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Experimentelle Bestimmung von Strahlungsqualitäts-Korrektionsfaktoren für häufig verwendete Ionisationskammertypen

26.07.2013

In der klinischen Praxis werden zur Dosismessung Ionisationskammern verwendet, die zur Anzeige der Wasser-Energiedosis im 60Co-Strahlungsfeld kalibriert sind. Wird ein solches Dosimeter in einem hochenergetischen Photonen- oder Elektronenfeld eines klinischen Linearbeschleunigers eingesetzt, so muss die Änderung des Ansprechvermögens des Dosimeters durch die Anwendung eines Strahlungsqualitäts-Korrektionsfaktors kQ berücksichtigt werden. Für sieben in der klinischen Praxis häufig verwendete Ionisationskammertypen wurden kQ-Faktoren in hochenergetischen Photonenfeldern experimentell bestimmt. Die relative Standardmessunsicherheit dieser experimentell bestimmten kQ-Faktoren beträgt 0,4 % (k = 1) und ist deutlich geringer als die bislang in verschiedenen Dosimetrieprotokollen angegebene Unsicherheit von ca. 1 %.

Motivation

In der modernen Strahlentherapie wird zur Behandlung von Tumorerkrankungen hochenergetische Photonen- und Elektronenstrahlung eingesetzt, die von klinischen Linearbeschleunigern erzeugt wird. Grundlegende Voraussetzung für einen optimalen Behandlungserfolg (Tumorheilung) und die Vermeidung unerwünschter Nebenwirkungen (Strahlenschäden) ist die genaue Kenntnis der unter bestimmten standardisierten Bedingungen - den sogenannten Referenzbedingungen - von einem Linearbeschleuniger erzeugten Dosis.

In der klinischen Praxis werden zur Dosismessung Ionisationskammern verwendet, die zur Anzeige der Wasser-Energiedosis im 60Co-Strahlungsfeld kalibriert sind. Wird ein solches Dosimeter in einem von einem Beschleuniger erzeugten hochenergetischen Photonen- oder Elektronenfeld eingesetzt, so muss die Änderung des Ansprechvermögens des Dosimeters infolge der Änderung der Strahlungsart oder -energie berücksichtigt werden. Die genaue Vorgehensweise bei einer Dosismessung ist ausführlich in sogenannten Dosimetrieprotokollen, wie z.B. der Deutschen Norm DIN 6800-2 [1] oder dem internationalen Protokoll IAEA TRS-398 [2] beschrieben. Der Einfluss der Strahlungsart und -energie - beide Eigenschaften werden unter dem Begriff "Strahlungsqualität" zusammengefasst – wird dabei durch die Anwendung eines Strahlungsqualitäts-Korrektionsfaktors kQ berücksichtigt. Der Zahlenwert dieses Faktors hängt zum einen von der Art und Energie der Strahlung ab, zum anderen wird er von der Bauform, den Abmessungen und den Materialien der Ionisationskammer beeinflusst, d.h. er hängt auch vom Ionisationskammertyp ab.

Derzeit liegen den Dosimetrieprotokollen Werte des Korrektionsfaktors kQ zugrunde, die größtenteils auf Modellrechnungen basieren und mit einer Standardmessunsicherheit von etwa 1 % behaftet sind. Verglichen mit der Unsicherheit, die heutzutage bei einer Kalibrierung von Ionisationskammern erreicht werden kann (0,2 % … 0,3 %), ist diese Unsicherheit des Korrektionsfaktors kQ oftmals limitierend für die Gesamtunsicherheit einer Dosismessung.

Für sieben in der klinischen Praxis häufig verwendete Ionisationskammertypen wurden deshalb kQ-Faktoren in hochenergetischen Photonenfeldern experimentell bestimmt, deren relative Standardmessunsicherheit nur 0,4 % (k = 1) beträgt. Diese Werte werden in einer überarbeiteten Version der Norm DIN 6800-2 berücksichtigt, so dass in Zukunft eine routinemäßige Messung der Wasser-Energiedosis mit geringerer Messunsicherheit möglich sein wird.

