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

Caracterización de los efectos de recombinación en una cámara de ionización líquido utilizado para la dosimetría de un acelerador de radiocirugía

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 número creciente de dispositivos de terapia de radiación ofrecen la ventaja de la entrega de la dosis a través de muy pequeñas vigas al tumor, lo que permite una mayor conformidad y dosis más altas por fracción. Muchos detectores diferentes se pueden utilizar para la dosimetría de estos pequeños campos. En el presente estudio, el efecto de la recombinación de iones es investigado por una cámara de ionización líquido utilizando un sistema de radioterapia estereotáctica.

Abstract

La mayoría de los dispositivos de terapia de radiación modernas permiten el uso de campos muy pequeños, ya sea a través de haces elementales en la radioterapia de intensidad modulada (IMRT) o a través de la radioterapia estereotáctica donde la precisión de posicionamiento permite la entrega de dosis muy altas por fracción en un pequeño volumen del paciente. Mediciones dosimétricas en aceleradores médicos se realizan de forma convencional utilizando cámaras de ionización de aire. Sin embargo, en los pequeños haces de ellas están sujetas a los efectos de perturbación no despreciables. Este estudio se centra en las cámaras de ionización de líquidos, que ofrecen ventajas en términos de resolución espacial y baja perturbación fluencia. Efectos de recombinación de iones son investigados por el detector microLion (PTW) se utiliza con el sistema CyberKnife (Accuray). El método consiste en realizar una serie de medidas del tanque de agua a diferentes distancias fuente-superficie, y aplicar correcciones a las lecturas del detector de líquidos sobre la base de mediciones del detector gaseosos simultáneas. Este enfoque facilitadorTES aislar los efectos de recombinación derivados de la alta densidad del medio sensible líquido y la obtención de factores de corrección a aplicar a las lecturas de detector. La principal dificultad reside en la consecución de un nivel suficiente de precisión en la configuración para ser capaces de detectar pequeños cambios en la respuesta de la cámara.

Introduction

Dosimetría en la terapia de radiación se ha realizado utilizando cámaras de ionización gaseosa durante muchos años. Estos detectores funcionan bien en cuanto a la radioterapia "convencional" se refiere, es decir, se utilizan grandes campos homogéneos (o variación lenta). Sin embargo muchos dispositivos más recientes, como el CyberKnife (Figura 1) sistema estudiado en este trabajo, ofrecen la posibilidad de utilizar los campos muy pequeños (hasta 5 mm). Otros dispositivos producen perfiles de haz altamente moduladas como en intensidad modulada radioterapia (IMRT). Detectores llenos de aire convencionales no están bien adaptadas para estas técnicas ^1; con el fin de alcanzar una resolución espacial aceptable, el volumen de la cavidad tendría que ser reducido a un tamaño donde la respuesta de la cámara se convertiría en demasiado bajo. Diodos ofrecen la ventaja de volúmenes más pequeños sensibles y se utilizan ampliamente en la dosimetría pequeño haz. Sin embargo presentan otras limitaciones, como los efectos de dispersiónderivados de su blindaje metálico ^12,13.

En una cámara de ionización de líquido ² (LIC), la densidad de ionización es mucho mayor y por lo tanto la reducción del volumen sensible es posible sin comprometer la respuesta del detector. Además, el medio sensible tiene una densidad próxima a la del agua, la reducción de las perturbaciones de fluencia asociadas con una cavidad de aire. Estos aspectos hacen que el LIC un candidato interesante para el pequeño haz dosimetría ^3-5.

No obstante, hay algunos asuntos que deben abordarse antes de poder realizar mediciones de dosimetría de rutina con LICs. En primer lugar, debido a la mayor densidad de ionización de los efectos de recombinación son más importantes que en las cámaras llenas de aire ^6-8. La recombinación puede ser tanto inicial (un electrón se recombina con su ión madre) o general (dos iones procedentes de diferentes eventos de ionización recombinan). Este último depende de la tasa de dosis incidente en el detector; tsus medios de que las mediciones de dosis relativa (es decir, perfiles de dosis, dosis Porcentaje de la profundidad, factores de producción) pueden potencialmente sufrir desviaciones debido al cambio en la tasa de dosis. La recombinación se caracteriza por la eficiencia de colección general, define como la relación de la carga medida a la carga producida por la radiación incidente y escapar de la recombinación inicial: f = Q _C / Q _0. En detectores gaseosos efectos de recombinación se evalúan utilizando el método de dos de tensión de la teoría de la Boag ^9,10, que no se puede aplicar en países de bajos ingresos ^11.

