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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Caracterização dos Efeitos de recombinação em uma Câmara de ionização líquido usado para a dosimetria de um Acelerador Radiosurgical

Published: May 09, 2014

doi:

10.3791/51296

Antoine Wagner¹, Frederik Crop¹, Thomas Lacornerie¹, Nick Reynaert¹

¹Department of Medical Physics,Centre Oscar Lambret

Summary

Um número cada vez maior de dispositivos de terapia de radiação oferecem a vantagem de proporcionar a dose muito pequenas através de vigas para o tumor, permitindo uma maior conformidade e doses mais altas por fracção. Muitos detectores diferentes pode ser usado para a dosimetria desses pequenos campos. No presente estudo, o efeito da recombinação de iões é investigada para uma câmara de ionização líquida, usando um sistema de radioterapia estereotáxica.

Abstract

A maioria dos modernos dispositivos de terapia de radiação permite a utilização de muito pequenas áreas, ou através de terapia de radiação beamlets Intensidade Modulada (IMRT) ou através de radioterapia estereotáxica, onde a precisão de posicionamento permite a entrega de doses muito elevadas por fracção num pequeno volume do paciente. Medições dosimétricas em aceleradores médicos são convencionalmente realizado utilizando câmaras de ionização com ar. No entanto, em pequenos feixes estes estão sujeitos aos efeitos de perturbação nonnegligible. Este estudo centra-se em câmaras de ionização líquidos, que oferecem vantagens em termos de resolução espacial e baixa perturbação influência. Efeitos de recombinação de íons são investigados pelo detector microLion (PTW) usado com o sistema Cyberknife (Accuray). O método consiste na realização de uma série de medições do tanque de água a diferentes distâncias fonte de superfície, e a aplicação de correcções para as leituras de detectores líquidas à base de medições simultâneas detectores gasosos. Esta abordagem facilitadortes isolando os efeitos de recombinação decorrentes da alta densidade do meio sensível líquido e obtenção de fatores de correção para aplicar às leituras do detector. A principal dificuldade reside na obtenção de um nível suficiente de precisão na configuração de ser capaz de detectar pequenas mudanças na resposta de câmara.

Introduction

Dosimetria em radioterapia foi realizada utilizando câmaras de ionização gasosos por muitos anos. Estes detectores de bom desempenho, tanto quanto a terapia de radiação "convencional" está em causa, isto é, grandes campos homogéneos (ou lentamente variável) são usadas. No entanto, muitos dispositivos recentes, tais como a Cyberknife (Figura 1) do sistema estudados neste trabalho, oferecem a possibilidade de utilização de campos muito pequenos (abaixo de 5 mm). Outros dispositivos produzir perfis feixe altamente modulados, como em Intensidade Modulada Radioterapia (IMRT). Detectores cheios de ar convencionais não estão bem adequados para estas técnicas ^1; , a fim de alcançar uma resolução espacial aceitável o volume da cavidade teria de ser reduzido a um tamanho em que a resposta câmara iria tornar-se demasiado baixo. Diodos oferecem a vantagem de volumes menores e sensíveis que são amplamente utilizados em pequena dosimetria do feixe. No entanto, eles apresentam outras limitações, tais como efeitos de espalhamentodecorrente da sua blindagem metálica ^12,13.

Em uma câmara de ionização líquida ² (LIC), a densidade de ionização é muito mais elevado e assim é possível a redução do volume sensível, sem comprometer a resposta do detector. Além disso, o meio sensível tem uma densidade próxima da da água, reduzindo as perturbações de fluência associados com uma cavidade de ar. Estes aspectos tornam o LIC um candidato interessante para pequenas feixe dosimetria ^3-5.

Há, no entanto, algumas questões a resolver antes de ser capaz de realizar medições de dosimetria de rotina com PBR. Em primeiro lugar, devido a uma densidade de ionização mais elevado dos efeitos de recombinação são mais importantes do que nas câmaras cheias de ar ^6-8. A recombinação pode ser inicial (um elétron recombina com seu íon mãe) ou geral (dois íons provenientes de diferentes eventos de ionização recombinar). O último é dependente da taxa de dose incidente no detector; tseus meios que medições de dose relativa (por exemplo, perfis de dose, doses de profundidade percentual, fatores de saída) pode potencialmente sofrer desvios devido à mudança na taxa de dose. Recombinação é caracterizada pela eficiência de recolha geral, definida como a razão entre a carga medida para a carga produzida pela radiação incidente e escapando recombinação inicial: f = Q _C / Q _0. Em detectores gasosos efeitos de recombinação são avaliadas utilizando o método de duas tensão a partir da teoria das Boag ^9,10, o que não pode ser aplicado em PBR ^11.

