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

Charakterisierung der Rekombination Effekte in einer Flüssigkeit Ionisationskammer Wird für die Dosimetrie eines 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

Eine wachsende Zahl von Strahlentherapie-Geräte bieten den Vorteil der Abgabe der Dosis durch sehr kleine Strahlen auf den Tumor, dadurch noch mehr Konformität und höhere Dosen pro Fraktion. Viele verschiedene Detektoren für die Dosimetrie von diesen kleinen Bereichen verwendet werden. In der vorliegenden Studie wird die Wirkung der Ionen-Rekombination für eine Flüssigkeit Ionisationskammer mit einem stereotaktischen Strahlentherapie System untersucht.

Abstract

Die meisten modernen Strahlentherapie-Geräte ermöglichen die Verwendung von sehr kleinen Feldern, entweder durch Teilstrahlen in Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) oder über stereotaktische Radiotherapie, wo Positioniergenauigkeit ermöglicht Bereitstellung von sehr hohen Dosen pro Fraktion in einem kleinen Volumen des Patienten. Dosimetrie-Messungen an medizinischen Beschleuniger werden konventionell mit Luft gefüllten Ionisationskammern realisiert. Doch in kleinen Balken diese unterliegen nicht vernachlässigbare Störungseffekte. Diese Studie konzentriert sich auf die Flüssigkeit Ionisationskammern, die Vorteile in Bezug auf die räumliche Auflösung und niedrigen Einfluss Störung anbieten. Ion-Rekombination Effekte werden für die microLion Detektor (PTW) mit dem Cyberknife-System (Accuray) verwendet sucht. Das Verfahren besteht aus der Durchführung einer Reihe von Wasserbehälter Messungen an verschiedenen Source-Strecken Oberfläche und Aufbringen Korrekturen der Flüssigkeitsdetektorwerte basierend auf der gleichzeitigen Gasdetektormessungen. Dieser Ansatz facilitates Isolierung der Rekombination Effekte aus der hohen Dichte der Flüssigkeit empfindlichen Medium und erhalten Korrekturfaktoren zu den Detektorwerte gelten. Die Hauptschwierigkeit liegt darin, um eine ausreichende Genauigkeit bei der Einrichtung in der Lage, kleine Änderungen in der Reaktionskammer zu detektieren.

Introduction

Dosimetrie in der Strahlentherapie ist seit vielen Jahren durchgeführt wurde unter Verwendung von gasförmigem Ionisationskammern. Diese Detektoren durchführen und so weit wie "konventionelle" Strahlentherapie betrifft, dh großen homogenen (oder langsam veränderlichen) Felder verwendet werden. Doch viele neuere Geräte, wie der Cyberknife (Abbildung 1)-System in dieser Arbeit, bieten die Möglichkeit der Verwendung von sehr kleinen Feldern (bis zu 5 mm). Andere Geräte erzeugen hochmodulierten Trägerprofile wie in Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT). Herkömmliche luftgefüllten Detektoren nicht für diese Techniken ^ein gut geeignet; um eine akzeptable räumliche Auflösung des Volumens des Hohlraums müssten auf eine Größe, wo die Kammer Reaktion zu gering geworden reduziert erreichen. Dioden bieten den Vorteil, kleinere Mengen empfindlich, und sie werden häufig in kleinen Strahl Dosimetrie verwendet. Doch sie andere Einschränkungen wie Streueffekte präsentierendie sich aus dem metallischen Abschirmung ^12,13.

In einem flüssigen Ionisationskammer ² (LIC), die Ionisationsdichte viel höher und damit die Verringerung des sensitiven Volumens, ohne die Detektorreaktion ist möglich. Darüber hinaus ist die lichtempfindliche Medium eine Dichte nahe dem von Wasser, wodurch die Fluenz Störungen mit einer Luftkammer verbunden sind. Diese Aspekte machen die LIC ein interessanter Kandidat für kleine Strahl Dosimetrie ^5.3.

