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

Caratterizzazione degli effetti di ricombinazione in una ionizzazione Camera liquido utilizzato per la dosimetria di un Acceleratore radiochirurgico

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 numero crescente di dispositivi di terapia di radiazione offrono il vantaggio di fornire la dose attraverso piccole travi al tumore, consentendo una maggiore conformità e dosi più alte per frazione. Molti rivelatori differenti possono essere utilizzati per la dosimetria di questi piccoli campi. Nel presente studio, l'effetto di ricombinazione ionica è indagato per una camera di ionizzazione liquido utilizzando un sistema radioterapia stereotassica.

Abstract

La maggior parte dei moderni dispositivi di radioterapia consentono l'utilizzo di piccoli campi, sia attraverso piccoli fasci di Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT) o tramite radioterapia stereotassica in cui la precisione di posizionamento permette di erogare dosi molto alte per frazione in un piccolo volume del paziente. Misure dosimetriche su acceleratori medicali vengono convenzionalmente realizzate con camere di ionizzazione riempite d'aria. Tuttavia, in piccoli fasci questi sono soggetti agli effetti di perturbazione non trascurabile. Questo studio si concentra su camere di ionizzazione liquidi, che offrono vantaggi in termini di risoluzione spaziale e bassa perturbazione fluenza. Effetti di ricombinazione Ion sono indagati per il rivelatore microLion (PTW) utilizzato con il sistema Cyberknife (Accuray). Il metodo consiste nell'effettuare una serie di misurazioni serbatoio dell'acqua a diverse distanze sorgente-superficie, e applicare correzioni alle letture rilevatore di liquido a base di misurazioni simultanee rivelatori gassosi. Questo facilitatore approcciotes isolando gli effetti di ricombinazione derivanti dalla elevata densità del mezzo sensibile liquido ed ottenendo fattori di correzione da applicare alle letture del rivelatore. La difficoltà principale risiede nel raggiungere un sufficiente livello di accuratezza nella configurazione di poter rilevare piccoli cambiamenti nella risposta camera.

Introduction

Dosimetria in radioterapia è stata effettuata con camere a ionizzazione gassosi per molti anni. Questi rivelatori funzionano bene per quanto riguarda la radioterapia "convenzionale" è interessato, vale a dire grandi campi omogenei (o lentamente variabili) vengono utilizzati. Tuttavia molti dispositivi recenti, come il Cyberknife (Figura 1) sistema studiato in questo lavoro, offrono la possibilità di utilizzare campi molto piccoli (fino a 5 mm). Altri dispositivi producono profili fascio altamente modulati come in Intensity Modulated Radiation Therapy-(IMRT). Rivelatori pieni d'aria convenzionali non sono adatti per l'queste tecniche ^1; al fine di raggiungere una risoluzione spaziale accettabile il volume della cavità dovrebbe essere ridotta a una dimensione dove la risposta camera diverrebbe troppo bassa. Diodi offrono il vantaggio di minori volumi sensibili e sono ampiamente utilizzati in piccole dosimetria fascio. Tuttavia, essi presentano altre limitazioni come gli effetti di scatteringderivanti dalla loro schermatura metallica ^12,13.

In una camera di ionizzazione liquido ² (LIC), la densità di ionizzazione è molto più alta e quindi la riduzione del volume sensibile è possibile senza compromettere la risposta del rivelatore. Inoltre il supporto sensibile ha una densità prossima a quella dell'acqua, ridurre le perturbazioni fluenza associati un'intercapedine d'aria. Questi aspetti rendono il LIC un candidato interessante per le piccole fascio dosimetria ^3-5.

Ci sono tuttavia alcuni problemi da risolvere prima di poter effettuare misure dosimetriche di routine con i paesi a basso reddito. In primo luogo, a causa della maggiore densità di ionizzazione gli effetti di ricombinazione sono più importanti in camere d'aria ^6-8. Ricombinazione può essere sia iniziale (un elettrone ricombina con il suo ione madre) o generale (due ioni provenienti da diversi eventi ionizzazione ricombinano). Quest'ultimo dipende dalla dose incidente sul rivelatore; ti suoi mezzi che le misure di dose relativa (cioè profili di dose, dosi di profondità percentuale, fattori uscita) possono potenzialmente subire deviazioni dovute alla variazione del rateo di dose. Ricombinazione si caratterizza per l'efficienza di raccolta generale, definito come il rapporto tra la carica misurato alla carica prodotta dalla radiazione incidente e fuga ricombinazione iniziale: f = Q _C / Q _0. In rivelatori gassosi effetti di ricombinazione sono valutate con il metodo a due tensione dalla teoria di Boag ^9,10, che non può essere applicato in LIC ^11.

