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Zweidimensionale Dosismessungen mit einem Speicherfoliensystem für die externe Strahlentherapie

10.12.2015

Eine Vielzahl von Krebspatienten wird im Verlauf der Krankheit mit externer Strahlentherapie behandelt. Dazu werden Photonen- oder Elektronenfelder von klinischen Beschleunigern erzeugt. Die Felder werden so gewählt, dass sie den Tumor möglichst gut abdecken und gleichzeitig das umliegende gesunde Gewebe schonen. Um diese beiden Ziele zu vereinbaren werden immer kleinere Felder und kompliziertere Feldkombinationen eingesetzt, zum Beispiel in der IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) oder VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy). Die Dosimetrie dieser Felder ist ein entscheidender Bestandteil der Qualitätssicherung für Bestrahlungen in der Klinik und damit wichtig für eine erfolgreiche Behandlung.

Mit Speicherfoliensystemen können zweidimensionale Schnitte von Dosisverteilungen mit einer Auflösung in der Größenordnung von 0,1 mm aufgenommen werden. Die verwendeten Speicherfolien haben eine Größe von 24 cm x 30 cm bei einer Dicke von 0,4 mm. Ionisierende Strahlung erzeugt Elektron-Loch-Paare in der aktiven Schicht (BaFBr/I:Eu2+) der Speicherfolien. Über komplizierte Prozesse entstehen metastabile Zustände, die in der Speicherfolie gespeichert werden. Bei Bestrahlung der Folie mit Laserlicht rekombinieren die Ladungsträger und Photonen geringerer Wellenlänge werden emittiert (photostimulierte Lumineszenz) und anschließend nachgewiesen. Die Position auf der Folie wird mit der Signalstärke und dadurch mit der Dosis korreliert. Die hier vorgestellten Ergebnisse wurden mit einem Kodak ACR-2000 Scanner erzielt. Die Folien sind nach einem Löschvorgang (Bestrahlen mit einer intensiven Lichtquelle) wiederverwendbar und lassen sich deshalb individuell kalibrieren.

Die Messungen wurden in 30 cm x 30 cm x 30 cm Wasserphantomen an einer 60Co-Bestrahlungseinrichtung und an zwei Elekta Precise Linearbeschleunigern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt durchgeführt. Zunächst wurden Messbedingungen untersucht, um reproduzierbare Ergebnisse zu erhalten: Abhängigkeiten von der Raumtemperatur am Ort des Scanners, vom Betrieb der Löscheinheit und von der Temperatur der Folie zwischen Bestrahlung und Auslesen wurden bestimmt. Durch eine konstante Raumtemperatur von 23°C ± 1°C und durch Minimieren der Zeit, in der die Löscheinheit betrieben wird, konnte die Reproduzierbarkeit stark verbessert werden.  Die Abnahme der Signalstärke mit der Zeit zwischen Bestrahlung und Scan (Fading) wurde gemessen. Zusätzlich wurden umfangreiche Langzeitstabilitätstests durchgeführt: Über einen Zeitraum von mehreren Monaten ist eine langsame, korrigierbare Änderung des Signals bei möglichst identischen Bestrahlungsbedingungen beobachtbar. Außerdem mussten die Längenskalen der Dosismessungen um 2 % in horizontaler Richtung und 3 % in vertikaler Richtung angepasst werden.

Das Signal war innerhalb der Messunsicherheiten konstant bei Dosisleistungen von 0,33 Gy min-1 bis 2,7 Gy min-1 (10 MV Photonen unter Referenzbedingungen für die Kalibrierung von Ionisationskammern). Dosis-Signal-Kalibrierkurven wurden für 60Co, 4 MV Photonen, 8 MV Photonen, 25 MV Photonen, 10 MeV Elektronen, 15 MeV Elektronen und 18 MeV Elektronen zwischen 0,01 Gy und 7 Gy unter Referenzbedingungen (bzw. Bezugsbedingungen bei 60Co) bestimmt (siehe Abbildung 1). Eine Fitfunktion mit vier freien Parametern beschreibt die Daten über mehrere Größenordnungen in der Dosis. Die starke Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens der Speicherfolien wurde mithilfe der Fitresultate genau untersucht (siehe Abbildung 2). Diese Abhängigkeit ist der größte Nachteil der Speicherfolien im Vergleich zu anderen zweidimensionalen Dosimetrie-Systemen.

