Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden ? Lynn Caluwaerts

Promotor: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Begeleider: Raju Srivastava Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: biomedische ingenieurstechnieken

Vakgroep Radiotherapie en Experimenteel Kankeronderzoek Voorzitter: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2010-2011

Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden ? Lynn Caluwaerts

Promotor: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Begeleider: Raju Srivastava Masterproef ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: biomedische ingenieurstechnieken

Vakgroep Radiotherapie en Experimenteel Kankeronderzoek Voorzitter: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Faculteit Ingenieurswetenschappen en Architectuur Academiejaar 2010-2011

VOORWOORD Ik wil graag iedereen die me tijdens het realiseren van dit proefschrift heeft bijgestaan van harte bedanken. In de eerste plaats, mijn promotor Prof. Dr. Ir. Carlos De Wager die me vanaf dag 1 heeft gesteund en bij wie ik steeds met mijn vragen terecht kon. Daarnaast zeker ook alle professoren en docenten die me de nodige basiskennis hebben gegeven in de medische fysica en die altijd met enthousiasme en liefde voor het vak hun colleges hebben gegeven. Mijn ouders, die me de kans hebben gegeven deze opleiding te volgen en me niet alleen financieel maar ook moreel steunden tijdens moeilijke periodes en als laatste dank ik ook mijn zussen en mijn vrienden die geloofden dat ik deze opleiding tot een goed einde zou brengen.

De toelating tot bruikleen "De auteur geeft de toelating deze masterproef voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de masterproef te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze masterproef." Datum: 6 juni 2011

Lynn Caluwaerts

I

OVERZICHT Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden? Lynn Caluwaerts Promotor: Prof. Dr. Ir. Carlos De Wagter Begeleider: Raju Srivastava In dit proefwerk wordt onderzocht of het superpositieprincipe een goede methode is om de dosis van kleine velden te berekenen. Bij het meten van de dosis van kleine velden zijn er problemen, zoals het niet aanwezig zijn van het elektronisch evenwicht, die ervoor zorgen dat de dosis of het dosisprofiel niet goed kan bepaald worden. Dit komt bv. voor bij een meting met een farmer kamer. Deze heeft namelijk een te groot sensitief volume. In dit proefwerk zullen we metingen van een aantal velden van elkaar aftrekken, waarbij het netto resultaat een klein veld is en zo vergelijken of deze een beter resultaat geven dan de rechtstreekse meting van het kleine veld. Dit doen we met verschillende kamers; de PTW 31018 microLion, de PTW 31002 semiflex en de farmer kamer PTW 30006. Conclusie uit deze metingen is dat het superpositieprincipe een juist resultaat geeft, maar dit enkel met een kamer die geschikt is om de dosis of het dosisprofiel van het kleine veld ook rechtstreeks te meten. De methode vraagt dus meer tijd en meer werk, waardoor men ook meer fouten kan maken. In een tweede deel van dit proefwerk onderzoeken we hoe in een direct en een samengesteld veld (dat wordt opgebouwd door verschillende stripvelden) met dezelfde afmetingen, de verschillende componenten die bijdragen tot de dosis zich verhouden. Deze zijn primaire dosis, headscatter, fantoomscatter, intraleaf lekstraling en interleaf lekstraling. We concluderen hier dat het aandeel aan primaire dosis en fantoomscatter gelijk is, het aandeel aan headscatter lager is en het aandeel aan lekstraling hoger is in het samengesteld veld. Het aandeel van de headscatter verlaagt door de kleinere collimatoropening bij de verschillende stripvelden die het samengesteld veld vormen en het aandeel aan lek verhoogt doordat er meer MU worden gegeven per deeltje van het samengesteld veld. Men ziet ook dat de hoogte van het profiel van het samengesteld veld, de hoogte van het profiel van het open veld benadert tot op 95%. Het heeft echter wel een gerimpelde vorm. De topwaarden van een stripveld, waaruit het samengesteld veld is opgebouwd, komen slechts op 70% van de hoogte van het samengestelde profiel. Indien men met een extra loodafscherming de lekstraling tegenhoudt, zakt de hoogte van het samengestelde profiel tot +/- 90% van de hoogte van het profiel van het open veld. De lekstraling kan nu het verlies aan headscatter minder compenseren. Trefwoorden: kleine velden, superpositieprincipe, dosimetrie, samengesteld veld II