Una alternativa puede ser encontrado en el uso del método de tasa de dos dosis ^{de 8,} que consiste en la variación de la tasa de dosis para aislar la influencia de la recombinación general y medir la eficiencia de recolección general a través de la relación

donde u es defined como

con α es el coeficiente de recombinación, Q ₀ la cantidad de carga que se escapa de la recombinación inicial, h la separación de los electrodos, e la carga elemental, V el volumen sensible de la cámara, k ₁ y k ₂ las movilidades de las cargas positivas y negativas, y U la tensión aplicada. Mediante la medición a diferentes dosis por pulso es posible obtener el parámetro U y por lo tanto la eficiencia de recolección, f. La dosis por pulso está dada por la relación

Todas las mediciones se realizan en las condiciones de referencia de la CyberKnife (Fuente-Surface Distancia SSD = 78,5 cm, 1,5 cm de profundidad, 60 mm colimador). El uso de un gran Allo colimadorws evitando los efectos de volumen asociados con viguetas. Dada la tasa de dosis es de 800 MU / min y la frecuencia de repetición es 150 Hz, esto se traduce en una dosis de 0,89 mGy / pulso (en las condiciones de referencia, 1 MU corresponde a una dosis de 1 cGy). Cuando la frecuencia de repetición de impulsos se mantiene constante, la dosis por pulso sólo depende de la tasa de dosis en Gy / min, que se relaciona con el SSD a través de la ley de la inversa del cuadrado distancia:

para dos SSDs d ₁ y d _2.

Protocol

1. Configuración Experimental (Figura 2) (Realizado 1 hora antes de las primeras medidas para estabilizar la temperatura del detector y la fuente de alto voltaje.) Coloque el depósito de agua bajo la cabeza de tratamiento, teniendo en cuenta que el SSD tendrá que ser incrementado hasta 200 cm. Así, el tanque debe ser lo más bajo posible, dependiendo de la altura del techo. Alinear el depósito de agua con el acelerador lineal (sus lados verticales deben ser paralelos a los lados verticales de la cabeza). El láser se puede utilizar para asegurar la orientación es correcta; este procedimiento se detalla en la guía de Física 14 del sistema. Verifique la orientación vertical del acelerador lineal mediante la realización de x y de perfil y mediciones a dos profundidades diferentes, el cálculo de la declinación del haz y la corrección utilizando los ejes de rotación de la cabeza (ver guía de Física). Vuelva a colocar el colimador con el accesorio de telémetro, y lo utilizan para Accurdiatamente colocar la cabeza a 78,5 cm SSD. La punta del accesorio apenas debe tocar la superficie del agua. Retire el telémetro y colocar el colimador de 60 mm en la cabeza del tratamiento. Coloque el punto de referencia LIC a 1,5 cm de profundidad en una posición vertical, es decir, con el eje de la cavidad cilíndrica paralela a la dirección del haz. Esto se traduce en una distancia de 80 cm entre la fuente y el detector. Utilizar el láser para posicionar el LIC en el centro de la viga en la dirección lateral. Colocar una cámara de ionización de aire lleno de 0.125 cm 3 (AIC) junto al LIC para poder corregir la atenuación, la distancia y la dispersión efectos. Conecte el LIC y la alimentación de alta tensión para el electrómetro y ajuste el voltaje a 800 V. Conectar la AIC a otro electrómetro y ajuste el voltaje a 400 V. A continuación, espere 1 hora para fines de estabilización. Para asegurar la exactitud de la posición lateral del detector, realice mediciones de perfiles enambas direcciones transversales y corregir el cero de la LIC, si es necesario. Asegúrese de que la tasa de repetición del acelerador lineal se fija (valor nominal = 150 Hz). 2. Medidas En primer lugar suministrar una dosis de pre-irradiación de 3.000 unidades de monitor (MU) a fin de estabilizar la respuesta LIC. A continuación, realice un cero de los electrómetros. Para evaluar la corriente de fuga y la estabilidad, lleve a cabo una serie de adquisiciones de carga con el haz del campo por una duración igual a la de las mediciones (7,5 seg para 100 MU). Comparar el valor medio obtenido a los valores medidos con el haz en. Una carga típica de fuga de menos de 0,03% del valor mínimo medido con el en la viga puede considerarse insignificante. Coloque la cabeza del tratamiento a 58,5 cm SSD: utilizar el mando a distancia en modo cartesiano y simplemente realizar un movimiento de 20 cm en la dirección z. Deja la sala de tratamiento, cierre la puerta y programar una irradiación de 100 MU en elconsola del operador. A continuación, iniciar ambos electrómetros, administrar la dosis y tomar nota de las cargas medidas por el LIC y la AIC . Repetir el proceso 10 veces para ser capaces de evaluar incertidumbres estadísticas. Después de diez mediciones, entrar en la sala y mueva el cabezal de tratamiento a la siguiente posición (68,5 cm SSD). Luego repita los pasos 2.4 y 2.5. Cuando la cabeza se mueve más lejos desde el tanque de la distancia entre puntos de medición se puede aumentar como la carga varía siguiendo la ley de la inversa del cuadrado distancia. Tabla 1 proporciona un ejemplo de una lista de puntos de medición, junto con la dosis correspondiente por pulso. Tabla 1. Lista de los puntos de medida para los dos-dosismétodo del tipo (A y B) con las dosis correspondientes por pulso. 3. Análisis Dos métodos se pueden utilizar para analizar los datos. Método A Para cada distancia d, tomar la relación de cada valor medido con el valor LIC AIC correspondiente obtenido a la misma distancia, . Trazar las relaciones frente a la dosis por impulso y utilizar un ajuste lineal para obtener la relación extrapolada a dosis cero por pulso, R 0. Con la suposición de que la eficiencia de recolección es igual a 1 a 0 mGy / pulso, normalizar todas las relaciones calculadas en el paso 3.A.1 al valor extrapolado de la etapa anterior con el fin de obtener valores de f (es decir, escala cada relación en un factortal que k R 0 = 1). Representar gráficamente los valores de f en contra de los valores de la dosis por pulso para representar la evolución de la eficiencia de recolección. Las barras de error se pueden calcular mediante la propagación de las incertidumbres sobre los cargos LIC y AIC evaluados a partir de las mediciones repetidas en cada distancia. Método B Tome las relaciones de las lecturas de LIC a 200 cm (198,5 cm SSD) y 60 cm (58,5 cm SSD), y de las lecturas de la AIC, . Numéricamente resolver la siguiente ecuación para u 200. Inyectar el valor de U 200 en la siguiente relación para obtener la eficiencia de recolección, fa 200 cm de distancia. La eficiencia se puede calcular utilizando las relaciones con otras distancias de 60 cm, mientras la relación de carga es mayor que 3. Este procedimiento permite probar la incertidumbre en los valores calculados U y f. Calcular el parámetro U para todos los puntos de medición, usando la siguiente relación (la elección de las distancias de manera que ) Calcular todas las eficiencias de recolección, f d, de la relación Grafica los valores de f en contra de los valores de la dosis por pulso a represent la evolución de la eficiencia de recolección. Las barras de error se pueden calcular mediante la propagación de las incertidumbres sobre los cargos LIC y AIC evaluados a partir de las mediciones repetidas en cada distancia.

