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

Характеристика рекомбинации Effects в ионизационной камеры жидкость, используемая для дозиметрии в радиохирургического 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

Все большее число устройств лучевой терапии имеют то преимущество, обеспечивая дозу через очень маленькие лучей в опухоль, что позволяет увеличить соответствия и более высоких дозах на фракцию. Много различных детекторов могут быть использованы для дозиметрии этих малых областях. В настоящем исследовании, эффект ионной рекомбинации исследуется для жидкого ионизационной камеры с помощью стереотаксической системы лучевой терапии.

Abstract

Большинство современных устройств лучевой терапии позволяют использовать очень малых месторождений, либо через бимлетов в модулированной интенсивностью лучевой терапии (IMRT) или через стереотаксической лучевой терапии, где точность позиционирования позволяет доставлять очень высокие дозы на фракции в небольшом объеме пациента. Дозиметрические измерения на медицинских ускорителях условно реализована с использованием заполненные воздухом ионизационные камеры. Тем не менее, в небольших балок они подлежат nonnegligible воздействием возмущений. Это исследование фокусируется на жидких камер ионизации, которые предлагают преимущества с точки зрения пространственного разрешения и низкой плотности энергии возмущения. Ion эффекты рекомбинации исследуются для детектора microLion (PTW), используемого в системе Cyberknife (Accuray). Метод состоит из выполнения серии измерений для резервуаров для воды на разных расстояниях источник-поверхностных и введения поправок к показаниям жидких детекторов на основе одновременных газообразных измерений детектора. Этот подход облегченоTES изолирующие рекомбинации эффекты, возникающие от высокой плотностью жидкой чувствительной среде и получение поправочные коэффициенты для применения с показаниями детектора. Основная трудность заключается в достижении достаточного уровня точности в настройках, чтобы быть в состоянии обнаружить небольшие изменения в ответе камеры.

Introduction

Дозиметрии в лучевой терапии была выполнена с использованием газообразных ионизационных камер в течение многих лет. Эти детекторы работают хорошо, насколько "обычные" лучевая терапия, то, используются т.е. крупные однородные (или медленно меняющиеся) поля. Однако многие недавние устройства, такие как КиберНож (рис. 1) система учился в этой работе, предлагают возможность использования очень небольшие поля (до 5 мм). Другие устройства производят высоко модулированных профилей пучка, такие как в модулированной интенсивностью лучевой терапии (IMRT). Обычные заполненные воздухом детекторы не очень хорошо подходит для этих методов ^1; , чтобы достичь приемлемого пространственное разрешение объем полости должны были бы быть уменьшено до размера, когда ответ камера стала бы слишком низкой. Диоды имеют то преимущество, меньших объемов чувствительных и они широко используются в небольших дозиметрии пучка. Однако они представляют другие ограничения, такие как эффекты рассеяниявытекающие из металлических защитных ^12,13.

В жидком ионизационной камеры ² (LIC), плотность ионизации намного выше, и, следовательно, уменьшение чувствительном объеме можно без ущерба отклика детектора. Кроме того, чувствительный среда имеет плотность, близкую к плотности воды, уменьшение плотности энергии возмущения, связанные с воздушной полости. Эти аспекты делают ЛИК интересным кандидатом для малых луча дозиметрического ^3-5.

Есть, тем не менее некоторые вопросы, требующие решения прежде чем он сможет выполнять рутинные измерения дозиметрические с СНД. Во-первых, из-за более высокой плотности ионизации эффекты рекомбинации являются более важными, чем в заполненных воздухом камер ^6-8. Рекомбинация может быть либо начальной (электрон рекомбинирует с его матерью иона) или общее (два иона, поступающие от различных событий ионизации рекомбинации). Последнее зависит от мощности дозы, падающего на детектор; тего средства, что измерения относительной дозы (т.е. профили дозы, глубина процент дозы, выход факторы) могут потенциально подвергаются отклонения в связи с изменением дозы. Рекомбинация характеризуется эффективности сбора целом, определяется как отношение измеренного заряда к заряду производимого падающего излучения и избежать начальной рекомбинации: F = Q _C / Q _0. В газообразных детекторов эффекты рекомбинации оцениваются с использованием метода двух напряжений от теории Boag ^9,10, которая не может быть применен в СНД ^11.

