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

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Engineering

Caractérisation des effets recombinaison dans une Chambre d'ionisation liquide utilisé pour la dosimétrie d'un accélérateur de radiochirurgie

Published: May 09, 2014

doi:

10.3791/51296

Antoine Wagner¹, Frederik Crop¹, Thomas Lacornerie¹, Nick Reynaert¹

¹Department of Medical Physics,Centre Oscar Lambret

Summary

Un nombre croissant d'appareils de radiothérapie offrent l'avantage de délivrer la dose travers de très petits faisceaux de la tumeur, ce qui permet d'accroître la conformité et des doses plus élevées par fraction. Beaucoup de détecteurs différents peuvent être utilisés pour la dosimétrie de ces petits domaines. Dans la présente étude, l'effet de la recombinaison des ions est étudiée pour une chambre d'ionisation liquide en utilisant un système de radiothérapie stéréotaxique.

Abstract

La plupart des appareils modernes de radiothérapie permettent l'utilisation de très petits champs, soit par petits faisceaux à intensité modulée radiothérapie (IMRT) ou par radiothérapie stéréotaxique où la précision de positionnement permet de délivrer des doses très élevées par fraction dans un petit volume du patient. Mesures dosimétriques sur les accélérateurs médicaux sont classiquement réalisées en utilisant des chambres d'ionisation remplies d'air. Cependant, dans de petites poutres elles sont soumises à des effets de perturbation non négligeables. Cette étude se concentre sur les chambres d'ionisation liquide, qui offrent des avantages en termes de résolution spatiale et une faible perturbation de fluence. Ion effets de recombinaison sont étudiées pour le détecteur de microLion (PTW) utilisé avec le système CyberKnife (Accuray). Le procédé consiste à effectuer une série de mesures du réservoir d'eau à des distances différentes sources de surface, et en appliquant des corrections aux lectures des détecteurs de liquide sur la base de mesures des détecteurs gazeux simultanées. Cette facilitation d'approchetes isoler les effets de recombinaison résultant de la forte densité du milieu sensible liquide et obtenir des facteurs de correction à appliquer aux lectures des détecteurs. La principale difficulté réside dans la réalisation d'un niveau suffisant de précision dans le réglage de pouvoir détecter de petits changements dans la réponse de la chambre.

Introduction

Dosimétrie en radiothérapie a été effectuée en utilisant des chambres d'ionisation gazeux pendant de nombreuses années. Ces détecteurs fonctionnent bien en ce qui concerne la radiothérapie «classique» est concerné, c'est à dire de grands champs homogènes (ou lentement variables) sont utilisés. Cependant, de nombreux dispositifs récents, comme le Cyberknife (Figure 1) système étudié dans ce travail, offrent la possibilité d'utiliser de très petits champs (jusqu'à 5 mm). Autres dispositifs produisent des profils de faisceau fortement modulés par exemple dans l'intensité, la radiothérapie par modulation (IMRT). Détecteurs remplis d'air classiques ne sont pas bien adaptées pour ^une de ces techniques; afin d'atteindre une résolution spatiale acceptable du volume de la cavité devait être réduite à une taille où la réponse de la chambre deviendrait trop faible. Diodes offrent l'avantage de petits volumes sensibles et ils sont largement utilisés dans les petites dosimétrie du faisceau. Cependant, ils présentent d'autres restrictions telles que les effets de diffusionrésultant de leur blindage métallique ^12,13.

Dans une chambre d'ionisation liquide ² (LIC), la densité d'ionisation est plus élevé, et donc la réduction du volume sensible est possible sans compromettre la réponse du détecteur. En outre, le milieu sensible présente une densité proche de celle de l'eau, ce qui réduit les perturbations de fluence associés à une lame d'air. Ces aspects font la LIC un candidat intéressant pour petit faisceau dosimétrie ^3-5.