Uma alternativa pode ser encontrado na utilização do método da taxa de duas doses ^{de 8,} que consiste em variar a taxa de dose para isolar a influência de recombinação geral e medir a eficiência de recolha através da relação geral

onde u é defined como

com α sendo o coeficiente de recombinação, Q ₀ a quantidade de carga que escapa recombinação inicial, h a separação do eletrodo, E a carga elementar, V o volume sensível da câmara, k ₁ e k ₂ as mobilidades das cargas positivas e negativas, e L a tensão aplicada. Ao medir a diferentes doses por impulsos, é possível obter o parâmetro de retorno e, portanto, a eficiência de recolha, f. A dose por impulsos é dado pela relação

Todas as medições são realizadas nas condições de referência do Cyberknife (fonte-superfície Distância SSD = 78,5 centímetros, 1,5 cm de profundidade, 60 mm colimador). A utilização de um grande alo colimadorws evitando os efeitos de volume associados com pequenos raios. Dada a taxa de dose é de 800 MU / min e a frequência de repetição é de 150 Hz, o que resulta em uma dose de 0,89 mGy / pulso (nas condições de referência, de 1 MU corresponde a uma dose de 1 cGy). Quando a frequência de repetição de pulso é mantida constante, a dose por impulso só depende da taxa de dose de Gy / min, o que está relacionado com o SSD através da lei distância inversa-quadrado:

para dois SSDs d ₁ e d _2.

Protocol

1. Setup Experimental (Figura 2) (Realizada 1 hora antes das primeiras medições para estabilizar a temperatura do detector e a fonte de alta tensão.) Coloque o tanque de água sob a cabeça do tratamento, tendo em mente que o SSD vai ter que ser aumentada até 200 cm. Assim, o tanque deve ser posicionado tão baixo quanto possível, dependendo da altura do tecto. Alinhe o tanque de água com o acelerador linear (seus lados verticais devem ser paralelos às laterais verticais da cabeça). O laser pode ser utilizado para garantir a orientação está correcta; este procedimento é detalhado no guia de Física 14 do sistema. Verifique a orientação vertical do acelerador linear, realizando x e y perfil medições em duas profundidades diferentes, o cálculo da declinação do feixe e corrigir usando os eixos de rotação da cabeça (ver guia de Física). Substitua o colimador com o acessório telêmetro, e usá-lo para accurdiatamente posicionar a cabeça em 78,5 centímetros SSD. A ponta do acessório mal deve tocar a superfície da água. Retire o telêmetro e coloque o colimador 60 milímetros na cabeça tratamento. Posicionar o ponto de referência LIC em 1,5 cm de profundidade numa posição vertical, isto é, com o eixo da cavidade cilíndrica paralela à direcção do feixe. Isto resulta numa distância de 80 cm entre a fonte e o detector. Usar o laser para posicionar o LIC no centro do feixe na direcção lateral. Coloque uma 0,125 centímetros 3 ionização câmara cheia de ar (AIC) ao lado do LIC para ser capaz de corrigir os efeitos de atenuação, distância e dispersão. Conecte o LIC eo fornecimento de alta tensão para o eletrômetro e definir a tensão de 800 V. Conecte o AIC para outro eletrômetro e definir a tensão de 400 V. Em seguida, esperar 1 hora para fins de estabilização. Para garantir a precisão do posicionamento detector lateral, realizar medições de perfil emambas as direções transversais e corrigir o zero do LIC, se necessário. Certifique-se que a taxa de repetição do acelerador linear é fixo (valor nominal = 150 Hz). 2. Medições Primeiro administrar uma dose pré-irradiação de 3.000 unidades de monitor (MU), a fim de estabilizar a resposta LIC. Em seguida, realizar um zero dos eletrômetros. Para avaliar a corrente de fuga e estabilidade, realizar uma série de aquisições de carga com o feixe de fora por um período igual ao das medidas (7,5 seg para 100 MU). Comparar o valor médio obtido para os valores medidos com o feixe de. A taxa de vazamento típico de menos de 0,03% do valor medido com o menor no feixe pode ser considerado insignificante. Coloque a cabeça do tratamento em 58,5 centímetros SSD: use o controle remoto no modo cartesiano e simplesmente executar um 20 centímetros de movimento na direção z. Deixar a sala de tratamento, feche a porta e programar uma irradiação de 100 MU noconsole do operador. Então comece a ambos os eletrômetros, administrar a dose e observe as taxas medidas pelo LIC eo AIC . Repita o processo 10 vezes para poder avaliar incertezas estatísticos. Depois de dez medidas, entrar na sala e mover a cabeça de tratamento para a posição seguinte (68,5 centímetros SSD). Em seguida, repita os passos 2.4 e 2.5. Quando a cabeça é movida mais longe a partir do tanque a distância entre pontos de medição, pode ser aumentada a carga varia como se segue a lei inversa distância ao quadrado. Tabela 1 fornece um exemplo de uma lista de pontos de medição, juntamente com a correspondente dose por impulso. Tabela 1. Lista de pontos de medição para as duas dosesmétodo da taxa (A e B) com as doses correspondentes por pulso. 3. Análise Dois métodos podem ser utilizados para analisar os dados. Método A Para cada distância d, tomar a relação de cada valor LIC medido com o valor correspondente obtido a AIC à mesma distância, . Traçar as relações contra a dose por impulso e usar um ajuste linear para obter a razão de dose extrapolada a zero por impulsos, R 0. Com o pressuposto de que a eficiência é igual a 1 a 0 mGy / pulso, normalizar todas as relações calculadas no passo 3.A.1 para o valor extrapolado a partir da etapa anterior, a fim de obter valores de f (ou seja, a cada escala por razão um factortal que k R 0 = 1). Represente graficamente os valores de f em função dos valores da dose por pulso para representar a evolução da eficiência da recolha. As barras de erro pode ser calculado através da propagação das incertezas sobre os encargos de LIC e AIC avaliadas a partir das medições repetidas a cada distância. Método B Tome as relações das leituras LIC a 200 cm (198,5 centímetros SSD) e 60 cm (58,5 centímetros SSD), e das leituras da AIC, . Numericamente resolver a equação abaixo para u 200. Injectar o valor de u 200 na seguinte relação para obter o rendimento de recolha, fem 200 cm de distância. A eficiência pode ser calculada utilizando as relações com outras distâncias de 60 cm, enquanto a razão de carga é maior do que 3. Este procedimento permite testar a incerteza sobre os valores calculados e u f. Calcular o parâmetro u para todos os pontos de medição, com a seguinte relação (a escolha das distâncias de modo a que ) Calcular todas as eficiências de coleta, f d, a partir da relação Represente graficamente os valores de f em função dos valores da dose por pulso para represent a evolução do rendimento de recolha. As barras de erro pode ser calculado através da propagação das incertezas sobre os encargos de LIC e AIC avaliadas a partir das medições repetidas a cada distância.