Representative Results

En la Figura 3 la eficiencia de recolección f obtenido a partir de método A se representa frente a la dosis por pulso, que oscila desde 0 hasta 1,6 mGy / pulso donde una pérdida de 2% en la señal puede ser visto. Los puntos siguen un comportamiento lineal. Las barras de error indican incertidumbres importantes que parecen inherentes al método y se puede reducir en gran medida con el uso del método B. También es importante destacar que en este método se supone que la respuesta de la AIC que someterse a ningún efecto de recombinación, que no es necesariamente del todo cierto . Para comprobarlo se puede simplemente realizar mediciones similares utilizando la AIC solo en una tapa de acumulación (sin tanque de agua) y corregir la distancia cuadrada inversa; pequeñas desviaciones pueden ser observados y comprendidos en los valores incertidumbres. La Figura 4 muestra la eficiencia de recolección calculado a partir del segundo método (B). Se demuestra más preciso y tiene la ventaja de proporcionar los valores absolutos de f. El deviciones de la comportamiento lineal son pequeñas y la pérdida en la señal es ligeramente menor que con el método A. Como una aplicación directa del método B, factores se pueden calcular para corregir para la recombinación general, a una dosis dada por pulso, simplemente tomando la inversa de la eficiencia de recolección, f. A continuación, estos factores se pueden aplicar a mediciones de dosis de profundidad relativa. Figura 5 muestra de dosis en profundidad relativa medida con un diodo (no sujeto a efectos de recombinación) y con la LIC antes y después de la corrección de recombinación. Cuando las curvas se normalizan a una profundidad de 240 mm (donde los efectos de recombinación se desvanecen), que coinciden, lo que significa que las correcciones compensar los efectos de recombinación en la zona de acumulación (donde la dosis por impulso y por lo tanto los factores de corrección son la más alta). Esto sugiere que los factores de corrección calculados son exactos y pueden servir como una validación del método de tasa de dos dosis. <p class="jove_content" fo: Páginas together.within-keep = "always"> Figura 1. Sytem CyberKnife. Una visión del sistema CyberKnife utiliza para las mediciones, con el jefe del acelerador hacia abajo. El depósito de agua puede ser colocada en el suelo, o en el sofá robótico visible en la parte posterior de la habitación, dependiendo del espacio disponible por encima de la cabeza. Figura 2. Montaje experimental. La configuración se representa aquí con el AIC y LIC coloca junto a la otra en el interior del depósito de agua (1,5 cm de profundidad), en el centro de la viga, que está dirigida hacia abajo. Las flechas indican el movimiento de la cabeza del acelerador entre cada serie de medidas, que van desde los 60 cm de distancia (58,5 cm SSD) y terminando a 200 cm (198,5 cm SSD). <p class="jove_content" fo:keep-together.within-page = "always"> Figura 3. La eficiencia general de recogida, método A. Gráfico de la evolución de la eficiencia de colección general, F, con respecto a la dosis por pulso (en mGy / pulso) obtenida a partir de método A. Figura 4. Eficiencia general colección, la eficiencia de recolección método B. general representa frente a la dosis por pulso, después de los resultados de método B. Figura 5. Aplicación a las mediciones de dosis en profundidad relativa. La dosis de profundidad relativa derivadas de las mediciones de diodo se muestra en azul.Los resultados de las mediciones de LIC están representados por el rojo (sin corregir) y (corregidos) curvas de color amarillo. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Discussion