Il existe néanmoins quelques problèmes à régler avant de pouvoir effectuer des mesures de dosimétrie de routine avec PFR. Tout d'abord, en raison de la densité d'ionisation supérieur aux effets de recombinaison sont plus importants que dans des chambres remplies d'air ^8.6. La recombinaison peut être soit initiale (un électron se recombine avec son ion parent) ou générale (deux ions provenant de différents événements d'ionisation se recombinent). Celui-ci est dépendante de l'incident du débit de dose sur le détecteur; tses moyens que les mesures de dose par rapport (c. profils de dose, les doses de profondeur de pourcentage, les facteurs de production) peuvent potentiellement subir des écarts en raison de la variation du taux de dose. La recombinaison est caractérisée par l'efficacité de collecte générale, définie comme le rapport de la charge mesurée à la charge produite par le rayonnement incident et qui s'échappe recombinaison initiale: f = Q _C / Q _0. Dans les détecteurs gazeux des effets de recombinaison sont évaluées en utilisant la méthode en deux la tension de la théorie de Boag ^9,10, qui ne peut être appliquée dans les PFR ^11.

Une alternative peut être trouvé dans l'utilisation de la méthode en deux du débit de dose ^8, consistant à faire varier le débit de dose d'isoler l'influence de la recombinaison générale et de mesurer l'efficacité de collecte générale par la relation

où u est defINED comme

avec α étant le coefficient de recombinaison, Q ₀ la quantité de charge qui échappe à la recombinaison initiale, h la séparation de l'électrode, e la charge élémentaire, V le volume sensible de la chambre, k ₁ et k ₂ les mobilités des charges positives et négatives, et U La tension appliquée. En mesurant à différentes doses par impulsion, il est possible d'obtenir le paramètre u, et donc l'efficacité de la collecte, f. La dose par impulsion est donnée par la relation

Toutes les mesures sont effectuées dans les conditions du Cyberknife de référence (Source-Surface Distance SSD = 78,5 cm, 1,5 cm de profondeur, 60 mm collimateur). L'utilisation d'un grand allo de collimationws évitant les effets de volume liés aux petites poutres. Compte tenu du débit de dose est de 800 MU / min et la fréquence de répétition est de 150 Hz, ceci conduit à une dose de 0,89 mGy / impulsion (dans les conditions de référence, une MU correspond à une dose de 1 cGy). Lorsque la fréquence de répétition des impulsions est maintenue constante, la dose par impulsion ne dépend que du débit de dose en Gy / min, qui est liée à la SSD à travers la loi inverse de la distance au carré:

pour deux SSD d ₁ et d _2.