EXTENDED ABSTRACT Introduction

center of this field is head scatter and phantom scatter dose. Last but not least, we measure the dose in the

In modern treatment modalities like Gamma Knife and

same field size while shielding this field with a shielding

Cyber Knife, very small fields sizes of a few millimeters

block that leaves a small area free in the middle of the

are used to treat patients. However, in current codes of

field. This field is thus the complement of the second

practice the determination of the absolute dose to water

one. Almost all dose that will contribute to this small

is calculated with reference fields that are lager. Thus,

field is primary dose. By subtracting the first two fields,

the difficulties regarding the small field dosimetry are

the theoretical result will be the third field or the small

not covered in these codes of practice. The lack of CPE or

field. We are measuring with different chambers so we

charged particle equilibrium and the large variety of

can see if this superposition principle can get around the

chambers with differences in sensitive volume, make the

problems for determining the small field dose profiles,

determination of the dose in small fields a difficult job.

chambers with large sensitive volumes have. If these

In this paper the possibilities of determining the dose in

detectors can determine the dose in the small field

small fields by using the superposition principle is

accurately with this principle, the acquisition of both

investigated,

chambers with small and large sensitive volumes is no

this

using

different

chambers.

We

investigate whether 1. The dose profile of a small field

longer needed.

can accurately be determined by subtraction of measurements of two other fields with a chamber with a

1.1. Method and materials

small sensitive volume and 2. If this is also possible with a chamber that can’t accurately measure the profile of

We do the measurements with the PTW water phantom

the small field in a direct way, like farmer chambers.

and

Secondly, the different ways dose can get to one single

experiments; PTW 31018 microlion, PTW 31002 semiflex

radiated point are investigated. More precisely, we

and farmer chamber PTW 30006. We also use different

investigate how these components contribute to the

shielding blocks made out of lead alloy and tungsten. We

total dose in a open field of 20 x 20 cm² and an IMRT

used the following parameters: SSD = 90 cm, depth = 10

field of the same size, composed of strip fields with a

cm, Energy = 6 MV.

use

the

following

chambers

in

different

size of 1 x 20 cm². We also analyze how the scatter and leakage contribution and the contribution of primary

1.2. Results and conclusion

dose influence the height and ratio of the different dose profiles. This last experiment is also tested on the

The dose profiles calculated with the superposition

Pinnacle 3 treatment planning system.

principle for the small fields give a good representation if the curves are measured with a chamber with a small

1. Superposition principle for calculation of the dose for

sensitive volume that is able to do the measurement

small fields

directly. Using the principle, more measurements will be needed, with a larger chance of making mistakes,

In these experiments, we try to accurately determine the

without obtaining a better dose profile as in the direct

dose profile of a small field by the subtraction of two

measurement. So the benefit of using the principle is

other fields, using different chambers. First of all, we

negligible. In the measured dose profiles with the

measure an open field of a certain size. The total dose

different chambers is one reoccurring phenomenon. The

will come from primary dose and the contribution of

dose profile obtained by the superposition principle is in

scatter dose. Secondly, we measure the same field, but

all

while shielding the centre of this field with a shielding

measurements with the shielding block. This can be

material that covers an area of around 1 x 1 cm² at

attributed to the absence of divergence in the small bar

isocenter. The only dose that can be imparted in the

that covers only the centre of the field. Photons

measurements

broader

than

the

direct

III

100%

travelling close to the boundary of the bar, will already be attenuated where they would not be, if the bar would be divergent. If we analyze the curve measured with the

80%

open field and the field with the small centered bar doesn’t give a good representation of the small field

