Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens von Speicherfolien

30.09.2010

Die Strahlentherapie ist - neben der Chirurgie und der Chemotherapie - eine häufig angewandte Behandlungsmethode bei Krebserkrankungen. Sie wird heutzutage bei mindestens der Hälfte aller Krebspatienten angewandt. Durch Anwendung moderner Bestrahlungsmethoden können Patienten so behandelt werden, dass nahezu ausschließlich das Tumorgewebe mit der gewünschten Dosis bestrahlt wird; umliegendes, gesundes Gewebe wird weitestgehend verschont.

Dazu ist es oft notwendig, sehr komplexe Dosisverteilungen zu erzeugen, deren Form möglichst genau der Form des Tumors entspricht und die durch steile Dosisgradienten gekennzeichnet sind (tumorkonforme Bestrahlung). Dies wird erreicht, indem eine große Anzahl kleiner, irregulär geformter Strahlungsfelder aus verschiedenen Richtungen überlagert werden. Hierzu sind im Vorfeld komplexe Rechnungen zur Erstellung geeigneter Bestrahlungspläne notwendig, die im Zuge der Qualitätssicherung und des Patientenschutzes durch Dosismessungen verifiziert werden müssen. Diese Verifikationsmessungen sind jedoch insofern problematisch, als sich die bei den modernen Formen der Strahlentherapie verwendeten sehr kleinen und irregulären Photonen-Strahlungsfelder wesentlich von den in der konventionellen Strahlentherapie angewandten Strahlungsfeldern unterscheiden. Die etablierten Messvorschriften zur Messung der Wasser-Energiedosis wie z. B. die deutsche Norm DIN 6800-2 oder das internationale Dosimetrieprotokoll IAEA TRS-398 sind deshalb in kleinen Photonenfeldern nicht ohne Weiteres anwendbar; insbesondere gelten viele der dort tabellierten physikalischen Daten nicht in kleinen Strahlungsfeldern. Bislang existiert kein Dosimetrieprotokoll zur Messung der Wasser-Energiedosis in kleinen und irregulären Strahlungsfeldern mit einer Messunsicherheit, die der einer Dosismessung unter Referenzbedingungen (10 cm x 10 cm Strahlungsfeld) nahe kommt.

Mit dem Ziel, die Verifikation von Dosisverteilungen in kleinen und irregulären Strahlenfeldern zu verbessern, werden in der PTB im Fachbereich 6.2 "Dosimetrie für Strahlentherapie und Röntgendiagnostik" im Rahmen des von der EU geförderten ERANET-Plus Joint Research Projects unter anderem Speicherfolien auf ihre Eignung zur Dosismessung untersucht.

Speicherfolien werden bislang üblicherweise in der Röntgendiagnostik eingesetzt, da sie gegenüber anderen digitalen Detektoren eine vergleichsweise hohe Robustheit und den Vorteil der mobilen Einsetzbarkeit aufweisen.

Ähnlich zur Filmradiographie ergibt sich bei der Verwendung von Speicherfolien die Dosis D nach folgender Gleichung

wobei SU (Scanner Unit) für die (nach Bestrahlung der Speicherfolie) detektierten Grauwerte steht. Die Werte der Parameter a und b hängen von einer Vielzahl von Einflussgrößen ab (z. B. Energie der Photonenstrahlung, Dauer zwischen Bestrahlung und Auswertung, Lichteinfall nach Bestrahlung, Dosisintervall, etc…) und müssen entsprechend bestimmt werden.