Protocol

1. Installation expérimentale (figure 2) (Effectué 1 heure avant les premières mesures en vue de stabiliser la température du détecteur et la source de tension élevée.) Placez le réservoir d'eau sous la tête de traitement, en gardant à l'esprit que le SSD devra être augmenté jusqu'à 200 cm. Ainsi, le réservoir doit être placé aussi bas que possible, en fonction de la hauteur du plafond. Aligner le réservoir d'eau avec l'accélérateur linéaire (ses côtés verticaux doivent être parallèles aux côtés verticaux de la tête). Le laser peut être utilisé pour assurer l'orientation est correcte; Cette procédure est décrite dans le guide de la physique du système 14. Vérifiez l'orientation verticale de l'accélérateur linéaire en effectuant x et un profil de mesures y à deux profondeurs différentes, le calcul de la déclinaison de la poutre et de corriger en utilisant les axes de rotation de la tête (voir le guide physique). Remplacez le collimateur avec l'accessoire de télémètre, et l'utiliser pour accurment positionner la tête à 78,5 cm SSD. La pointe de l'accessoire doit frôler la surface de l'eau. Retirez le télémètre et placez le collimateur 60 mm sur la tête de traitement. Positionner le point de référence LIC à 1,5 cm de profondeur dans une position verticale, c'est à dire avec l'axe de la cavité cylindrique parallèle à la direction du faisceau. Il en résulte une distance de 80 cm entre la source et le détecteur. Utiliser le laser pour positionner le LIC au centre de la poutre dans la direction latérale. Placez une chambre d'ionisation 0,125 cm 3 rempli d'air (AIC) à côté de la LIC pour pouvoir corriger les effets d'atténuation, de distance et de dispersion. Connectez le LIC et l'alimentation haute tension à l'électromètre et régler la tension de 800 V. Connectez l'AIC à l'autre électromètre et régler la tension de 400 V. Ensuite, attendre 1 heure pour des fins de stabilisation. Pour garantir la précision du positionnement détecteur de latéral, effectuer des mesures dans un profildeux directions transversales et corriger le zéro de la LIC, si nécessaire. Assurez-vous que le taux de l'accélérateur linéaire de répétition est fixé (valeur nominale = 150 Hz). 2. Mesures Tout d'abord délivrer une dose de pré-irradiation de 3000 unités de surveillance (MU), afin de stabiliser la réponse LIC. Puis effectuer un zéro des électromètres. Pour évaluer la stabilité actuelle et la fuite, effectuer une série d'acquisitions de charge avec le faisceau large pour une durée égale à celle des mesures (7,5 s pour 100 UM). Comparer la valeur moyenne obtenue pour les valeurs de mesure avec le faisceau de suite. Une charge typique de fuite de moins de 0,03% de la plus petite valeur mesurée avec la sur du faisceau peut être considérée comme négligeable. Placez la tête de traitement à 58,5 cm SSD: utiliser la télécommande en mode cartésien et tout simplement effectuer un 20 cm mouvement dans la direction z. Sortez de la salle de traitement, fermer la porte et programmer une irradiation de 100 UM à laconsole de l'opérateur. Puis commencez à deux électromètres, délivrer la dose et noter les charges mesurées par la LIC et l'AIC . Répétez le processus 10 fois pour être en mesure d'évaluer les incertitudes statistiques. Après dix mesures, entrer dans la salle et déplacer la tête de traitement à la position suivante (68,5 cm de SSD). Puis répétez les étapes 2.4 et 2.5. Lorsque la tête est déplacé plus loin de la citerne de la distance entre les points de mesure peut être augmentée que la charge varie suivant la loi inverse de la distance au carré. Tableau 1 donne un exemple d'une liste de points de mesure, avec la dose correspondante par impulsion. Tableau 1. Liste des points de mesure pour les deux-doseméthode du taux (A et B) avec les doses correspondantes par impulsion. 3. Analyse Deux méthodes peuvent être utilisées pour analyser les données. Méthode A Pour chaque distance d, prendre le rapport de chaque valeur LIC mesurée avec la valeur correspondante obtenue AIC à la même distance, . Tracer les ratios contre la dose par impulsion et utiliser un ajustement linéaire pour obtenir le rapport extrapolée à zéro dose par impulsion, R 0. En supposant que le rendement de collecte est égal à 1 à 0 mGy / impulsion, de normaliser tous les rapports calculés dans l'étape 3.A.1 à la valeur extrapolée à partir de l'étape précédente afin d'obtenir des valeurs de f (ie chaque échelle par rapport un facteurde telle sorte que k = 0 R 1). Tracer les valeurs de f par rapport aux valeurs de la dose par impulsion pour représenter l'évolution de l'efficacité de collection. Les barres d'erreur peuvent être calculés par la propagation des incertitudes sur les charges LIC et AIC évalués à partir des mesures répétées à chaque distance. Méthode B Prenez les ratios des lectures LIC à 200 cm (198,5 cm SSD) et 60 cm (58,5 cm SSD), et des lectures de l'AIC, . Numériquement résoudre l'équation ci-dessous pour u 200. Injecter la valeur de u 200 dans la relation suivante pour obtenir l'efficacité de collecte, fà 200 cm de distance. L'efficacité peut être calculée en utilisant les rapports avec les autres distances de 60 cm, aussi longtemps que le rapport de charge est supérieure à 3. Cette procédure permet de tester l'incertitude sur les valeurs calculées et u f. Calculer le paramètre u pour tous les points de mesure, en utilisant la relation suivante (en choisissant les distances de telle sorte que ) Calculer les gains d'efficacité de collecte, f d, de la relation Tracer les valeurs de f aux valeurs de la dose par impulsion à represent de l'évolution de l'efficacité de collection. Les barres d'erreur peuvent être calculés par la propagation des incertitudes sur les charges LIC et AIC évalués à partir des mesures répétées à chaque distance.