Dose [%]

farmer chamber, we conclude that the subtraction of the 60%

dose profile. The superposition principle is thus not a good way to

40%

circumvent the problems large sensitive volume chambers are having with direct measurements of small

20%

fields. 2. Comparison of the profile of an uniform IMRT field and a direct field of the same size In a second series of experiments, we investigate the contribution, related to the total dose, of the different

0% -120 -100 -80 -60 -40 -20

0

20

40

60

80 100 120

Position [mm]

Figure 1: The light blue curve represents the direct open field, the light green curve represents the IMRT field. The smaller profiles represent the strip fields.

ways radiation can contribute to this total dose, in an

If we compare the different dose profiles of the IMRT

IMRT field and a direct field of the same size. The

field, the direct field and the individual strip fields, we

components of the total dose are: 1. primary dose, 2.

notice the following. The profile of the IMRT field has a

head scatter which is related to field size and collimator

wrinkled shape instead of the direct field profile which is

position, 3. phantom scatter, 4. intraleaf leakage and 5.

much more flat. The height of one strip field profile is in

interleaf leakage which are both related to the total

all experiments +/- 70% of the IMRT field profile. Taking

number of MU given. First of all, we measure an open

the mean value of the height of all strip fields will not

field (20 x 20 cm²) and afterwards we measure 20 strip

represent the height of the IMRT field and will not show

fields (1 x 20 cm²) collimated by both MLC leaves and

the wrinkled shape. One strip field will still “grow” in

collimator jaws, all with the same amount of MU.

dose due to the dose present in the tale of the other

Together these 20 strip fields build the IMRT field. By

strip fields. The IMRT profile is 95% of the open profile.

reducing the leakage in a second experiment with an

Concerning the different dose contribution ways we can

extra shielding block, we analyze if this changes the

conclude for the IMRT field: 1. primary dose and

shapes and heights of the profiles of the IMRT and the

phantom scatter are present in the same amount

open field. We do the same experiment on the Pinnacle

compared to the total dose and 2. the amount of head

3 planning system.

scatter is decreased and the amount of leakage is increased; this respectively due to the smaller fields and

2.1. Method and materials

thus smaller MLC leaves opening used in the IMRT field and the larger amount of MU. In the second experiment,

In the first experiment we use the LA 48 linear array,

as shown in figure 1, where the extra shielding block is

which is a linear array that contains 47 chambers and in

used to decrease the leakage, the IMRT profile shrinks to

the second one where the extra shielding block is used,

90% of the direct field profile. The increase of leakage is

we use the PTW 31018 microlion and the PTW water

less and can’t cover the decrease in head scatter in the

phantom.

IMRT field in the first experiment. The results of the treatment planning system show the same relative

2.2. Results and conclusion

magnitudes of the subprofiles.

IV

INHOUDSTAFEL VOORWOORD ......................................................................................................................... I OVERZICHT............................................................................................................................. II EXTENDED ABSTRACT ............................................................................................................ III INHOUDSTAFEL ...................................................................................................................... V AFKORTINGEN EN SYMBOLEN.............................................................................................. VIII HOOFDSTUK 1: INLEIDING: WAT IS EEN KLEIN VELD? ............................................................... 1 1.1. Artikel 1: Indra J. Das et al. “Small fields: Nonequilibrium radiation dosimetry”, Medical Physics 35 (1), 206-215, (2008)..................................................................................................... 1 1.2. Artikel 2: R. Alfonso et al. “A new formalism for reference dosimetry of small and nonstandard fields”, Medical physics 35 (11), 5179-5186, (2008) ............................................... 3 1.3. Het superpositieprincipe: Artikel 3: Shidong D. Li et al. “A new approach in dose measurement and error analysis for narrow photon beams (beamlets) shaped by different multileaf collimators using a small detector”, Medical physics 31 (7), 2020-2032, (2004). ........ 8 HOOFDSTUK 2: ONDERZOEK OVER DE WAARDE VAN HET SUPERPOSITIEPRINCIPE BIJ KLEINE VELDEN .................................................................................................................................14 2.1. Theoretische benadering/Doel van de proeven ................................................................... 14 2.2. Methode en materialen ....................................................................................................... 16 2.2.1. Opstelling ...................................................................................................................... 16 2.2.2. Software ....................................................................................................................... 22 2.2.3. Afschermmaterialen ..................................................................................................... 24 2.3. Proeven ................................................................................................................................ 29 2.3.1. Proef 1: Kennismaking met de praktische aspecten .................................................... 29 2.3.1.1. Inhoud van de proef en grafieken ......................................................................... 29 2.3.1.2. Bespreking ............................................................................................................. 31 2.3.2. Proef 2: Meten met een kleinere kamer: de PTW 31002 microlion ............................ 32 2.3.2.1. Inhoud van de proef en grafieken ......................................................................... 32 2.3.2.2. Bespreking ............................................................................................................. 35 2.3.3. Proef 3: De loodafscherming wordt vervangen door wolfraam .................................. 36 2.3.3.1. Inhoud van de proef en grafieken ......................................................................... 36 V