Vorgehensweise

Der Wert des Korrektionsfaktors kQ für eine bestimmte Ionisationskammer und eine bestimmte Strahlungsqualität ergibt sich aus dem Verhältnis der Kalibrierfaktoren, die für diese Ionisationskammer im 60Co-Strahlungsfeld und dem interessierenden hochenergetischen Strahlungsfeld ermittelt werden.

Es wurden jeweils 3 Ionisationskammern der Typen PTW 30012, PTW 30013, PTW 30015, PTW 30016, PTW 31010, PTW 31013 und PTW 31015 untersucht. Jede dieser Ionisationskammern wurde sowohl im 60Co-Referenzstrahlungsfeld der PTB als auch in mehreren hochenergetischen Photonenstrahlungsfeldern kalibriert. Die dazu nötigen Messungen erfolgten an den in der PTB vorhandenen klinischen Linearbeschleunigern vom Typ Elekta Precise mit nominellen Beschleunigungsspannungen von 4 MV, 6 MV, 8 MV, 10 MV, 15 MV und 25 MV unter den in IAEA TRS-398 [2] definierten Referenzbedingungen in einem Wasserphantom, dessen Oberfläche sich in einem Abstand von 100 cm zur Strahlungsquelle befand. Die Feldgröße an der Phantomoberfläche betrug 10 cm × 10 cm; die Ionisationskammern wurden so im Wasserphantom positioniert, dass sich ihr Bezugspunkt in der Referenztiefe 10 cm auf der Strahlenfeldachse befand. Alle Kammeranzeigen wurden auf die Anzeige einer Transmissions-Monitorkammer normiert, die sich am Geräteträger des Strahlerkopfes im Strahlenfeld befand [3].

Sowohl die Kalibrierungen im 60Co-Strahlungsfeld als auch die Messungen in den hochenergetischen Beschleunigerfeldern sind direkt auf das deutsche Primärnormal zur Messung der Wasser-Energiedosis - ein Wasser-Kalorimeter [4] - rückführbar und weisen daher die kleinstmögliche Messunsicherheit auf.

Ergebnisse

Für jede untersuchte Ionisationskammer wurden aus den experimentell ermittelten Kalibrierfaktoren die individuellen kQ-Faktoren für verschiedene Strahlungsqualitäten berechnet. Es zeigte sich, dass für ein und dieselbe Strahlungsqualität die kQ-Faktoren verschiedener Ionisationskammern desselben Typs um nicht mehr als 0,2 % voneinander abweichen. Diese Feststellung, die mit früheren Untersuchungen übereinstimmt [5], rechtfertigt die Angabe typspezifischer Werte des Korrektionsfaktors kQ, die für alle Kammern des jeweiligen Typs gelten.

Die typspezifischen kQ-Faktoren der untersuchten Ionisationskammertypen (Mittelwerte der individuellen kQ-Faktoren) sind für die verwendeten Photonenstrahlungsfelder in Tabelle 1 angegeben (nicht alle Kammern wurden in allen Photonenstrahlungsfeldern untersucht).

nominelle
Beschleunigungsspannung
4 MV6 MV8 MV10 MV15 MV25 MV
Strahlungsqualitätsindex Q0,6380,6830,7140,7330,7600,799
PTW 300120,99040,98300,9641
PTW 300130,98390,97440,9570
PTW 300150,99010,98010,9649
PTW 300160,99440,98970,98600,98080,97600,9653
PTW 310100,98660,97810,9573
PTW 310130,98680,97740,9601
PTW 310150,99590,98820,98260,98080,97360,9611

Tabelle 1 : Typspezifische kQ-Faktoren der hier untersuchten Ionisationskammertypen.

Die relative Standardmessunsicherheit der in Tabelle 1 angegebenen kQ-Faktoren wurde entsprechend dem "Guide to the expression of uncertainty in measurement" (GUM) ermittelt, sie beträgt 0,4 %.