Dennoch gibt es einige Fragen, bevor sie Routine dosimetrische Messungen mit LIC durchführen zu adressieren. Erste, aufgrund der höheren Dichte der Ionisierung Rekombinationseffekte wichtiger sind als im luftgefüllten Kammern ^6-8. Rekombination kann entweder initial (ein Elektron rekombiniert mit seiner Mutter Ion) oder allgemein (zwei Ionen, die aus verschiedenen Ionisationsereignisse rekombinieren). Letzteres ist abhängig von der Dosisrate auf den Detektor; tseine Mittel, dass die relative Dosismessungen (dh Dosisprofile, Anteil Tiefe Dosen, Output-Faktoren) kann möglicherweise Abweichungen unterliegen aufgrund der Änderung in Dosisrate. Rekombination ist durch die allgemeine Sammlung Effizienz, als das Verhältnis der gemessenen Ladungs definiert, um dem von der einfallenden Strahlung erzeugten Ladungs und Flucht Anfangs Rekombination: f = Q _C / Q _0. In Gasdetektoren Rekombinationseffekte werden in Zweispannungs Verfahren aus der Theorie der Boag ^9,10, die nicht in LICs ¹¹ angelegt werden kann ausgewertet.

Eine Alternative kann in der Verwendung des Zwei-dose-rate-Methode ^8, die aus der Veränderung der Dosisleistung, um den Einfluss der allgemeinen Rekombination zu isolieren und messen Sie die allgemeinen Sammeleffizienz durch die Beziehung gefunden werden

wobei u defined als

mit α als die Rekombination Koeffizient, Q ₀ die Ladungsmenge, die erste Rekombination, h die Elektrodenabstand entweicht, e die Elementarladung, V das empfindliche Volumen der Kammer, k ₁ und k ₂ die Mobilitäten der positiven und negativen Ladungen, und U die angelegte Spannung. Durch Messung bei unterschiedlichen Dosen pro Impuls ist es möglich, die Parameter u und damit der Abscheidegrad f zu erhalten. Die Dosis pro Impuls wird durch die Beziehung

Alle Messungen werden bei den Bezugsbedingungen des Cyberknife durchgeführt (Quelle-Fläche Stadt SSD = 78,5 cm, 1,5 cm Tiefe, 60 mm-Kollimator). Die Verwendung einer großen Kollimator allows Vermeidung der Volumeneffekte mit kleinen Balken verbunden. Angesichts der Dosisrate 800 MU / min und die Wiederholungsfrequenz von 150 Hz führt dies zu einer Dosis von 0,89 mGy / Impuls (bei Bezugsbedingungen entspricht 1 MU zu einer Dosis von 1 Gy). Wenn die Impulswiederholungsfrequenz konstant gehalten wird, die Dosis pro Puls nur von der Dosisleistung in Gy / min, die der durch den SSD inversen quadratischen Abstandsgesetz in Beziehung steht:

zwei SSDs d ₁ und d _2.