2.3.3.2. Bespreking ............................................................................................................. 40 2.3.4. Proef 4: Gebruik van de farmer kamer: Kunnen de problemen bij rechtstreekse meting van het klein veld vermeden worden?....................................................................... 41 2.3.4.1. Inhoud van de proef en grafieken ......................................................................... 41 2.3.4.2. Bespreking ............................................................................................................. 44 2.4. Conclusie .............................................................................................................................. 44 HOOFDSTUK 3: DE SUPERPOSITIE VAN STRIPVELDEN .............................................................48 3.1. Theorie/Doel van proef 5 ..................................................................................................... 48 3.2. Methode en materialen ....................................................................................................... 51 3.3. Proef 5: stripvelden meten met de LA 48 linear array ......................................................... 52 3.3.1. Inhoud van de proef en grafieken ................................................................................ 52 3.3.2. Bespreking .................................................................................................................... 56 3.4. Conclusie .............................................................................................................................. 57 3.5. Theorie/Doel van proef 6 ..................................................................................................... 59 3.6. Materialen en methode ....................................................................................................... 59 3.7. Proef 6: Stripvelden meten met extra lood afscherming ..................................................... 59 3.7.1. Inhoud van de proef en grafieken ................................................................................ 59 3.7.2. Bespreking .................................................................................................................... 61 3.8. Conclusie .............................................................................................................................. 62 HOOFDSTUK 4:. SUPERPOSITIE VAN STRIPVELDEN MET EEN PLANNINGSSYSTEEM ..................64 4.1. Inleiding ............................................................................................................................... 64 4.2 Het planningssysteem........................................................................................................... 64 4.3. Resultaten van het planningsysteem ................................................................................... 65 4.3.1. Grafieken ...................................................................................................................... 65 4.3.2. Bespreking .................................................................................................................... 68 4.4. Conclusie .............................................................................................................................. 68 HOOFDSTUK 5: DE RADIOBIOLOGISCHE GEVOLGEN VAN IN DE TIJD EN IN DE RUIMTE GEFRACTIONEERDE DOSIS .....................................................................................................71 5.1. Inleiding ............................................................................................................................... 71

VI

5.2. Artikel: Stefanie Blockhuys et al.“From clinical observations of intensity-modulated radiotherapy to dedicated in vitro designs”, Mutation Research 704 (1-3), 200–205, (2010) .. 71 5.3. Conclusie .............................................................................................................................. 75 BIBLIOGRAFISCHE REFERENTIES .............................................................................................76 LIJST VAN DE FIGUREN ..........................................................................................................79 LIJST VAN DE TABELLEN .........................................................................................................82

VII

AFKORTINGEN EN SYMBOLEN A

massagetal

cGy

centigray

MV

megavolt

NA

het getal van Avogadro : 6,022 * 10-23 mol-1

V

volt

Z

atoomnummer

σ

standaard afwijking

σtotaal

de werkzame doorsnede bij een bepaalde energie.

