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Bestimmung der Wasserenergiedosis bei der Röntgenweichstrahltherapie

23.12.2020

Die grundlegende Dosisgröße bei der Röntgenweichstrahltherapie ist die Wasserenergiedosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms. Die Weitergabe der Einheit erfolgt über eine planparallele Ionisationskammer, die oberflächenbündig in einem Plexiglasphantom eingebaut ist und direkt in der Messgröße Wasserenergiedosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms kalibriert ist. Der Benutzer kann damit die Wasserenergiedosis im klinischen Feld direkt messen, muss aber bestimmte Korrektionsfaktoren anwenden. Diese Daten wurden inzwischen publiziert und in den überarbeiteten Entwurf des internationalen Dosimetrie Protokolls TRS 398 der Internationalen Atomenergie Agentur (IAEA) eingearbeitet.

Bei der sogenannten Röntgenweichstrahltherapie handelt es sich um die Behandlung der Hautoberfläche mit weichen Röntgenstrahlen. Bei dieser Bestrahlungstherapie ist die Eindringtiefe der Röntgenstrahlung in das Gewebe relativ gering, so dass das tiefere Gewebe geschont wird. Röntgenweichstrahlgeräte werden mit Betriebsspannungen der Röntgenröhren zwischen 10 und 50 kV (bei ca. 25 mA) betrieben. Es gibt aber auch Geräte, die bis zu 100 kV betrieben werden. Weichstrahlröntgentherapie wird u.a. zur Behandlung von Basalzellkarzinomen, Melanommetastasen oder Lymphome der Haut eingesetzt. Die Bestrahlungsdosen reichen je nach Anwendung von einigen Gray (Gy) bis zu 100 Gy. Diese werden teilweise auch fraktioniert verabreicht.

Die grundlegende Dosisgröße bei der Röntgenweichstrahltherapie ist die Wasserenergiedosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms. Leider gibt es für diese Dosisgröße kein direktes Primärnormal. Stattdessen wird sie über die Luftkerma (proportional zur Energiedosis in Luft) durch Multiplikation mit berechneten Konversionsfaktoren dargestellt. Die Luftkerma wird mit Primärnormalmesseinrichtungen auf Basis einer sogenannten Freiluftionisationskammer bestimmt. Die Weitergabe der Einheit erfolgt entweder über geeignete Ionisationskammern, die in der Messgröße Luftkerma frei in Luft kalibriert sind, oder über eine planparallele Ionisationskammer, die oberflächenbündig in einem Plexiglasphantom eingebaut ist (Abbildung 1) und direkt in der Messgröße Wasserenergiedosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms kalibriert ist. Aus technischen Gründen kann man hier kein Wasserphantom verwenden. Im ersten Fall muss der Anwender selbst die im klinischen Feld gemessene Luftkerma in die Wasserenergiedosis umrechnen. Dazu gibt es publizierte sogenannte Dosimetrieprotokolle [1]. Im zweiten Fall kann der Benutzer die Wasserenergiedosis im klinischen Feld direkt messen, muss aber bestimmte Korrektionsfaktoren anwenden, um die Unterschiede des klinischen Feldes zum Kalibrierfeld im Referenzlabor zu berücksichtigen. Auch diese Art der Dosisbestimmung ist in publizierten Dosimetrieprotokollen beschrieben [1,2].

Das internationale Dosimetrieprotokoll TRS 398 der Internationalen Atomenergie Agentur (IAEA) [1] wurde im Jahre 2001 veröffentlicht und wird zurzeit überarbeitet. Dabei beteiligt sich auch die PTB unter anderem mit der Überarbeitung des Kapitels zur Dosimetrie der Röntgenweichstrahltherapie. Bei der Überarbeitung trat das Problem auf, dass es bei der oben beschriebenen Bestimmung der Wasserenergiedosis im klinischen Feld auf Basis der in Plexiglasphantomen eingebauten planparallelen Ionisationskammern keinen vollständigen Satz an verlässlichen Korrektionsfaktoren gibt. Die PTB hat deshalb diesen vollständigen Satz der sogenannten Geometriekorrektionsfaktoren rechnerisch ermittelt und durch umfangreiche Messungen validiert.

Der Geometriekorrektionsfaktor lässt sich kurz wie folgt erläutern. Die planparallele Referenz-Ionisationskammer ist oberflächenbündig in ein Plexiglasphantom eingebaut. Diese Kammer wird unter Referenzbedingen bei der Strahlungsqualität Q0 = TW 30 (Tabelle 1) in einem Abstand von 30 cm und einer Feldgröße mit 3 cm Durchmesser in der Messgröße Wasserenergiedosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms kalibriert.