Protocol

1. Versuchsaufbau (Abbildung 2) Durchgeführt (1 Stunde, bevor die ersten Messungen, die Detektortemperatur und die Hochspannungsversorgung zu stabilisieren.) Setzen Sie den Wassertank unter dem Behandlungskopf, wenn man bedenkt, dass die SSD bis zu 200 cm erhöht werden. Somit sollte der Tank weniger als erreichbar angeordnet werden, in Abhängigkeit von der Deckenhöhe. Richten Sie den Wassertank mit dem Linearbeschleuniger (seiner vertikalen Seiten müssen parallel zu den vertikalen Seiten des Kopfes sein). Der Laser kann verwendet werden, um sicherzustellen, dass die Ausrichtung korrekt ist; Dieses Verfahren ist in der Physik Führung 14 des Systems beschrieben. Überprüfen Sie die vertikale Ausrichtung des Linearbeschleunigers, indem x-und y-Profilmessungen an zwei verschiedenen Tiefen, die Berechnung der Strahlen Deklination und Korrektur mit Hilfe der Drehachsen des Kopfes (siehe Physik Handbuch). Ersetzen Sie den Kollimator mit dem Telemeter-Zubehör, und es verwenden, um accurLICH positionieren Sie den Kopf 78,5 cm SSD. Die Spitze des Zubehörs sollte kaum berühren die Wasseroberfläche. Entfernen Sie den Entfernungsmesser und legen Sie die 60 mm-Kollimator zur Behandlung Kopf. Positionieren des LIC Referenzpunkt bei 1,5 cm Tiefe in einer vertikalen Position, das heißt mit der Achse des zylindrischen Hohlraums parallel zur Strahlrichtung. Dies führt zu einem Abstand von 80 cm zwischen der Quelle und dem Detektor. Verwenden des Lasers, um die LIC in der Mitte des Balkens in der Querrichtung zu positionieren. Legen Sie eine 0.125 cm 3 Luft gefüllten Ionisationskammer (AIC) neben der LIC, um für Dämpfung, Entfernung und Streueffekte zu korrigieren. Schließen Sie die LIC und die Hochspannungsversorgung des Elektrometers und stellen Sie die Spannung bis 800 V Schließen Sie das AIC zu einem anderen Elektrometers und stellen Sie die Spannung auf 400 V warten, dann 1 Stunde zur Stabilisierung. Um die Genauigkeit des Detektors seitliche Positionierung zu gewährleisten, führen Profilmessungen insowohl in Querrichtung und korrigieren Sie gegebenenfalls die Null der LIC. Sicherstellen, dass die Wiederholungsrate der Linac fixiert (Nominalwert = 150 Hz). 2. Messungen Zunächst liefern eine Pre-Bestrahlungsdosis von 3.000 Monitoreinheiten (MU), um zur Stabilisierung der LIC Antwort. Führen Sie dann eine Null der Stromzähler. Um zu beurteilen, Leckstrom und Stabilität, führen eine Reihe von Akquisitionen Ladung mit dem Strahl aus für eine Dauer gleich der Messungen (7,5 sec für 100 MU). Vergleichen des Durchschnittswerts für die mit dem Strahl auf gemessenen Werten erhalten. Eine typische Leckage Gebühr von weniger als 0,03% des kleinsten mit dem Strahl auf Messwert kann als vernachlässigbar angesehen werden. Setzen Sie den Behandlungskopf mit 58,5 cm SSD: Verwenden Sie die Fernbedienung in kartesischen Modus und führen Sie einfach einen 20 cm Bewegung in der z-Richtung. Lassen Sie den Behandlungsraum, die Tür schließen und programmieren eine Bestrahlung von 100 MU an derOperator-Konsole. Dann starten die beiden Stromzähler liefern die Dosis und beachten Sie die Kosten, die der LIC und der AIC gemessen . Wiederholen Sie den Vorgang 10 mal in der Lage, statistische Unsicherheiten zu beurteilen. Nach zehn Messungen, betreten den Raum und bewegen Sie den Behandlungskopf in die nächste Position (68,5 cm SSD). Dann wiederholen Sie die Schritte 2.4 und 2.5. Der Abstand zwischen den Messpunkten, wenn der Kopf weiter weg von der Tank bewegt werden kann, erhöht die Gebühr variiert nach der inversen Abstandsgesetz-squared werden. Tabelle 1 gibt ein Beispiel für eine Liste der Messstellen, zusammen mit der entsprechenden Dosis pro Puls. Tabelle 1. Liste der Messpunkte für die zwei DosenKursmethode (A und B) mit den entsprechenden Dosen pro Puls. 3. Analyse Zwei Verfahren können verwendet werden, um die Daten zu analysieren. Methode A Für jeden Abstand d, nehmen Sie das Verhältnis jeder einzelnen gemessenen LIC-Wert mit dem entsprechenden AIC-Wert in der gleichen Entfernung erhalten, . Zeichnen Sie die Verhältnisse gegen die Dosis pro Puls und verwenden eine lineare Anpassung an den extrapolierten Verhältnis bei Null Dosis pro Puls, R 0 zu erhalten. Mit der Annahme, dass die Sammeleffizienz ist gleich 1 bei 0 mGy / Puls normalisieren alle Verhältnisse in Schritt 3.A.1 auf die extrapolierte Wert aus dem vorherigen Schritt berechnet, um die Werte von f (dh jede Skala Verhältnis erhalten ein Faktorso dass R k 0 = 1). Zeichnen Sie die Werte von f gegen die Werte der Dosis pro Impuls, um die Entwicklung der Sammeleffizienz darstellen. Die Fehlerbalken können durch Vermehrung der Unsicherheiten an den LIC und AIC Ladungen von den wiederholten Messungen in jedem Abstand ausgewertet berechnet werden. Methode B Nehmen Sie die Verhältnisse der LIC Ablesungen bei 200 cm (198,5 cm SSD) und 60 cm (58,5 cm SSD) und der AIC Lesungen, . Numerisch lösen Sie die Gleichung für u unter 200. Spritzen Sie den Wert von u 200 in der folgenden Beziehung, um die Sammlung Effizienz, f erhaltenbei 200 cm Abstand. Der Wirkungsgrad berechnet werden unter Verwendung der Verhältnisse mit anderen Abständen als 60 cm, so lange die Ladung-Verhältnis größer als 3 ist. Dieses Verfahren ermöglicht die Prüfung der Unsicherheit an den U-und F-Werte berechnet. Berechnen des Parameters u für alle Messpunkte, unter Verwendung der folgenden Beziehung (die Wahl der Abstände, so dass ) Berechnen Sie alle Sammelleistungen, f d, aus der Beziehung Zeichnen Sie die Werte von f gegen die Werte der Dosis pro Impuls zu represent die Entwicklung der Sammeleffizienz. Die Fehlerbalken können durch Vermehrung der Unsicherheiten an den LIC und AIC Ladungen von den wiederholten Messungen in jedem Abstand ausgewertet berechnet werden.