Un'alternativa può essere trovato nell'uso del metodo a due dosi-rate ^8, composto da variare la dose di isolare l'influenza della ricombinazione generale e misurare l'efficienza di raccolta generale attraverso la relazione

dove u è defined come

con α è il coefficiente di ricombinazione, Q ₀ la quantità di carica che sfugge ricombinazione iniziale, h la separazione elettrodo, posta la carica elementare, V il volume sensibile della camera, k ₁ e k ₂ le mobilità delle cariche positive e negative, e U la tensione applicata. Misurando a dosi differenti per impulso è possibile avere il parametro u e quindi l'efficienza di raccolta, f. La dose per impulso è dato dalla relazione

Tutte le misurazioni vengono effettuate nelle condizioni di riferimento del Cyberknife (Source-Surface Distance SSD = 78,5 centimetri, profondità 1,5 centimetri, 60 millimetri collimatore). L'uso di un grande allo collimatorews evitando gli effetti di volume associati con piccole travi. Dato il tasso di dose è di 800 MU / min e la frequenza di ripetizione è 150 Hz, questo comporta una dose di 0.89 mGy / impulso (nelle condizioni di riferimento, 1 MU corrisponde ad una dose di 1 cGy). Quando la frequenza di ripetizione degli impulsi è mantenuta costante, la dose per impulso dipende solo dalla dose in Gy / min, che è legato al SSD attraverso la legge dell'inverso del quadrato distanza:

per due SSD d ₁ e d _2.

Protocol

1. Setup sperimentale (Figura 2) (Eseguita 1 ora prima delle prime misure per stabilizzare la temperatura del rivelatore e l'alta tensione di alimentazione.) Posizionare il serbatoio dell'acqua sotto la testa di trattamento, tenendo presente che il SSD dovrà essere aumentata fino a 200 cm. Così il serbatoio deve essere posizionato partire da ottenibile, a seconda dell'altezza del soffitto. Allineare il serbatoio con il linac (lati verticali devono essere paralleli ai lati verticali della testa). Il laser può essere usato per assicurare il corretto orientamento; Questa procedura è descritta nella guida Fisica 14 del sistema. Verificare l'orientamento verticale del LINAC eseguendo xe y profilo misurazioni a due diverse profondità, calcolando la declinazione fascio e correggere utilizzando gli assi di rotazione della testa (vedi guida Physics). Sostituire il collimatore con l'accessorio telemetrica, e usarlo per accurdiatamente posizionare la testa a 78,5 centimetri SSD. La punta dell'accessorio dovrebbe toccare appena la superficie dell'acqua. Rimuovere il telemetro e posizionare il collimatore 60 millimetri sulla testa di trattamento. Posizionare il punto di riferimento LIC a 1.5 cm Altezza in posizione verticale, cioè con l'asse della cavità cilindrica parallela alla direzione del fascio. Ciò si traduce in una distanza di 80 cm tra la sorgente e il rivelatore. Utilizzare il laser per posizionare il LIC al centro del fascio nella direzione laterale. Posizionare un 0,125 centimetri a 3-aria riempita camera di ionizzazione (AIC) accanto alla LIC essere in grado di correggere gli effetti di attenuazione, distanza e dispersione. Collegare il LIC e l'alimentazione ad alta tensione per l'elettrometro e impostare la tensione di 800 V. Collegare l'AIC per un altro elettrometro e impostare la tensione di 400 V. Quindi attendere 1 ora per la stabilizzazione. Per garantire la precisione del posizionamento rivelatore laterale, effettuare misure di profilo inentrambe le direzioni trasversali e correggere lo zero della LIC, se necessario. Assicurarsi che la frequenza di ripetizione del linac è fisso (valore nominale = 150 Hz). 2. Misure Prima fornire una dose pre-irradiazione di 3.000 unità monitor (MU) per stabilizzare la risposta LIC. Quindi eseguire uno zero dei elettrometri. Per valutare la dispersione di corrente e stabilità, eseguire una serie di acquisizioni di carica con il fascio largo per una durata pari a quella delle misure (7,5 sec per 100 MU). Confrontare il valore medio ottenuto con i valori misurati con il fascio su. Una carica di dispersione tipico inferiore a 0,03% del valore più piccolo misurato con il sul fascio può essere considerato trascurabile. Posizionare la testa di trattamento a 58,5 centimetri SSD: utilizzare il telecomando in modalità cartesiana e semplicemente eseguire un movimento di 20 centimetri nella direzione z. Lasciare la sala di trattamento, chiudere la porta e programmare un irraggiamento di 100 MU alconsole operatore. Quindi avviare due elettrometri, consegnare la dose e prendere nota degli oneri misurati dal LIC e AIC . Ripetere il processo 10 volte per poter valutare incertezze statistiche. Dopo dieci misure, entrate nella stanza e spostare la testina di trattamento nella posizione successiva (68,5 centimetri SSD). Quindi ripetere i punti 2.4 e 2.5. Quando la testa viene spostata lontano dal serbatoio la distanza tra i punti di misura può essere aumentata come la carica varia secondo la legge dell'inverso del quadrato distanza. Tabella 1 fornisce un esempio di un elenco di punti di misura, insieme alla corrispondente dose per impulso. Tabella 1. Elenco dei punti di misura per le due dosimetodo del tasso (A e B) con le corrispondenti dosi per impulso. 3. Analisi Due metodi possono essere utilizzati per analizzare i dati. Metodo A Per ogni distanza d, prendere il rapporto di ciascun valore misurato LIC con il corrispondente valore AIC ottenuti alla stessa distanza, . Tracciare i rapporti contro la dose per impulso e utilizzare una misura lineare per ottenere il rapporto della dose estrapolata a zero per impulso, R 0. Con il presupposto che l'efficienza di raccolta è uguale a 1 a 0 mGy / impulso, normalizzare tutti i rapporti calcolati nel passaggio 3.A.1 al valore estrapolato dal passaggio precedente per ottenere valori di f (cioè ogni rapporto in scala un fattoretale che k R 0 = 1). Tracciare i valori di f contro i valori di dose per impulso per rappresentare l'evoluzione della efficienza di raccolta. Le barre di errore possono essere calcolati moltiplicazione delle incertezze sulle accuse LIC e AIC valutati dalle misurazioni ripetute ad ogni distanza. Metodo B Prendete i rapporti delle letture LIC a 200 cm (198,5 centimetri SSD) e 60 cm (58,5 centimetri SSD), e delle letture AIC, . Numericamente risolvere l'equazione sotto per u 200. Iniettare il valore di U 200 nel seguente relazione per ottenere l'efficienza di raccolta, fa 200 cm di distanza. L'efficienza può essere calcolata utilizzando i rapporti con altre distanze a 60 cm, fino a quando il rapporto di carica è superiore a 3. Questa procedura permette di testare l'incertezza sui valori calcolati u e f. Calcolare il parametro u per tutti i punti di misurazione, utilizzando la seguente relazione (scegliendo le distanze in modo che ) Calcolare tutte le efficienze di raccolta, f d, dalla relazione Tracciare i valori di f contro i valori di dose per impulso di represent l'evoluzione della efficienza di raccolta. Le barre di errore possono essere calcolati moltiplicazione delle incertezze sulle accuse LIC e AIC valutati dalle misurazioni ripetute ad ogni distanza.