Representative Results

Na Figura 3, o rendimento de recolha f obtida a partir de um método é representada graficamente contra a dose por impulso, que varia 0-1,6 mGy / pulso onde uma perda de 2% no sinal pode ser visto. Os pontos seguem um comportamento linear. As barras de erro mostram incertezas importantes que parecem inerente ao método e podem ser grandemente reduzidos com a utilização do método B. É também importante notar que neste método a resposta a AIC é assumido para sofrer quaisquer efeitos de recombinação, o qual não é necessariamente verdadeiro totalmente . Para verificar isso pode-se simplesmente realizar medições similares usando o AIC sozinho em um tampão de build-up (sem tanque de água) e correta para a distância do inverso do quadrado; pequenos desvios podem ser observados e incluídos nos valores incertezas. A Figura 4 mostra a eficiência de recolha calculado a partir do segundo método (B). É a prova mais preciso e tem a vantagem de fornecer valores absolutos de f. O devições do comportamento linear são pequenas e a perda de sinal é ligeiramente menor do que com o método A. Como uma aplicação directa do método B, factores podem ser calculados para corrigir para a recombinação geral a uma dada dose, por impulso, simplesmente tomando o inverso da eficiência da recolha, f. Em seguida, estes factores podem ser aplicados para medições de dose profundidade relativa. Figura 5 mostra a dose relativa profundidade medido com um díodo (não sujeitas a efeitos de recombinação) e com o LIC antes e após a correcção de recombinação. Quando as curvas são normalizados a uma profundidade de 240 mm (em que os efeitos de recombinação desaparecer), que coincidem, o que significa que as correcções para compensar os efeitos de recombinação na zona de acumulação (em que a dose por impulso e, portanto, os factores de correcção são as mais elevadas). Isto sugere que os fatores de correção calculados são precisos e pode servir como uma validação do método da taxa de duas doses. <p class="jove_content" fo: Manter-together.within-page = "always"> Sytem Cyberknife Figura 1.. Uma visão do sistema Cyberknife usado para as medições, com a cabeça apontando para baixo acelerador. O tanque de água pode ser colocada no chão ou no sofá robótico visível na parte de trás da sala, de acordo com o espaço disponível acima da cabeça. Figura 2. Instalação experimental. A configuração está representada aqui com a AIC e LIC colocado ao lado do outro no interior do reservatório de água (1,5 cm de profundidade), no centro do feixe, o qual é dirigido para baixo. As setas indicam o movimento da cabeça acelerador entre cada série de medidas, a partir de 60 cm de distância (58,5 centímetros SSD) e terminando em 200 cm (198,5 centímetros SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always"> Figura 3. Eficiência geral recolha, método A. Gráfico da evolução da eficiência de recolha geral, f, com respeito à dosagem por impulso (em mGy / pulso) obtido a partir de A. Método Figura 4. Eficiência Geral coleta, método B. Geral eficiência de coleta em função do dose por pulso, seguindo os resultados de método B. Figura 5. Aplicação para medições de dose profundidade relativa. A dose profundidade relativa obtidos a partir das medições de diodo é mostrado em azul.Os resultados das medições LIC são representados pelo amarelas curvas (corrigida) vermelho (sem correção) e. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Discussion