Representative Results

In Fig. 3 ist die Sammeleffizienz f von Verfahren A erhalten wird gegen die Dosis pro Impuls, die 0 bis ca. 1,6 mGy / Puls, wo eine 2% Verlust in der Signal gesehen werden Bereiche aufgetragen. Die Punkte folgen ein lineares Verhalten. Die Fehlerbalken zeigen wichtige inhärenten Unsicherheiten, die zu dem Verfahren erscheinen und kann stark mit dem Einsatz von Verfahren reduziert B. Es ist auch erwähnenswert, dass bei diesem Verfahren die AIC Reaktion wird angenommen, dass keine Rekombination Effekte, die nicht unbedingt ganz richtig unterziehen . Um diese überprüfen können, ein einfach führen ähnliche Messungen mit der AIC allein in einem Build-up cap (kein Wassertank) und korrekt für die inverse quadratische Abstand; kleine Abweichungen in den Unsicherheiten Werte beobachtet und aufgenommen werden. Figur 4 zeigt die aus dem zweiten Verfahren (B) berechnet Sammeleffizienz. Es erweist sich als genauer und hat den Vorteil, dass Absolutwerte von f. Die deviATIONEN vom linearen Verhalten sind klein und das Signalverlust ist etwas niedriger als bei Methode A. Als direkte Anwendung der Methode B kann Faktoren berechnet, die für die allgemeine Rekombination an einer bestimmten Dosis pro Impuls zu korrigieren, indem einfach die Umkehrung der Sammeleffizienz f werden. Dann können diese Faktoren, um die relative Tiefendosismessungen angewendet werden. Fig. 5 zeigt die relativen Tiefendosis mit einer Diode (nicht Gegenstand Rekombinationseffekte) und mit dem LIC vor und nach Rekombination Korrektur. Wenn die Kurven in einer Tiefe von 240 mm (wobei Rekombinationseffekte verschwinden) normalisiert, sie zusammenfallen, was bedeutet, dass die Korrekturen kompensieren Rekombinationseffekte in der Aufbaufläche (wobei die Dosis pro Impuls und somit die Korrekturfaktoren die höchste). Dies legt nahe, dass die berechneten Korrekturfaktoren sind genau und kann als Bestätigung des Zweidosis Verfahren dienen. <p class="jove_content" fo: Keep-together.within-page = "always"> Abbildung 1. Cyberknife-Sytem. Ein Blick auf die für die Messungen verwendet Cyberknife-System, mit der Beschleuniger Kopf nach unten. Der Wassertank kann entweder auf dem Boden platziert werden, oder auf der Couch Roboter an der Rückseite des Raumes sichtbar, abhängig von der Raum über dem Kopf zur Verfügung. 2. Versuchsaufbau. Der Aufbau ist hier mit der AIC und LIC dargestellt, die nebeneinander innerhalb des Wassertanks (1,5 cm Tiefe), in der Mitte des Strahls, der nach unten gerichtet ist. Die Pfeile zeigen die Beschleunigerkopfbewegung zwischen den einzelnen Messreihen, beginnend bei 60 cm Abstand (58,5 cm SSD) und endet bei 200 cm (198,5 cm SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always"> 3. Allgemeine Sammeleffizienz, Methode A. Diagramm der Entwicklung der allgemeinen Sammeleffizienz, f, in Bezug auf die Dosis pro Impuls (in mGy / Impuls) von Verfahren A erhaltenen Abbildung 4. Allgemeine Sammeleffizienz, aufgetragen Verfahren B. Allgemeine Sammeleffizienz gegen die Dosis pro Puls, folgende Ergebnisse von Methode B. Abbildung 5. Applikation zur relativen Tiefendosismessungen. Die relative Tiefendosis von den Diodenmessungen erhalten ist blau dargestellt.Die Ergebnisse der Messungen werden LIC durch die rote (nicht korrigiert) und Gelb (korrigiert)-Kurven dargestellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Discussion

