Logo der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt

Charakterisierung einer Miniatur-Röntgenröhre mit dem Medipix2-Detektor

01.02.2011

Der Einsatz einer Miniatur-Röntgenanlage zur intra- bzw. postoperativen Bestrahlung etabliert sich zunehmend als Alternative zu den in der heutigen Brachytherapie verwendeten radioaktiven Quellen, den sogenannten Seeds. Ein Vorteil ist, dass die lokale Bestrahlung elektrisch geregelt wird und zeitlich begrenzt erfolgt. Somit müssen keine radioaktiven Quellen (Seeds) dauerhaft im Körper verbleiben, wie es z. B. bei der Brachytherapie mit LDR(LowDoseRate)-Seeds üblich ist. Die mit einer Miniatur-Röntgenanlage applizierte Dosis fällt mit dem Abstand steil ab, so dass das direkt an der Applikatoroberfläche gelegene Tumorgewebe eine hohe Dosis erhält, wohingegen das weiter entfernte gesunde Gewebe geschont wird.

Im Rahmen einer Doktorarbeit, in Zusammenarbeit mit der Universität Erlangen-Nürnberg, wurde das Röntgenspektrum der Miniatur-Röntgenanlage "Axxent HDR X-ray S700" der Firma Xoft untersucht, die mit Röhrenspannungen bis zu 50 kV bei einem Strom von bis zu 300 µA betrieben wird. Diese erreicht in 1 cm Abstand eine mit HDR(HighDoseRate)-Seeds, die routinemäßig in der Brachytherapie eingesetzt werden, vergleichbare Luftkermaleistung.

Als Detektor wurde der hybride photonenzählende Pixeldetektor Medipix2 mit 256 x 256 Pixeln und einer Pixelgröße von 55 µm, verwendet. Als Sensormaterial dient eine 300 µm dicke Siliziumschicht. Der Medipix2 verfügt über eine einstellbare untere Energieschwelle, die es erlaubt, nur Energiebeiträge im Sensor, die oberhalb der Schwelle liegen, zu zählen. Erhöht man die Schwellenenergie sukzessive, kann das Spektrum abgetastet werden. Um auf das einfallende Spektrum schließen zu können, wird das gemessene Spektrum mit der simulierten Detektorantwort entfaltet. Somit eignet sich dieser Detektor auf Grund seiner Pixelierung sowohl zur Bildgebung als auch zur Messung des Spektrums.

Abbildung 1 : Medipix2-Detektor mit USB-Auslese (links) und untersuchte Miniatur Röntgenquelle der Firma Xoft (rechts).

Abbildung 2 : Abbildung des Brennflecks bei 10 µA (links) und bei 300 µA Röhrenstrom (rechts).

Die zweidimensionale Verteilung des Brennflecks in Abhängigkeit des Röhrenstroms wurde mit dem Lochkamera-Prinzip gemessen. Die Messungen ergaben, dass sich die Position des Brennflecks bei geringen Röhrenströmen ändert, bei hohen Strömen aber unverändert bleibt. Bei der vorliegenden Röhre verschob sich der Fokuspunkt um bis zu 160 µm, was ca. 5 % des Gesamtdurchmessers der Röhre von 2,8 mm entspricht und somit nicht unerheblich ist. Die Verschiebung hat Auswirkungen auf die der (Basis-) Dosimetrie zugrunde liegende Spektrometrie. Diese benutzt einen Ge-Detektor und ist bzgl. der Zählrate limitiert, so dass in der Regel bei geringem Photonenfluss und folglich geringem Röhrenstrom gemessen werden muss. Die Ergebnisse zeigen, dass dann die Vergleichbarkeit mit der klinischen Praxis (Volllast) nicht mehr gewährleistet ist.

Weiterhin wurde das emittierte Spektrum der Röhre in einer Entfernung von 60 cm für verschiedene Emissionswinkel mit dem Medipix2 gemessen. Da sich hier im Gegensatz zu einem Germanium-Detektor die einfallenden Photonen auf 65536 Pixel verteilen, konnte die Röhre bei einem hohen Röhrenstrom betrieben werden. Bei einem Emissionswinkel von 90° war die Intensität der Röhre maximal. Mit größer werdender Abweichung von diesem Winkel nimmt diese um bis zu 60 % ab. Die Form der emittierten Spektren variiert ebenfalls mit dem Emissionswinkel.