В качестве альтернативы, можно найти в использовании метода двух мощности дозы ^8, состоящей из различной мощности дозы изолировать влияние общей рекомбинации и измерения эффективности общей коллекции через отношение

где и четкостиIned как

с α будучи коэффициент рекомбинации, Q ₀ количество заряда, что ускользает начальная рекомбинация, ч разделение электродов, электронной элементарный заряд, V чувствительны объем камеры, к ₁ и к ₂ подвижности положительных и отрицательных зарядов, и U приложенное напряжение. Путем измерения в различных дозах в импульсе можно получить параметр U и, следовательно, эффективность сбора, ф. Доза за импульс задается соотношением

Все измерения проводятся при нормальных условиях Cyberknife (Источник-Поверхность Расстояние SSD = 78,5 см, глубина 1,5 см, 60 мм коллиматор). Использование большого коллиматора аллоWS избегая объемные эффекты, связанные с небольшими пучками. С учетом дозы 800 MU / мин, а частота повторения 150 Гц, то это приводит в дозе 0,89 мГр / импульса (при нормальных условиях, 1 MU соответствует дозе 1 сГр). Когда частота следования импульсов остается постоянной, доза за импульс зависит только от мощности дозы в Гр / мин, что связано с SSD через обратных квадратов расстояния закона:

для двух твердотельных накопителей D ₁ и D _2.

Protocol

1. Экспериментальная установка (рис. 2) (Исполняется 1 час до первых измерений по стабилизации температуры детектора и подачу высокого напряжения.) Поместите емкость для воды под голову лечения, имея в виду, что SSD придется быть увеличена до 200 см. Таким образом, бак должен быть расположен по цене от достижимо, в зависимости от высоты потолка. Совместите резервуар для воды с линейным ускорителем (его вертикальные стороны должны быть параллельны вертикальным сторонам головы). Лазер может быть использован для обеспечения правильность ориентации; Эта процедура подробно описана в руководстве физики 14 системы. Проверьте вертикальную ориентацию линейного ускорителя, выполняя х и у профильных измерений на двух различных глубинах, вычисления склонение луча и коррекции с помощью осей вращения головки (см. Физика руководство). Замените коллиматор с телеизмерения аксессуар, и использовать его для Точность дляленно позиционировать головку на 78,5 см SSD. Кончик аксессуар должна едва касаться поверхности воды. Снимите Telemeter и поместите 60 мм коллиматор на голову лечения. Поместите опорную точку LIC на 1,5 см глубины в вертикальном положении, т.е. с осью цилиндрической полости параллельно направлению пучка. Это приводит к расстоянии 80 см между источником и детектором. С помощью лазера, чтобы установить LIC в центре пучка в поперечном направлении. Поставьте 0,125 см 3 воздуха заполненные ионизационной камеры (AIC) рядом с ТИК, чтобы иметь возможность корректировать затухания, расстояние и рассеяния эффектов. Подключите LIC и подачу высокого напряжения на электрометра и установить напряжение до 800 В. Подключите АПК в другую электрометра и установить напряжение до 400 В. Затем подождите 1 час в целях стабилизации. Для обеспечения точности детектора боковой позиционирования, выполните профильных измерений воба поперечном направлениях и исправить нуля ТИК при необходимости. Убедитесь, что частота повторения ускорителя фиксируется (номинальное значение = 150 Гц). 2. Измерения Впервые доставить предварительно дозу облучения 3000 мониторов единиц (MU) в целях стабилизации ответ LIC. Затем выполните нуль электрометров. Для оценки тока утечки и стабильности, выполнить ряд приобретений заряда с луча от для периода, равного, что из измерений (7,5 сек для 100 MU). Сравните среднюю величину, полученную в измеренных значений с пучком на. Типичный заряд утечки менее 0,03% от наименьшего значения измеряемой с пучка на можно считать незначительным. Установите головку лечения на 58,5 см SSD: использовать пульт ДУ в декартовой режиме и просто выполнить 20 см движение в направлении оси г. Оставьте процедурный кабинет, закрыть дверь и запрограммировать облучение 100 MU наконсоль оператора. Тогда начните как электрометров, доставить дозу и обратите внимание на обвинения, измеренные в ТИК и АПК . Повторите процесс в 10 раз, чтобы иметь возможность оценить статистические неопределенности. После десяти измерений, войти в комнату и переместите голову лечения на следующую позицию (68,5 см SSD). Тогда повторите шаги 2.4 и 2.5. Когда голова перемещается дальше от резервуара расстояние между точками измерения может быть увеличена как заряд меняется после обратных квадратов расстояния закон. Таблица 1 дает пример списка точек измерения, наряду с соответствующей дозой за импульс. Таблица 1. Список точек измерения для двух дозСпособ скорость (А и В) с соответствующими дозами в импульсе. 3. Анализ Два способа могут быть использованы для анализа данных. Метод Для каждого Расстояние D, взять отношение каждого измеренного значения LIC с соответствующим значением AIC полученной на том же расстоянии, . Участок коэффициенты против дозы за импульс и использовать линейную аппроксимацию, чтобы получить соотношение экстраполированы на нулевой дозы за импульс, R 0. С предположением, что эффективность сбора равна 1 при 0 мГр / импульса, нормализуют все коэффициенты, рассчитанные на этапе 3.А.1 к экстраполированного значения из предыдущего шага для того, чтобы получить значения F (т.е. масштабные каждый соотношение по фактортакие, что к R 0 = 1). Участок значения е против ценностей дозы в импульсе представлять эволюцию эффективности сбора. Столбики ошибок может быть рассчитана путем распространения неопределенности на ТИК и АПК обвинению оцененных от повторных измерений на каждой дистанции. Способ Б Возьмите отношения показаний ТИК на 200 см (198,5 см SSD) и 60 см (58,5 см SSD), и из показаний АПК, . Численно решить уравнение ниже для и 200. Введите значение и 200 в следующем отношении получения эффективности сбора, Fпри 200 см расстояния. Эффективность можно рассчитать, используя коэффициенты с другими расстояниях, чем 60 см, при условии, что отношение заряда выше, чем 3. Эта процедура позволяет протестировать неопределенность на расчетных и и е ценностей. Рассчитать параметр U для всех точек измерения, используя следующее соотношение (выбор расстояния, так что ) Рассчитать все эффективность улавливания, F D, из соотношения Участок значения е против ценностей дозы за импульс к represeнт эволюцию эффективности сбора. Столбики ошибок может быть рассчитана путем распространения неопределенности на ТИК и АПК обвинению оцененных от повторных измерений на каждой дистанции.