 

Abb. 1: Die planparalelle Kammer vom Typ PTW 23342 oberfächenbündig plaziert auf einem Plexiglasphantom
der Größe 15 cm x 15 cm x 8 cm.

 

Tabelle 1: Die Strahlungsqualitäten der TW-Serie der PTB.

 

Weiterhin werden die entsprechenden Kalibrierfaktoren für die Strahlungsqualitäten TW 10 bis TW 100 (Tabelle 1) unter sonst gleichen Bedingungen ermittelt. Daraus ergibt sich die Energieabhängigkeit des Ansprechvermögens der Kammer unter Referenzbedingungen. Einen wesentlichen Beitrag zur Wasserenergiedosis an der Oberfläche liefern die vom Wasser zurückgestreuten Photonen. Die Messkammer detektiert die durch das Plexiglasphantom rückgestreuten Photonen. Damit ist das Kammersignal näherungsweise proportional zur Dosis an der Oberfläche eines Wasserphantoms. Die Rückstreuung hängt signifikant von der Feldgröße der Röntgenstrahlung ab. Je größer das Feld, desto mehr rückgestreute Photonen am Referenzpunkt an der Oberfläche. Weiterhin hängt die Rückstreuung von der Energie der Röntgenstrahlung ab. In der Regel weichen nun die Bestrahlungsbedingungen an der klinischen Bestrahlungsanlage von denen bei der Kalibrierung ab. Da der Rückstreufaktor von Plexiglas deutlich größer als der von Wasser ist, folgt das Kammersignal nicht mehr exakt der Variation der Wasserenergiedosis bei unterschiedlichen Feldgrößen. Dieser Effekt wird durch den Geometriekorrektionsfaktor korrigiert.

Der Geometriekorrektionsfaktor wurde mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen [3] für die beiden häufig verwendeten planparallelen Kammertypen PTW 23342 und 23344 berechnet. Diese wurden für Feldgrößen von 2 cm bis 20 cm mit Bezug auf die Referenzfeldgröße 3 cm und der Referenzstrahlungsqualität TW 30 berechnet. Die Ergebnisse sind in den Tabellen 2 und 3 zusammengestellt. Bei der Strahlungsqualität mit der höchsten Energie (TW 100) und dem größten Felddurchmesser von 20 cm beträgt die Korrektion bis zu 10 %.

Die relative Unsicherheit der berechneten Werte beträgt 1 %. Zur Überprüfung der Richtigkeit wurden für beide Kammertypen Messungen bei den Feldgrößen 3, 5 und 10 cm durchgeführt. Von jedem Kammertyp wurden mehrere Exemplare verwendet. Als Ergebnis wurde der Mittelwert der Ergebnisse aus allen vermessenen Exemplaren genommen. Die Abweichungen zwischen verschiedenen Exemplaren waren kleiner als die Standardmessunsicherheit von 1,1 % (k=1). Die Resultate aus Rechnung und Messung stimmten innerhalb von 1 % überein. Die in den Tabellen 2 und 3 aufgeführten Werte sind inzwischen in dem aktuellen Entwurf der überarbeiteten Version des Protokolls TRS 398 eingearbeitet worden. Damit werden diese zukünftig einer internationalen Anwendergemeinschaft zur Verfügung stehen.

 

Tabelle 2: Geometriekorrektionsfaktoren für Kammern vom Typ PTW 23342
normiert auf die Referenzbedingungen Q0 = TW 30 and f0 = 3 cm.

 

Tabelle 3: Geometriekorrektionsfaktoren für Kammern vom Typ PTW 23344
normiert auf die Referenzbedingungen Q0 = TW 30 and f0 = 3 cm.

Referenzen:

[1]    International Atomic Energy Agency 2001 Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: an international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water Techncal Report Series 398 (Vienna: IAEA)

[2]    Klinische Dosimetrie - Teil 4: Röntgentherapie mit Röntgenröhrenspannungen zwischen 10 kV und 300 kV, Ausgabe 2020-04

[3]    Kawrakow I, Mainegra-Hing E, Rogers D W O, Tessier F and Walters B R B 2017 The EGSnrc code system: Monte Carlo simulation of electron and photon transport Technical Report PIRS-701 (Ottawa: National Research Council Canada) (http://nrc-cnrc.github.io/EGSnrc/doc/pirs701-egsnrc.pdf)

[4]    Büermann, Ludwig; Ketelhut, Steffen: Determination of chamber geometry correction factors for phantom-based absorbed dose determination in external therapeutic low energy kV x-ray beams, Medical Physics - Scientific Abstracts and Sessions: 47 (2020), 6, e255 - e880

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