwijkingen kunnen worden waargenomen die de onzekerheden waarden. Figuur 4 toont het verzamelingsrendement berekend uit de tweede methode (B). Het bewijst nauwkeuriger en heeft het voordeel dat de absolute waarden van f. De devities van het lineaire gedrag klein en het verlies in signaal iets lager dan bij methode A. Als directe toepassing van werkwijze B, kan factoren worden berekend om te corrigeren voor algemene recombinatie bij een gegeven dosis per puls door eenvoudigweg het omgekeerde van het verzamelingsrendement, f. Vervolgens worden deze factoren kunnen worden toegepast op de relatieve diepte dosimeter. Figuur 5 toont relatieve diepte gemeten dosis met een diode (geen recombinatie effecten onderwerp) en de LIC voor en na recombinatie correctie. Wanneer de curven worden genormaliseerd op een diepte van 240 mm (waar recombinatie effecten verdwijnen), zij samenvallen, waardoor de correcties compenseren recombinatie effecten bij de opbouw (waar de dosis per impuls en dus de correctiefactoren beste beoordeling). Dit suggereert dat de berekende correctiefactoren nauwkeurig en kan dienen als een validatie van de twee-dosering methode. <p class="jove_content" fo: Keep-together.within-page = "altijd"> Figuur 1. Cyberknife syteem. Een weergave van de Cyberknife systeem wordt gebruikt voor de metingen, met het gaspedaal hoofd naar beneden. Het waterreservoir kan worden gehouden op de vloer worden geplaatst, of op de robot bank zichtbaar aan de achterkant van de kamer, afhankelijk van de beschikbare ruimte boven de weg. Figuur 2. Experimentele opstelling. Het instellen is hier weergegeven met de AIC en LIC die naast elkaar in het waterreservoir (1,5 cm diep) in het midden van de bundel, die naar beneden gericht is. De pijlen geven de gaspedaal hoofd beweging tussen elke reeks metingen, beginnend op 60 cm afstand (58,5 cm SSD) en eindigend bij 200 cm (198,5 cm SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "altijd"> Figuur 3. Algemeen verzamelingsrendement, methode A grafiek van de ontwikkeling van de algemene verzamelingsrendement, f met betrekking tot de dosis per puls (in mGy / puls) verkregen van methode A. Figuur 4. Algemeen collectie efficiëntie, methode B. Algemene collectie efficiëntie uitgezet tegen de dosis per puls, volgende resultaten van methode B. Figuur 5. Toepassing op relatieve diepte dosismetingen. De relatieve diepte dosis verkregen van de diode metingen wordt weergegeven in blauw.De resultaten van het LIC metingen worden weergegeven door de rode (ongecorrigeerde) en geel (gecorrigeerde) bochten. Klik hier om een grotere versie van deze afbeelding te bekijken.

Discussion

De hierboven gepresenteerde methoden kan de evaluatie van de recombinatie-effecten in een LIC over een groot bereik dosistempometingen (0,14-1,58 mGy / puls). Methode A is eenvoudig maar wordt geassocieerd met meer onzekerheden dan methode B, die vrij nauwkeurig (en absolute) waarden van de collectie efficiëntie, f biedt. Recombinatie is verantwoordelijk voor ongeveer 2% verlies in signaal over het hele scala onderzocht, maar dit aanbod is ruimer dan wat meestal overspannen tijdens routine metingen. De grootste fout op een uitgang factor is 0,35%, en 1% bereikt voor een percentage diepte dosismeting zoals werd getoond in de resultaten sectie.

De kritische factor voor het uitvoeren van het protocol is de eerste installatie van het experiment, als alle metingen ten opzichte van de uitgangspositie van de behandeling hoofd worden uitgevoerd. Zo moet men voorzichtig zijn met de nauwkeurige meting van de initiële SSD kunnen de uitlezingen van de detector tot elkaardosis per puls. Dit geldt ook voor de plaatsing van de detector in het water; erop moet worden gelet dat de daadwerkelijke meetpunt (gelegen 1 mm achter het ingangsvenster bij de microLion detector) is gepositioneerd op 1,5 cm onder het oppervlak. De 1 uur vertraging en de pre-bestralingsdosis zijn ook essentieel om de 800 V voeding en de temperatuur te stabiliseren.

De herhalingsfrequentie van de linac direct invloed op de dosis per puls. Bij 800 MU / min en met een frequentie van 150 Hz, de dosis per puls 0,89 mGy / puls. Deze frequentie moet worden vastgesteld voor alle metingen om te controleren of de afstand is de enige variabele factor die van invloed zijn op de dosis per puls. De werkwijze kan worden toegepast bij een continue staaf met enige aanpassingen ^7. Bij andere inrichtingen waar de SSD niet kan worden gevarieerd door direct bewegen van de behandelkop kan de herhalingssnelheid worden gewijzigd om de dosis per puls variatie voeren. Als deze parameterook vast kunnen de SSD nog gewijzigd door het verplaatsen van de LIC en het wateroppervlak in de tank, maar de juistheid van deze benadering waarschijnlijk hoger dan de behandelkop beweging gebruikt in de onderhavige studie zijn.

De volgende stap in de karakterisering van de LIC voor gebruik in kleine dosimetrie is de andere factoren die verstoring van de reactie, zoals de materialen van de detector en het volume-effect (induceren onderzoeken dwz dat het gevoelige volume niet klein in vergelijking met de afmetingen van de balk). Dit is mogelijk door het gebruik van Monte Carlo simulaties ^5. Met deze aspecten rekening gehouden kan globale correctiefactoren worden toegepast op de LIC metingen verkregen klinische routine metingen (outputfactoren percentage diepte doses dosis profielen) om de verstoringen volledig elimineren.

Na de volledige karakterisering en correctie van deze perturbating effecten, tLIC hij kan worden gebruikt als een extra detector voor kleine straal dosimetrie, waardoor onafhankelijke verificatie van profielen percentage diepte doses en outputfactoren gemeten door andere detectoren. De zeer hoge ruimtelijke resolutie in de lengterichting zou ook geschikt voor dosimetrie rechthoekige gebieden met slechts een kleine afmeting (bijv. Tomotherapy.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

De auteurs hebben geen bevestigingen.

Materials

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

Wagner, A., Crop, F., Lacornerie, T., Reynaert, N. Characterization of Recombination Effects in a Liquid Ionization Chamber Used for the Dosimetry of a Radiosurgical Accelerator. J. Vis. Exp. (87), e51296, doi:10.3791/51296 (2014).

Automatically Generated