ρ

massadichtheid

µ

attenuatiecoëffiënt

AAPM

American Association of Physicists in Medicine

clin

klinisch

CPE

charged particle equilibrium

CT

computed tomography

D

dosis

f

veld

FWHM

full width at half maximum

IAEA

International Atomic Energy Agency

IMRT

intensity modulated radiotherapy

ISL

inverse square law

k

correctiefactor bij bepaling van de absolute dosis

LEE

leaf edge effect

M

meting van de elektrometer

MC

monte carlo simulatie

MLC

multi leaf collimator

MOSFET

metal-oxide-semi-conductor field-effect transistor

MRI

magnetic resonance imaging

msr

machine specific reference field

MU

monitor units

N

kalibratiecoefficiënt voor een bepaalde ionisatiekamer

OAR

off-axis ratio

pcsr

plan class specific reference field

Q

kwaliteit VIII

ref

referentie

SF

(total) scatter factor

SSD

source surface distance

STFDD

spatio-temporal fractionated dose distribution

TLD

thermo-luminescent dosimetry

TMR

tissue maximum ratio

w

water

3D

driedimensionaal

60

cobalt-60

Co

IX

HOOFDSTUK 1: INLEIDING: WAT IS EEN KLEIN VELD? Om de waarde van het superpositieprincipe te kennen bij kleine velden, is het belangrijk om te weten wat een klein veld juist is. Om meer te weten over “kleine velden” bestudeerden we twee publicaties die dit begrip heel goed omschrijven en ook de problemen en moeilijkheden verduidelijken die bij de dosimetrie van kleine velden naar boven komen.

1.1. Artikel 1: Indra J. Das et al. “Small fields: Nonequilibrium radiation dosimetry”, Medical Physics 35 (1), 206-215, (2008). In de radiotherapie worden traditioneel velden gebruikt tussen de 4 x 4 cm² en de 40 x 40 cm². Met de nieuwste technologieën en behandelingstechnieken wordt er steeds meer bestraald met kleinere velden, bijvoorbeeld bij IMRT en Gamma Knife. Door de kleinere velden, of algemeen gezegd niet-standaard velden, krijgt men problemen met het nauwkeurig meten van dosissen. In de eerste plaats ontstaan er problemen met het elektronisch evenwicht. Dit elektronisch evenwicht hangt nauw samen met de laterale “range” van de elektronen, maar is ook afhankelijk van de energie van de bundel, het medium, enz. Standaard wordt dosimetrie gedaan met ionisatiekamers. Ze bestaan in heel veel verschillende soorten, zoals micro, mini, enz. De keuze van de kamer bij een meting is dus zonder deze moeilijke en niet-standaard omstandigheden al iets om over na te denken. Monte Carlo simulaties worden soms gebruikt om gemeten data met verschillende kamers te verifiëren. De publicatie somt de meeste problemen op die ontstaan bij dosimetrie van kleine velden en legt uit wat de mogelijke oplossingen zijn. Verschillende problemen steken de kop op bij de dosimetrie van kleine velden. In de eerste plaats is het niet duidelijk wat een klein veld juist is. Meestal wordt een veld als klein beschouwd indien het kleiner is dan 3 x 3 cm². Meer wetenschappelijk wordt er vaak rekening gehouden met de volgende drie aspecten: 

de grootte van de detector en vooral dan de grootte van het sensitief volume van de detector ten opzichte van het veld.



de laterale “range” van de elektronen in het medium waarin gemeten wordt.



de grootte van de zichtbare delen van de bron als men kijkt van de detector naar de bron. Indien de verschillende delen van de bron niet allemaal zichtbaar zijn van het midden van het veld, zal de geometrische penumbra zich uitstrekken over de hele breedte van het veld en methodes om de veldgrootte te bepalen zoals de FWHM zullen zo falen.

Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

1

Ook de instelling van de “jaws” is belangrijk. Men krijgt variaties in de bundelprofielen als het veld enkel wordt gevormd door de MLC of door de MLC en de “jaws”. Dosismetingen met ionisatiekamers zijn gebaseerd op de “Cavity theory”. Als de grootte van de caviteit kleiner is dan de “range” van de deeltjes dan wordt de caviteit gezien als “nonpertubing” of niet-verstorend. De deeltjes zullen niet verstoord worden in hun pad doorheen het medium door de caviteit. Een van de problemen bij dosimetrie met kleine velden is dat de aanwezigheid van de detector deze verstoring wel geeft en dat deze moeilijk te kwantificeren is. De fluentie van de deeltjes wordt dus verstoord en dit is afhankelijk van allerlei paramaters zoals de geometrie van de detector, de energie van de bundel, de grootte van het veld en het medium waar de metingen in gebeuren. Bij een “klein veld” is er bovendien een verstoring van het elektronisch evenwicht of CPE. De huidige protocols zoals TG 51 en TRS 398 laten toe dat men absolute dosissen kan gaan meten. In de modernste toestellen kan een standaardveld van 10 x 10 cm² echter niet gegenereerd worden en zijn deze protocols als het ware voorbijgestreefd. Vaak gaat men meten met verschillende kamers of metingen doen met film of TLD. Hiervoor bestaat echter geen basis of protocol, wat er voor zorgt dat de fysicus zijn eigen ding zal doen en de kans op fouten veel groter wordt. Heterogeniteiten in het weefsel zoals lucht of longweefsel, zullen ook een verstoring brengen in de “range” van de elektronen en hiervoor moeten dus ook de nodige correcties gebeuren. Er bestaan zeer veel verschillende soorten detectoren zoals ionisatiekamers, TLD, diode, film, alanine enzovoort. Tot dusver was de ionisatiekamer de gouden standaard. Dit omdat ze in verschillende groottes bestaan en door hun beperkte afhankelijkheid van energie en dosisdebiet. Ze zijn ook niet duur en kunnen zeer lang gebruikt worden. Voor de verschillende nieuwe modaliteiten zoals IMRT, Gamma Knife enz., maakt dit grote aanbod aan kamers de keuze voor de juiste kamer alleen nog moeilijker. Metingen in kleine velden met verschillende soorten kamers vertonen meer spreiding dan voor grotere velden. De verschillende detectoren vertonen verschillende voor- en nadelen bij metingen bij kleine velden. Diode detectoren zijn klein en daarom in dit opzicht geschikt voor kleine velden. Metingen met diodes zijn echter afhankelijk van de energie van de bundel, van het dosisdebiet, van de temperatuur en vertonen soms ook een richtingsafhankelijkheid. Hiervoor moet gecorrigeerd worden. Soms worden metingen met diode vergeleken met die van een ionisatie kamer om meer vertrouwen te hebben in de resultaten. TLD is al gebruikt in puntmetingen in “in vivo” dosimetrie. Ze zijn echter wel energie- en ook dosisafhankelijk.