Representative Results

In figura 3 l'efficienza di raccolta f ottenuti da metodo A è tracciata contro la dose per impulso, che varia 0-1,6 mGy / impulso dove una perdita del 2% in segnale può essere visto. I punti seguono un comportamento lineare. Le barre di errore indicano incognite che sembrano inerenti al metodo e può essere notevolmente ridotto con l'uso del metodo B. È anche interessante notare che in questo metodo la risposta AIC si presume subire effetti di ricombinazione, che non è necessariamente del tutto vero . Per verificare questo si può semplicemente eseguire misure analoghe usando l'AIC solo in un berretto build-up (senza serbatoio di acqua) e corretto per la distanza del quadrato; piccole deviazioni possono essere osservate e comprese nei valori incertezze. La Figura 4 mostra l'efficienza di raccolta calcolato dal secondo metodo (B). Esso dimostra più preciso e ha il vantaggio di fornire valori assoluti di f. L'devizioni del comportamento lineare sono piccole e la perdita di segnale è leggermente inferiore a quella con il metodo A. Come applicazione diretta del metodo B, fattori possono essere calcolati per correggere ricombinazione generale a una data dose per impulso, semplicemente prendendo l'inverso della efficienza di raccolta, f. Poi questi fattori possono essere applicati a misure di dose profondità relativa. Figura 5 mostra dose in profondità relativa misurata con un diodo (non soggetto a effetti di ricombinazione) e con il LIC prima e dopo la correzione ricombinazione. Quando le curve sono normalizzati ad una profondità di 240 mm (in cui gli effetti di ricombinazione svaniscono), coincidono, il che significa che le correzioni compensare effetti di ricombinazione nella zona accumulo (dove la dose per impulso e quindi i fattori di correzione sono i più alti). Ciò suggerisce che i fattori di correzione calcolati sono accurate e possono servire come validazione del metodo del tasso di due dosi. <p class="jove_content" fo: Keep-together.within-page = "always"> Figura 1. Sytem Cyberknife. Una vista del sistema Cyberknife utilizzato per le misurazioni, con la testa acceleratore verso il basso. Il serbatoio dell'acqua può essere collocato sul pavimento o sul divano robotico visibile sul fondo della camera, a seconda dello spazio disponibile sopra la testa. Figura 2. Apparato sperimentale. L'installazione è qui rappresentato con il CIA e LIC collocato accanto all'altro all'interno del serbatoio dell'acqua (1,5 cm di profondità), al centro del fascio, che è diretta verso il basso. Le frecce indicano il movimento della testa acceleratore tra ogni serie di misure, a partire da una distanza di 60 cm (58,5 centimetri SSD) e termina a 200 cm (198,5 centimetri SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always"> Figura 3. Generale efficienza di raccolta, metodo A. Grafico dell'evoluzione della efficienza di raccolta generale, f, rispetto alla dose per impulso (in mGy / impulso) ottenuto dal metodo A. Figura 4. Generale efficienza di raccolta, metodo B. generale efficienza di raccolta in grafico contro la dose per impulso, sulla base dei risultati di metodo B. Figura 5. Applicazione alle misure di dose di profondità relativi. La dose di profondità relativa ottenuta dalle misurazioni diodo è mostrato in blu.I risultati delle misurazioni LIC sono rappresentati dal rosso (non corretta) e gialli (corretto) curve. Cliccate qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Discussion