Representative Results

На рисунке 3 эффективность сбора е получается из метода А заговор против дозы в импульсе, которая колеблется от 0 до 1,6 мГр / импульса, где потери в сигнале 2% можно увидеть. Точки следовать линейное поведение. Столбики ошибок показывают важные неопределенности, которые, кажется, присущие методу и может быть значительно сокращена с использованием метода В. Стоит также отметить, что в этом методе предполагается ответ АПК не пройти ни одного рекомбинации эффекты, которые не обязательно совсем верно . Для проверки этого можно просто выполнить аналогичные измерения с помощью АПК один в нароста крышкой (без резервуара для воды) и правильным для обратных квадратов расстояния; небольшие отклонения могут наблюдаться и включены в значениях неопределенности. Фиг.4 показывает эффективность сбора рассчитанную от второго способа (б). Это доказывает, точнее и имеет то преимущество, обеспечивая абсолютные значения ф. Девиобъема от линейной поведения малы и потери в сигнале несколько ниже, чем при использовании метода А. В прямом применении метода B, факторы могут быть рассчитаны для коррекции общей рекомбинации в данной дозе на импульс, просто взять обратную эффективности сбора, ф. Затем эти факторы могут быть применены к измерений относительной глубины дозы. 5 показано относительное дозу глубину, измеренную с диодом (не подлежащих эффектов рекомбинации) и с LIC до и после коррекции рекомбинации. Когда кривые нормированы на глубину 240 мм (где эффекты рекомбинации равны нулю), то они совпадают, это означает, что поправки компенсировать эффекты рекомбинации в области нарастания (где доза за импульс и тем самым поправочные коэффициенты являются самыми высокими). Это говорит о том, что расчетные поправочные коэффициенты являются точными и могут служить валидации метода двух доз ставки. <p class="jove_content" fo: Держать-together.within страницах = "всегда"> Рисунок 1. Кибер-Нож системном. Вид системы Cyberknife, используемого для измерений, с ускоритель голова вниз. Бак для воды может быть либо размещены на полу или на кушетке робота видимой в задней части комнаты, в зависимости от доступного пространства над головой. Рисунок 2. Экспериментальная установка. Установка представлена здесь с АИК и ТИК размещены рядом друг с другом внутри резервуара для воды (1,5 см глубины), в центре луча, направленного вниз. Стрелки указывают ускоритель головы движение между каждой серии измерений, начиная с расстояния 60 см (58,5 см SSD) и заканчивая 200 см (198,5 см SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within страницах = "всегда"> Рисунок 3. Общий эффективность сбора, метод А. График эволюции эффективности сбора общем, е, по отношению к дозы за импульс (в мГр / импульс), полученный от способа А. Рисунок 4. Генеральный эффективность сбора, метод B. Общая эффективность сбора заговор против дозы за импульс, после результатов метода B. Рисунок 5. Применение к измерениям относительных глубинных доз. Относительная доза глубина получены из измерений диодных показаны синим цветом.Результаты измерений ТИК представлены красный (без коррекции) и желтых (исправлено) кривых. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Discussion