 

Abb. 1: Dosis-Signal-Kalibrierkurven für sieben verschiedene Strahlungsqualitäten. Die Signal-An­zeige M wird angegeben in Scanner Units (SU). Die Skala ist invertiert, d.h. hohe SU entsprechen niedriger Dosis. Die Wasserenergiedosis DW wurde mithilfe von Ionisationskammern bestimmt. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist nur eine Fitfunktion (für 60Co) eingezeichnet.

 

Abb. 2: Energieabhängigkeit für Photonen (oben) und Elektronen (unten). Zur Charakterisierung der Strahlungsqualität Q werden TPR20,10 (Photonen) und R50 (Elektronen) verwendet (siehe Referenzen). Die Dosis DCo(Mref) wird benötigt, um mit 60Co (TPR20,10 = 0,57) ein Referenzsignal Mref zu erzeugen. Die Dosis, die benötigt wird, um mit einer anderen Qualität Q dasselbe Signal zu erzeugen, ist DQ(Mref).

Inhomogenitäten in der Sensitivität der Speicherfolienmessung wurden mit 60Co und 15 MeV Elektronen charakterisiert. Dazu wurden möglichst homogene Strahlungsfelder erzeugt und verbleibende Inhomogenitäten der Felder mit Ionisationskammer-Messungen bestimmt. Der direkte Vergleich mit einer Speicherfolienmessung führte zu einer Korrektur des horizontalen Ansprechvermögens des Scanners. Nach der Korrektur sind relative Dosismessungen in Bereichen konstanter Energie mit einer Unsicherheit von 1 - 2 % möglich. Die Winkelabhängigkeit wurde mithilfe von 8 MV Photonen innerhalb des Wasserphantoms bei gleichbleibender Wassertiefe untersucht. Für Winkel unter 30° bis 40° ausgehend von orthogonaler Bestrahlung der Folie bleibt das Signal konstant (siehe Abbildung 3). Größere Winkel führen zu Abweichungen, so dass bei komplizierteren Bestrahlungen (IMRT, VMAT) Korrekturen berücksichtigt werden müssen.

Abb. 3: Winkelabhängigkeit der Signal-Anzeige M von 0° (Strahl senkrecht zur Speicherfolie) bis 90° (Strahl parallel zur Speicherfolie) für 8 MV Photonen

Zusammenfassend zeigen die Ergebnisse, dass für präzise Dosismessungen mit Speicherfolien einige Korrekturen und Kalibrierungen nötig sind und dass der zeitliche Aufwand relativ groß ist. Die größte prinzipielle Herausforderung ist die Energieabhängigkeit. Sie ist bedingt durch die hohen Kernladungszahlen der Atome der aktiven Schicht im Vergleich zu Wasser und das damit einhergehende höhere relative Ansprechen auf niederenergetische Photonen. Das Hauptziel der Arbeit war es, genaue relative Dosismessungen mit hoher Auflösung zu realisieren. In Feldern mit konstanter Energie wurden Unsicherheiten von 1 - 2 % erreicht. Derzeit werden grundlegende Untersuchungen zu Volumenkorrektionsfaktoren für Ionisationskammer-Messungen mithilfe von Speicherfolienmessungen durchgeführt. Diese Untersuchungen werden in die Normungsarbeit (DIN6800-2 und DIN6809-8) einfließen.

This work is supported by the EMRP joint research project MetrExtRT which has received funding from the European Union on the basis of Decision No 912/2009/EC. The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union.

Literatur

  1. Aberle, C., Kapsch, R.-P.:
    Quantitative Dosismessungen mit einem Speicherfoliensystem in Feldern für die externe Strahlentherapie.

    46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik, Marburg, 2015.
  2. Aberle, C., Kapsch, R.-P.:
    Characterization of a computed radiography system for external radiotherapy beam dosimetry
    .
    Submitted to Physics in Medicine and Biology.
  3. Andreo P., Burns D. T., Hohlfeld K., Saiful Huq M., Kanai T., Laitano F., Smyth V., Vynckier S.:
    Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy: An International Code of Practice for Dosimetry based on Standards of Absorbed Dose to Water.

    IAEA TRS-398, 2000.
  4. DIN 6800-2:
    Dosismessverfahren nach der Sondenmethode für Photonen- und Elektronenstrahlung – Teil 2: Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung mit Ionisationskammern
  5. DIN 6809-8:
    Klinische Dosimetrie –Teil 8: Dosimetrie kleiner Photonen-Bestrahlungsfelder (Entwurf)