Die hier bestimmten kQ-Faktoren ergänzen die vorhandene Datenbasis der von anderen Autoren experimentell [6] oder durch moderne Monte-Carlo-Simulationen des Strahlungstransports [7][8] bestimmten kQ-Faktoren. In den Fällen, in denen die untersuchten Ionisationskammertypen und Strahlungsqualitäten dieselben sind, besteht eine ausgezeichnete Übereinstimmung der hier ermittelten kQ-Faktoren mit den aus der Literatur bekannten Werten. Abbildung 1 verdeutlicht dies am Beispiel des Ionisationskammertyps PTW 31010.

Abb. 1 : Vergleich der in dieser Arbeit bestimmten kQ-Faktoren für Kammern des Typs PTW 31010 mit Literaturwerten. Die grau hinterlegte Fläche stellt die Messunsicherheit der gegenwärtig in den Dosimetrieprotokollen verwendeten kQ-Faktoren dar.

Zusammenfassung

Für je drei Ionisationskammern sieben verschiedener, in der Praxis häufig verwendeter Typen wurden individuelle kQ-Faktoren in hochenergetischen Photonenstrahlungsfeldern bestimmt. Die relative Standard-Messunsicherheit dieser experimentell bestimmten kQ-Faktoren beträgt 0,4 % (k = 1) und ist damit deutlich geringer als die in DIN 6800-2 [1] oder IAEA TRS-398 [2] angegebene Unsicherheit. Die Ergebnisse zeigen, dass für die untersuchten Ionisationskammern die exemplarspezifische Schwankung der kQ-Faktoren im Rahmen der Messunsicherheit vernachlässigt werden kann, was die Angabe typspezifischer Werte für den Korrektionsfaktor kQ erlaubt. Die experimentell ermittelten Werte stimmen sehr gut mit den Ergebnissen neuerer Monte-Carlo-Rechnungen und anderen publizierten experimentellen Werten überein und ergänzen die vorhandene Datenbasis experimentell ermittelter kQ-Werte.

Literatur

  1. Deutsches Institut für Normung: DIN 6800-2:
    Dosismessverfahren nach der Sondenmethode für Photonen- und Elektronenstrahlung – Teil 2: Dosimetrie hochenergetischer Photonen- und Elektronenstrahlung mit Ionisationskammern.
    Beuth Verlag, Berlin (2008)
  2. International Atomic Energy Agency:
    Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy.
    An International Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed Dose to Water. Technical Reports Series No. 398, IAEA, Wien (2000),
    www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/trs398_scr.pdf
  3. R.-P. Kapsch, A. Krauss:
    On the performance of monitor chambers to measure the output of medical linear accelerators for high-precision dosimetric investigations.
    World Congress on Medical Physics and Biomedical Engineering, Munich, September 7 - 12, 2009, IFMBE Proceedings 25/I, 85-88, Springer (2009)
  4. A. Krauss:
    The PTB water calorimeter for the absolute determination of absorbed dose to water in 60Co radiation.
    Metrologia 43 (2006), 259–272
  5. R.-P. Kapsch, C. Pychlau:
    Exemplarstreuung von kQ-Werten.
    In: B. Kollmeier (Hrsg.): Medizinische Physik 2008, Proceedings der Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik, Oldenburg (2008) [CD-ROM]
  6. M. R. McEwen:
    Measurement of ionization chamber absorbed dose kQ factors in megavoltage photon beams.
    Med. Phys. 37 (2010), 2179–2193
  7. J. Wulff, J. T. Heverhagen, K. Zink:
    Monte-Carlo-based perturbation and beam quality correction factors for thimble ionization chambers in high-energy photon beams.
    Phys. Med. Biol. 53 (2008), 2823–2836
  8. B. R. Muir, D. W. O. Rogers:
    Monte Carlo calculations of kQ, the beam quality conversion factor.
    Med. Phys. 37 (2010), 5939–5950