Representative Results

Sur la figure 3, l'efficacité de collecte f obtenue à partir de la méthode A est tracée en fonction de la dose par impulsion, qui varie de 0 à 1,6 mGy / impulsion où une perte de 2% dans le signal peut être vu. Les points suivent un comportement linéaire. Les barres d'erreur indiquent des incertitudes importants qui semblent inhérents à la méthode et peut être considérablement réduite avec l'utilisation de la méthode B. Il est également intéressant de noter que, dans cette méthode, la réponse AIC est supposé subir aucun effet de recombinaison, ce qui n'est pas nécessairement tout à fait vrai . Pour vérifier cela peut simplement effectuer des mesures similaires à l'aide de l'AIC seul dans un chapeau de montée (pas de réservoir d'eau) et correct pour le carré de la distance inverse; petits écarts peuvent être observés et inclus dans les valeurs d'incertitudes. La figure 4 montre l'efficacité de collecte calculé à partir de la deuxième méthode (B). Il s'avère plus précis et a l'avantage de fournir des valeurs absolues de f. Le deviations du comportement linéaire sont petites et la perte de signal est légèrement inférieure à celle de la méthode A. Comme une application directe de la méthode B, les facteurs peuvent être calculées pour corriger la recombinaison générale à une dose donnée par impulsion, en prenant simplement l'inverse de l'efficacité de collecte, f. Ensuite, ces facteurs peuvent être appliqués à des mesures relatives de dose de profondeur. Figure 5 montre dose en profondeur relative mesurée avec une diode (non soumis à des effets de recombinaison) et avec la LIC avant et après correction de recombinaison. Lorsque les courbes sont normalisées à une profondeur de 240 mm (là où les effets de recombinaison s'annulent), ils coïncident, ce qui signifie que les corrections compenser les effets de recombinaison dans la zone d'accumulation (où la dose par impulsion et ainsi les facteurs de correction sont les plus élevées). Ceci suggère que les facteurs de correction calculés sont précises et peuvent servir en tant que validation de la méthode de la vitesse à deux doses. <p class="jove_content" fo: Keep-together.within page = "always"> Figure 1. Cyberknife sytem. Une vue du système Cyberknife utilisé pour les mesures, à la tête de l'accélérateur vers le bas. Le réservoir d'eau peut être placé sur le sol, ou sur le canapé robotique visible à l'arrière de la salle, en fonction de l'espace disponible au-dessus de la tête. Figure 2. D'installation expérimentale. L'installation est représenté ici avec le LIC AIC et placé à côté de l'autre à l'intérieur du réservoir d'eau (1,5 cm de profondeur), au centre de la poutre, qui est orientée vers le bas. Les flèches indiquent le mouvement de la tête de l'accélérateur entre chaque série de mesures, à partir de 60 cm de distance (58,5 cm SSD) et se terminant à 200 cm (198,5 cm SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within page = "always"> Figure 3. Efficacité générale de la collection, la méthode A. Le graphique de l'évolution de l'efficacité de collecte général, f, par rapport à la dose par impulsion (en mGy / impulsion) obtenu à partir de la méthode A. Figure 4. L'efficacité générale de la collection, la méthode de collecte B. générale efficacité comploté contre la dose par impulsion, à la suite des résultats de la méthode B. Figure 5. Application des mesures relatives à la dose de profondeur. La dose de profondeur relative obtenue à partir des mesures de diodes est représenté en bleu.Les résultats des mesures LIC sont représentés par le rouge (non corrigé) et jaunes (courbes corrigées). S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Discussion