I metodi di cui sopra consentono di valutare gli effetti di ricombinazione in un LIC su una vasta gamma di dosi (0,14-1,58 mGy / impulsi). Metodo A è semplice ma è associato con più incertezze che il metodo B, che fornisce i valori abbastanza precise (e assoluti) della efficienza di raccolta, f. Ricombinazione è responsabile della perdita di circa il 2% in segnale su tutta la gamma studiato, ma questo intervallo è più grande di quello che normalmente è attraversato durante le misurazioni di routine. Il più grande errore su un fattore di uscita è 0,35%, e raggiunge 1% per una misurazione della dose percentuale profonda come è stato illustrato nella sezione risultati.

L'elemento critico per condurre il protocollo è la configurazione iniziale dell'esperimento, come tutte le misurazioni vengono eseguite rispetto alla posizione iniziale della testina di trattamento. Così si dovrebbe essere attenti circa la misurazione accurata della SSD iniziale per essere in grado di relazionarsi con le letture del rivelatore a ciascundosare per impulso. Questo è vero per il posizionamento del rivelatore in acqua anche; occorre prestare attenzione che il punto effettivo di misurazione (situato ad 1 mm dietro la finestra d'ingresso nel caso del rivelatore microLion) è posizionato a 1,5 cm sotto la superficie. Il ritardo di 1 ora e la dose di pre-irradiazione sono essenziali per stabilizzare l'alimentazione 800 V e la temperatura.

Il tasso di ripetizione del LINAC impatti direttamente la dose per impulso. A 800 MU / min e con una frequenza di 150 Hz, la dose per impulso è 0.89 mGy / impulso. Questa frequenza è opportuno fissare per tutti misure per assicurarsi che la distanza è l'unico fattore variabile avente una influenza sulla dose per impulso. Il metodo può essere usato nel caso di un fascio continuo con alcuni adattamenti ^7. Su altri dispositivi in cui l'SSD non può essere variata spostando direttamente la testina di trattamento, la frequenza di ripetizione potrebbe essere modificato per introdurre la variazione di dose per impulso. Se il parametro èfisso così, il SSD può ancora essere modificato spostando il LIC e la superficie dell'acqua nel serbatoio, ma l'accuratezza di questo approccio sarebbe probabilmente inferiore il movimento della testa di trattamento utilizzato nel presente studio.

Il passo successivo nella caratterizzazione del LIC per il suo utilizzo in campo piccolo dosimetria è indagare gli altri fattori che inducono perturbazione della risposta, come i materiali del rivelatore e l'effetto volume (cioè il fatto che il volume sensibile non è piccola rispetto alle dimensioni del fascio). Ciò è possibile attraverso l'uso di simulazioni Monte Carlo ^5. Con tali aspetti presi in considerazione i fattori di correzione globali possono essere applicati alle letture LIC ottenuti in misure di routine clinici (fattori di output, proporzioni percentuali profondità, profili dose) per eliminare completamente le perturbazioni.

Dopo la completa caratterizzazione e la correzione di questi effetti perturbatore, tegli LIC può essere usato come rivelatore per piccoli dosimetria fascio, consentendo un controllo indipendente dei profili, dosi profondità percentuali e fattori di uscita misurate da altri rivelatori. La sua altissima risoluzione spaziale nella direzione longitudinale sarebbe anche adatta per la dosimetria di campi rettangolari con solo una piccola dimensione (es Tomoterapia.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Gli autori non hanno riconoscimenti.

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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