Los métodos presentados anteriormente permiten la evaluación de los efectos de recombinación en un LIC en un amplio rango de tasas de dosis (0,14 a 1,58 mGy / pulso). Método A es simple, pero se asocia con más incertidumbres que el método B, que proporciona valores bastante exactos (y absoluto) de la eficiencia de recolección, f. La recombinación es responsable de la pérdida de aproximadamente el 2% de la señal en todo el intervalo investigado, pero este rango es más grande que lo que habitualmente se abarcado durante las mediciones de rutina. El más grande de error en un factor de salida es 0,35%, y alcanza 1% para una medición de dosis en profundidad porcentaje como se muestra en la sección de resultados.

El elemento crítico para llevar a cabo el protocolo es la configuración inicial del experimento, como todas las mediciones se realizan en relación con la posición inicial de la cabeza de tratamiento. Por lo tanto uno debe tener cuidado acerca de la medición exacta de la SSD inicial para poder relacionar las lecturas del detector a cadala dosis por pulso. Esto también es cierto para la colocación del detector en el agua; se debe tener cuidado de que el punto efectivo de medida (situado 1 mm por detrás de la ventana de entrada en el caso de que el detector microLion) se sitúa en 1,5 cm por debajo de la superficie. El retardo de 1 hora y la dosis previa a la irradiación también son esenciales con el fin de estabilizar el suministro de 800 V y la temperatura.

La tasa de repetición del acelerador lineal afecta directamente a la dosis por pulso. En 800 MU / min y con una frecuencia de 150 Hz, la dosis por pulso es 0,89 mGy / pulso. Esta frecuencia debe ser fijo para todas las medidas para asegurarse de que la distancia es el único factor variable que tiene una influencia en la dosis por pulso. El método se puede utilizar en el caso de una viga continua con algunas adaptaciones ^7. En otros dispositivos, donde el SSD no se puede variar moviendo directamente la cabeza de tratamiento, la tasa de repetición puede ser modificado para introducir la dosis por variación del impulso. Si este parámetro esfijo, así, el SSD todavía puede ser modificada moviendo el LIC y la superficie del agua en el tanque, pero la precisión de este enfoque sería probablemente más bajo que el movimiento de la cabeza de tratamiento utilizado en el presente estudio.

El siguiente paso en la caracterización de la LIC para su uso en pequeña dosimetría campo es investigar los otros factores que inducen la perturbación de la respuesta, tales como los materiales de el detector y el efecto de volumen (es decir, el hecho de que el volumen no es sensible pequeña en comparación con las dimensiones de la viga). Esto es posible a través de la utilización de simulaciones de Monte Carlo ^5. Con esos aspectos que se tienen en cuenta, los factores de corrección globales se pueden aplicar a las lecturas LIC obtenidos en las mediciones de rutina clínicos (factores de salida, las dosis Porcentaje de la profundidad, perfiles de dosis) con el fin de eliminar por completo las perturbaciones.

Después de la completa caracterización y corrección de estos efectos de perturbación, tLIC que se puede utilizar como un detector adicional para la dosimetría de haz pequeño, lo que permite la verificación independiente de los perfiles, las dosis Porcentaje de la profundidad y factores de salida medidos por otros detectores. Su muy alta resolución espacial en la dirección longitudinal también sería adecuado para la dosimetría de campos rectangulares con sólo una pequeña dimensión (por ejemplo, tomoterapia.)

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores no tienen reconocimientos.

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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