Методы, представленные выше, позволяют оценивать влияние на рекомбинации в ТИК в широком диапазоне мощностей доз (от 0,14 до 1,58 мГр / пульс). Метод прост, но связано с более неопределенностей, чем метод B, который обеспечивает достаточно точные (и абсолютные) значения эффективности сбора, ф. Рекомбинация несет ответственность за потерю примерно 2% в сигнала во всем диапазоне исследованных, но этот диапазон больше, чем то, что обычно натянутое во время обычных измерений. Крупнейший ошибке на фактор выходного составляет 0,35%, и это достигает 1% для измерения глубины процент дозы, как было показано в разделе результатов.

Важнейшим элементом для ведения протокола является начальная настройка эксперимента, так как все измерения выполняются относительно начального положения головы лечения. Таким образом, следует быть осторожными относительно точного измерения начальной SSD, чтобы иметь возможность связать показания детектора другдозы в импульсе. Это также верно для размещения детектора в воде; следует позаботиться о том, что эффективное точка измерения (расположен в 1 мм за входным окном в случае детектора microLion) расположен на 1,5 см ниже поверхности. Задержка 1 час и доза предварительно облучение также имеют важное значение для стабилизации подачи 800 В и температуру.

Частота повторения ускорителя непосредственно влияет доза за импульс. В 800 MU / мин и с частотой 150 Гц, доза за импульс 0,89 мгр / импульс. Эта частота должна быть зафиксирована для всех измерений, чтобы убедиться, расстояние является единственной переменной фактором, влияние на дозы в импульсе. Способ может быть использован в случае непрерывного пучка с некоторыми изменениями ^7. На других устройствах, где SSD не может быть изменена путем непосредственно перемещения головки лечения, частота следования может быть изменен ввести дозу в изменении импульса. Если этот параметрфиксированной, а также, SSD по-прежнему может быть изменена путем перемещения LIC и поверхность воды в баке, однако точность этого подхода, вероятно, будет ниже, чем движения головы лечение, используемого в настоящем исследовании.

Следующий шаг в характеристике ТИК для его использования в небольшом поле дозиметрии является исследование и другие факторы, которые вызывают возмущение ответ, например, в материалах детектора и объемного эффекта (т.е. тем, что чувствительный объем не малы по сравнению с размерами пучка). Это возможно за счет использования Монте-Карло ^5. С тех аспектов, учитываемых глобальные поправочные коэффициенты могут быть применены к показаниям ТИК, полученных в клинических рутинных измерений (выходные факторов, процентных глубинных доз, профилей доза) для того, чтобы полностью устранить возмущения.

После полной характеристики и коррекции этих perturbating эффектов, тон LIC может быть использован в качестве дополнительного детектора для небольшого дозиметрии пучка, позволяя независимую проверку профилей, процентных глубинных доз и выходных факторов, измеренных других детекторов. Его очень высокое пространственное разрешение в продольном направлении будет также подходит для дозиметрии прямоугольных полей только с одной малой размерности (например TomoTherapy.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы не имеют подтверждений.

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