Die oben vorgestellten Methoden erlauben die Auswertung der Rekombination Effekte in einem LIC über einen großen Bereich von Dosisleistungen (0,14-1,58 mGy / Impuls). Methode A ist einfach, aber mit mehr Unsicherheiten als Methode B, die ziemlich genau (und absolute) Werte der Sammeleffizienz, bietet f verbunden. Rekombination ist für etwa 2% Signalverlust über den gesamten untersuchten Bereich verantwortlich, aber dieser Bereich ist größer als das, was in der Regel während Routinemessungen aufgespannt wird. Der größte Fehler auf einem Ausgabefaktor beträgt 0,35%, und 1% erreicht für einen Prozentsatz Tiefendosismessung wurde im Ergebnisteil gezeigt.

Das kritische Element für die Durchführung des Protokolls ist die Ersteinrichtung des Experiments, wie alle Messungen in Bezug auf die Anfangsposition des Behandlungskopfes durchgeführt. So sollte man vorsichtig sein, über die genaue Messung der Anfangs SSD sein, um die Detektormesswerte beziehen sich jeweils auf seinDosis pro Puls. Dies gilt auch für die Anordnung des Detektors in dem Wasser; darauf zu achten, dass die effektive Messpunkt (1 mm liegt hinter dem Eintrittsfenster in dem Fall der microLion Detektor) wird auf 1,5 cm unter der Oberfläche positioniert werden. Die 1 h Verzögerung und die vorgeBestrahlungsDosis auch zur Stabilisierung der 800 V-Versorgung und der Temperatur wesentlich.

Die Wiederholungsrate der Linac wirkt sich direkt auf die Dosis pro Puls. 800 MU / min und mit einer Frequenz von 150 Hz, die Dosis pro Impuls 0.89 mGy / Impuls. Diese Frequenz sollte für alle Messungen festgelegt werden, um sicherzustellen, dass der Abstand der einzige variable Faktor einen Einfluss auf die Dosis pro Impuls. Das Verfahren kann in dem Fall eines kontinuierlichen Strahls mit einigen Anpassungen ⁷ verwendet werden. Auf anderen Geräten, wo die SSD kann nicht direkt durch Bewegen der Behandlungskopf variiert werden kann, könnte die Wiederholungsrate geändert werden, um die Dosis pro Puls Variation einzuführen. Wenn dieser Parameterfeste und kann die SSD noch durch Bewegen der LIC und die Wasseroberfläche im Tank verändert werden, aber die Richtigkeit dieser Vorgehensweise würde wahrscheinlich niedriger als die Behandlung der Kopfbewegung in der vorliegenden Studie verwendet wird.

Der nächste Schritt bei der Charakterisierung des LIC für die Verwendung in kleinen Bereich Dosimetrie besteht darin, die anderen Faktoren, die Störung der Reaktion, wie die Materialien des Detektors und der Volumeneffekt (dh induzieren zu untersuchen, dass das Messvolumen nicht klein gegenüber den Abmessungen des Strahls). Dies ist durch die Verwendung von Monte-Carlo-Simulationen ⁵ möglich. Mit dieser Aspekte berücksichtigt werden, können globale Korrekturfaktoren zu den LIC Lesungen in der klinischen Routine-Messungen erhalten (Outputfaktoren, Anteil Tiefe Dosen, Dosis-Profile), um sich voll zu beseitigen die Störungen angewendet werden.

Nach der vollständigen Charakterisierung und Korrektur dieser Effekte perturbierende, tLIC er kann als zusätzlicher Detektor für kleine Strahl Dosimetrie verwendet werden, so dass eine unabhängige Überprüfung der Profile, Anteil Tiefe Dosen und Output-Faktoren von anderen Detektoren gemessen. Seine sehr hohe räumliche Auflösung in der Längsrichtung auch für die Dosimetrie von rechteckigen Feldern mit nur einer kleinen Dimension geeignet sein (z. B. Tomotherapie.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Die Autoren haben keine Bestätigungen.

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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