Os métodos apresentados acima permitem avaliar os efeitos de recombinação em um LIC sobre uma grande variedade de doses (0,14-1,58 mGy / pulso). Método A é simples, mas é associado com mais incertezas do que o método B, que fornece valores bastante precisos (e absoluta) de eficiência de coleta, f. A recombinação é responsável pela perda de aproximadamente 2% no sinal em toda a faixa investigada, mas este intervalo é maior do que o que geralmente é medido durante as medições de rotina. O maior erro em um factor de saída é de 0,35%, e atinge 1% para uma medição de dose em profundidade percentagem como foi mostrado na secção de resultados.

O elemento crítico para a realização do protocolo é a configuração inicial da experiência, como todas as medições são realizadas em relação à posição inicial da cabeça de tratamento. Assim, deve-se ter cuidado com a medida exata do SSD inicial para ser capaz de relacionar as leituras do detector para cadadosar por pulso. Isto também é verdadeiro para o posicionamento do detector em água; deve ser tomado cuidado de que o ponto efectivo de medição (situado a 1 mm atrás da janela de entrada, no caso de o detector microLion) está posicionado a 1,5 cm abaixo da superfície. O atraso de 1 hora e a dose pré-irradiação são também essenciais para estabilizar o fornecimento de 800 V e à temperatura.

A taxa de repetição do acelerador linear impacta diretamente a dose por pulso. A 800 MU / min e com uma frequência de 150 Hz, a dose por pulso é 0,89 mGy / pulso. Esta freqüência deve ser fixada para todas as medidas para garantir que a distância é o único fator variável ter uma influência sobre a dose por pulso. O método pode ser utilizado no caso de uma viga contínua com algumas adaptações ^7. Em outros dispositivos onde a SSD não pode ser variada movendo directamente a cabeça de tratamento, a taxa de repetição pode ser modificada para introduzir a dose por variação de impulsos. Se este parâmetro éfixo, bem como, o SSD pode ainda ser modificada movendo o PBR e a superfície da água no tanque, mas a exactidão dessa aproximação seria provavelmente mais baixa do que o movimento da cabeça de tratamento utilizado no presente estudo.

O próximo passo na caracterização do LIC para o seu uso em pequenas dosimetria campo é para investigar os outros factores que induzem a perturbação da resposta, tal como os materiais do detector e o efeito do volume (isto é, o facto de que o volume não é sensível pequena em comparação com as dimensões do feixe). Isto é possível através da utilização de simulações de Monte Carlo ^5. Com estes aspectos levados em conta factores de correcção global podem ser aplicados para as leituras LIC obtidos nas medições de rotina clínica (factores de saída, doses percentuais de profundidade, perfis de dose), a fim de eliminar completamente as perturbações.

Após a completa caracterização e correção destes efeitos perturbating, tLIC ele pode ser usado como um detector adicional para dosimetria pequeno feixe, permitindo que uma verificação independente dos perfis, as doses percentuais de profundidade e os factores de saída medidos por outros detectores. É muito alta resolução espacial na direção longitudinal também seria adequado para a dosimetria de campos retangulares, com apenas uma pequena dimensão (por exemplo, TomoTherapy.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Os autores não têm confirmações.

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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