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Charakterisierung eines Röntgenspeicherfoliensystems für die 3D-Vermessung der Wasser-Energiedosis einer Miniatur-Röntgenröhre

01.08.2013

In der Strahlentherapie wird zwischen externer Strahlentherapie und interner Strahlentherapie, der sog. Brachytherapie, unterschieden. In der Brachytherapie (gr. brachys = kurz, nahe) wird der Tumor direkt bestrahlt, indem in den Patienten kleine radioaktive Quellen, sog. Seeds, eingeführt werden. Die Seeds werden im Tumor oder in dessen Nähe platziert. Der Vorteil dieser Therapieform ist, dass vom Tumor entfernt liegendes, gesundes Gewebe nicht bestrahlt wird. Seit über zehn Jahren werden in der Brachytherapie neben der Implantation radioaktiver Strahlungsquellen auch elektronische Strahlungsquellen in Form von Miniatur-Röntgenröhren eingesetzt.

Im Rahmen der Bachelor-Arbeit von Frau Leonie Hoffmann, die thematisch in das europäische Forschungsprojekt "Metrology for radiotherapy using complex fields" (EMRP-HLT09) eingebettet ist, wird ein kommerzielles Röntgenspeicherfoliensystem auf seine Eignung zur Absolutdosimetrie in niederenergetischen Strahlungsfeldern (Photonenenergien von 8 keV bis 50 keV), wie sie beispielsweise von Miniatur-Röntgenröhren emittiert werden, untersucht.

Ein kommerzielles Röntgenspeicherfoliensystem wurde auf seine Eignung zur Messung der Wasser-Energiedosis im Strahlungsfeld der Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM® untersucht. (D. Radeck, Fachbereich 6.2)

Das verwendete Röntgenspeicherfoliensystem KODAK ACR 2000i wurde für die Computer-gestützte Radiographie in hochenergetischen Strahlungsfeldern mit Photonenenergien im Bereich von mehreren MeV, wie sie beispielsweise vom Linearbeschleuniger erzeugt werden, entwickelt. Mithilfe einer Speicherfolie werden Digitalbilder der Strahlungsfeldverteilung generiert. Über den Einsatz in der diagnostischen Bildgebung hinaus werden mit einer zusätzlichen Dosimetrie-Software unbearbeitete Digitalbilder im DICOM-Format mit 4096 Schwärzungsgraden für dosimetrische Analysen zur Verfügung gestellt. Mithilfe eines Bildverarbeitungsprogrammes wurde aus den Graustufenbildern eine Matrix erzeugt, die jedem Pixel mit einer Fläche von 117 µm x 117 µm einen Graustufenwert zuordnet. Die rekonstruierten Matrizen wurden als Eingangswerte für ein in MATLAB® entwickeltes Programm verwendet, mit dem die Analysen der Graustufenbilder durchgeführt wurden.

Die Untersuchungen wurden mit der Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM® von Carl Zeiss Meditec durchgeführt. Sie wird mit einer Hochspannung von 50 kV und einer Stromstärke zwischen 5 µA und 40 µA betrieben. Die Funktionsweise basiert auf einem Elektronenstrahl, der über das Hochspannungsfeld beschleunigt wird, eine Ablenkkammer durchquert und auf ein etwa 1 µm dünnes Gold-Target trifft. Die emittierten Photonen besitzen Energien zwischen 8 keV und 50 keV.

Die Charakterisierung des Röntgenspeicherfoliensystems erfolgte für Photonenenergien von 8 keV bis 50 keV und für Dosen von 0,1 Gy bis 1 Gy in Röntgenstrahlungsfeldern. Zusätzliche Einflussparameter, wie beispielsweise das Umgebungslicht und die Bestrahlungszeit, wurden hierbei konstant gehalten. Bei der Charakterisierung der Röntgenspeicherfolie wurde sowohl eine Abhängigkeit von der Photonenenergie als auch eine Abhängigkeit von der Dosis festgestellt. Da die Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM® niederenergetische Strahlungsfelder erzeugt, stellte sich die Zuordnung der aus den Graustufenbildern der Röntgenspeicherfolie ermittelten Signale zu einer Dosis als sehr aufwendige Analyse heraus.

Die Messung im Strahlungsfeld der Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM® im Wasser wurde in 5 mm-Schritten bis zu einem maximalen Abstand von 6 cm orthogonal und parallel zur Strahlachse durchgeführt. Die Positionen wurden mit einem Roboter der Fa. Stäubli angefahren (siehe Abb. 1).

Abb. 1 : Aufbau der Messung im Wasserphantom. Der Roboterarm der Fa. Stäubli hält die Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM®. Die Röntgenspeicherfolie befindet sich in der Messposition "Orthogonal", d.h. orthogonal zur Strahlachse, in einer wasserdichten Halterung aus Polycarbonat-Tafeln.

Die Messungen im Wasserphantom bei einem Röhrenstrom von 40 µA und einer Bestrahlungszeit von 1 min zeigten, dass die aus den Graustufenbildern der Röntgenspeicherfolie ermittelten Signale mit zunehmendem Abstand zwischen der Röntgenspeicherfolie und der Sonde der Miniatur-Röntgenröhre abnehmen. Bei einem Abstand von 60 mm wurde bei der Messposition "Orthogonal" und bei der Messposition "Parallel" eine Abnahme des Signals um 45,80 % ermittelt. Als Referenz-Signal wurde jeweils das Signal bei einem Abstand von 15 mm gewählt. Die Signale bei der Messposition "Orthogonal" unterscheiden sich von den Signalen bei der Messposition "Parallel" mit einer mittleren Abweichung von 1,64 %. Die maximale Abweichung zwischen den Signalen der Messpositionen beträgt 3,22 % bei einem Abstand von 40 mm (siehe Abb. 2).

Abb. 2 : Messwerte der Röntgenspeicherfolie, aufgetragen als Signal in willkürlichen Einheiten, in Abhängigkeit von dem Abstand zwischen der Miniatur-Röntgenröhre INTRABEAM® und der Röntgenspeicherfolie in Millimeter. Die Messungen wurden im Wasserphantom bei den Messpositionen "Orthogonal" und "Parallel" bei einem Röhrenstrom von jeweils 40 µA und einer Bestrahlungszeit von 1 Minute durchgeführt.

Das Strahlungsfeld bzw. das Energiespektrum am gewählten Messort im Wasser kann mit Strahlungstransportberechnungen basierend auf Monte-Carlo Simulationen (Programmpaket EGSnrc) aus dem emittierten Photonenspektrum der Miniatur-Röntgenröhre berechnet werden.

Für jede Photonenenergie muss das Signal (S) in Abhängigkeit von der Dosis (D) durch eine natürliche Logarithmusfunktion in der Form S = a x ln(D) +b angenähert werden. Nach elementaren Umformungen kann so bei jeder Photonenenergie dem Signal eine Dosis (Messgröße Wasser-Energiedosis) zugeordnet werden.