Das Prinzip der Dosismessung mit einer Speicherfolie lässt sich (vereinfacht) wie folgt beschreiben: Röntgenspeicherleuchtstoffe (Speicherphosphore), bestehend aus BaFBr:Eu2+, absorbieren die Energie der eintreffenden Röntgenquanten direkt, indem während der Bestrahlung Elektronen und Löcher generiert werden. Teile dieser Elektronen und Löcher werden an Kristalldefekten metastabil gespeichert. Nach der Bestrahlung können diese durch geeignete, ortsaufgelöste optische Stimulation (rotes Laserlicht) zur strahlenden Rekombination gebracht werden. Die Intensität des dabei durch Rekombinationslumineszenz (auch photostimulierte Lumineszenz (PSL) genannt) freiwerdenden Lichtes wird in einem speziellen Scanner mit Hilfe eines Sekundärelektronenvervielfachers (Photomultiplier) ortsaufgelöst ermittelt, und damit die Verteilung der Dosis auf der Speicherfolie als digitalisiertes Bild im Computer gespeichert. Die gemessenen Lichtintensitäten werden im Computer in Grauwerte umgerechnet, so dass man nach dem Auslesen der Speicherfolie auf dem Monitor ein Grauwertbild erhält, das dem eines Röntgenfilmes ähnlich ist. Die elektronische Gewinnung und die anschließende Digitalisierung des Bildes bieten wesentliche Vorteile gegenüber der klassischen Filmradiographie, was in den letzten Jahren zu einer Verdrängung bzw. Ablösung der klassischen Filmradiographie in der Medizin geführt hat.

Speicherfolien, als effiziente digitale Röntgendetektoren, verfügen über einen großen Dynamikbereich, mit dem ein breites Dosisintervall abgebildet werden kann. Zudem besteht durch die Veränderung der Hardwareparameter und durch die Software-Steuerung die Möglichkeit, die Detektionsempfindlichkeit des gesamten Systems entsprechend der vorliegenden Situation für niedrige oder hohe Dosen anzupassen. Die im Computer gespeicherten Bilder lassen sich am Monitor betrachten und gleichzeitig durch Bildverarbeitungsalgorithmen und Filter verbessern. Optimierung der Speicherleuchtstoffe, neue Optiken zur PSL-Detektion und Verbesserungen im Scanverfahren ermöglichen derzeit eine Ortsauflösung (effektive Pixelgröße) von bis zu 40 µm.

Abbildung 1 zeigt deutlich, dass Speicherfolien (Typ Kodak) für niederenergetische Photonenstrahlung ein deutlich erhöhtes Ansprechvermögen zeigen, was mit den Absorptionseigenschaften der Phosphorschicht in unmittelbarem Zusammenhang steht. Mit anderen Worten: Wird eine Speicherfolie in Strahlungsfeldern verschiedener Energie (bzw. unterschiedlicher Photonenspektren) verwendet, so muss die dadurch bedingte Änderung des Ansprechvermögens durch die beiden Parameter a und b korrigiert werden. Das Ziel der beschriebenen Untersuchungen ist daher eine experimentelle Bestimmung dieser beiden Parameter, was letztlich der Bestimmung der Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens von Speicherfolien entspricht.

Für diesen Zweck, wurden in verschiedenen Photonenstrahlungsfeldern - zunächst unter Referenzbedingungen - die Parameter a und b bestimmt.

Abbildung 1 : Abhängigkeit des Ansprechvermögens von der Energie der Photonenstrahlung für Speicherfolien (Kodak 2000RT CR System). Für niederenergetische Röntgenstrahlung ist ein deutlicher Anstieg des Ansprechvermögens zu beobachten.

Die durchgeführten Untersuchungen zeigen, dass die Parameter a und b unter Bezugsbedingungen (d. h. im 10 cm x 10 cm Strahlungsfeld, 60Co) mit einer relativen Standardmessunsicherheit von 0,1 % bestimmt werden können. Darüber hinaus zeigt sich aus der Untersuchung verschiedener Speicherfolien (desselben Typs), dass die exemplarspezifische Variation dieser Parameter klein ist. Es ist daher möglich, typspezifische Werte dieser Parameter für verschiedene Photonenstrahlungsqualitäten anzugeben.

Insgesamt ergibt sich unter Anwendung der im „Guide to the expression of uncertainty in measurement“ (GUM) beschriebenen Methoden eine Gesamtunsicherheit der Dosismessung mit einer Speicherfolie (vom Typ Kodak) von ca. 2 %. Es muss jedoch beachtet werden, dass für die Gültigkeit dieser angegebenen Messunsicherheit die Details des Auswertungsverfahrens eine wesentliche Rolle spielen. Im Ergebnis der hier durchgeführten Untersuchungen steht mit den Speicherfolien ein Werkzeug zur Verfügung, mit dem - ähnlich wie mit Röntgenfilmen - die Dosis gemessen und Dosisverteilungen verifiziert werden können.