Les méthodes présentées ci-dessus permettent d'évaluer les effets de recombinaison dans une LIC sur une large plage de débits de dose (0,14 à 1,58 mGy / impulsions). Méthode A est simple mais elle est associée à plus d'incertitudes que la méthode B, qui fournit des valeurs assez précises (et absolue) de l'efficacité de la collecte, f. Recombinaison est responsable de la perte d'environ 2% du signal sur toute la plage d'une enquête, mais cette gamme est plus grand que ce qui est généralement engendré lors des mesures de routine. La plus grande erreur sur un élément de sortie est de 0,35%, et il atteint 1% pour une mesure de dose de profondeur de pourcentage comme cela a été démontré dans la section des résultats.

L'élément essentiel pour la réalisation du protocole est de la configuration initiale de l'expérience, comme toutes les mesures sont effectuées par rapport à la position initiale de la tête de traitement. Ainsi il faut être prudent quant à la mesure précise de la SSD initial pour être en mesure de relier les lectures des détecteurs à chaquela dose par impulsion. Ceci est également vrai pour le placement du détecteur dans l'eau; il faut prendre soin que le point de mesure efficace (situé à 1 mm derrière la fenêtre d'entrée dans le cas du détecteur de microLion) est positionné à 1,5 cm sous la surface. Le retard d'une heure et la dose de pré-irradiation sont également essentiels pour stabiliser l'alimentation 800 V et de la température.

Le taux de l'accélérateur linéaire de répétition des répercussions directes sur la dose par impulsion. A 800 MU / min et avec une fréquence de 150 Hz, la dose par impulsion est de 0,89 mGy / impulsion. Cette fréquence doit être fixé pour toutes les mesures pour s'assurer que la distance est le seul facteur variable ayant une influence sur la dose par impulsion. La méthode peut être utilisée dans le cas d'un faisceau continu ⁷ avec quelques adaptations. Sur d'autres appareils où le SSD ne peuvent être modifiées en déplaçant directement la tête de traitement, le taux de redoublement pourrait être modifié pour introduire la dose par variation d'impulsion. Si ce paramètre estfixe ainsi, le SSD peut encore être modifiée en déplaçant la LIC et la surface de l'eau dans le réservoir, mais l'exactitude de cette approche serait probablement plus faible que le mouvement de la tête de traitement utilisée dans la présente étude.

La prochaine étape dans la caractérisation de la LIC pour son utilisation dans les petits dosimétrie de champ est d'étudier les autres facteurs qui induisent une perturbation de la réaction, tels que les matériaux du détecteur et de l'effet de volume (c'est à dire le fait que le volume sensible n'est pas faible par rapport aux dimensions de la poutre). Ceci est possible grâce à l'utilisation des simulations de Monte Carlo ^5. Avec ces aspects pris en compte, les facteurs mondiaux de correction peuvent être appliquées à des lectures LIC obtenus dans les mesures cliniques de routine (facteurs de production, des doses de profondeur de pourcentage, les profils de dose) afin d'éliminer entièrement les perturbations.

Après la caractérisation complète et la correction de ces effets perturbatrices, tLIC il peut être utilisé comme un détecteur supplémentaire pour la dosimétrie de petit rayon, permettant la vérification indépendante de profils de profondeur, des doses de pourcentage et des facteurs de sortie mesurés par les autres détecteurs. Sa très haute résolution spatiale dans la direction longitudinale serait également adapté pour la dosimétrie des champs rectangulaires avec une seule petite dimension (par exemple tomothérapie.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Les auteurs n'ont aucun remerciements.

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

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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).

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