2

Film heeft een significante energieafhankelijkheid vooral voor laag energetische fotonen, maar geeft wel een zeer mooie weergave van de fluentiemap. Belangrijk bij film is wel dat bij de meeste film het productieproces cruciaal is. MOSFET’s zijn ook zeer klein wat hun afmetingen betreft en bovendien zijn ze energieonafhankelijk en zeer goedkoop. Ze zijn echter meer geschikt voor punt dosismetingen en hebben een korte levensduur. Gel geven een mooie 3D-map van de dosis en zijn weefselequivalent en dus energieonafhankelijk in een bepaald energiegebied. Uitlezing van de gel gebeurt echter vaak met MRI of CT en deze apparatuur moet dan beschikbaar zijn. Monte Carlo simulaties werden al gebruikt bij de dosimetrie van kleine velden en deze gaven reeds belovende resultaten. Met MC is het immers mogelijk alle correctiefactoren te implementeren om zo een beter resultaat te bekomen. MC is wel gevoelig aan het model dat gebruikt wordt. Indien dit niet juist is, kan men onmogelijk goede resultaten krijgen. Gezien dus de huidige protocols niet meer werken bij de nieuwe modaliteiten, is het aan de IAEA en de AAPM om ervoor te zorgen dat er op termijn ook daarvoor protocols worden gemaakt of aanpassingen worden gemaakt aan de bestaande protocols, zodat ze eventueel voor de nieuwe modaliteiten kunnen gebruikt worden. Nieuwe protocols voor kleine velden moeten eveneens voldoen aan de strenge nauwkeurigheidseisen van ongeveer 2 %. Belangrijk is ook dat de correctiefactoren voor verschillende kamers beter gekend zijn. Zo vallen een aantal onzekerheden en onnauwkeurigheden weg. Er moeten ook nieuwe detectoren ontwikkeld worden die nog meer geschikt zijn voor kleine velden en best niet afhankelijk zijn van energie, dosisdebiet, enz. De algoritmes die gebruikt worden om dosissen te berekenen, moeten de nietevenwichtstoestanden aankunnen zoals afwezigheid van CPE en weefselheterogeniteiten. MC simulaties kunnen de onzekerheid in de dosimetrie van kleine velden zeker verkleinen en ook zorgen voor de berekening van een aantal correctiefactoren die nodig zijn in nietevenwichtstoestanden.

1.2. Artikel 2: R. Alfonso et al. “A new formalism for reference dosimetry of small and nonstandard fields”, Medical physics 35 (11), 5179-5186, (2008) In veel nieuwe behandelingsmodaliteiten is het vormen van het standaard veld zoals beschreven in de “codes of practice” niet mogelijk. Ze werken met velden die veel kleiner zijn of met samengestelde velden. De actuele “codes of practice” zijn dus niet meer toerijkend voor alle behandelingsmodaliteiten. Daarom is er vanuit de IAEA en de AAPM een voorstel gekomen voor een nieuw formalisme voor deze niet-standaard en samengestelde velden. De essentie van het


3

nieuwe formalisme is dat er twee verschillende routes voorgesteld worden voor machines waar de standaard omstandigheden niet gegenereerd kunnen worden. Deze twee routes zijn: 

dosimetrie voor modaliteiten die gebruik maken van kleine statische velden en dus het standaard veld niet kunnen creëren. Hierbij wordt een tussenstap gecreëerd in de bepaling van de dosis in water door de invoering van een “machine specific reference field” of “msr”.



dosimetrie voor samengestelde velden. Hierbij wordt een tussenstap gecreëerd in de bepaling van de dosis in water door de invoering van, indien nodig het “machine specific reference field” en ook het “plan class specific reference field” of “pcsr”.

In standaard omstandigheden wordt de dosis gegeven door volgende formules. Indien de dosisbepaling gebeurt bij dezelfde bundelkwaliteit als de bundelkwaliteit die bij de kalibratie gebruikt wordt, dan is de dosis in water gelijk aan: (1) Waarbij: : de dosis in water bij een bundelkwaliteit Q.

: de volledig gecorrigeerde uitlezing van de ionisatiekamer. : de geabsorbeerde dosis in water kalibratiecoëfficiënt voor een ionisatiekamer in referentiecondities in een bundel. Meestal wordt de ionisatiekamer gekalibreerd in een cobalt-60-bundel en zal de meting niet bij deze kwaliteit gebeuren. De dosis in water zal dan gelijk zijn aan: (2) Waarbij: : de dosis in water bij een bundelkwaliteit Q. : de volledig gecorrigeerde uitlezing van de ionisatiekamer.


4

: de conversiefactor die corrigeert voor de kwaliteit. : de geabsorbeerde dosis in water kalibratiecoëfficiënt voor een ionisatiekamer in referentiecondities in een bundel. Indien de eerste route wordt gebruikt, wordt gebruik gemaakt van het “machine specific reference field”. Dit wordt ingevoerd als een tussenstap tussen het veld waarin metingen worden verricht en het 10 x 10 cm² referentieveld fref van de standaard “codes of practice”. Deze route wordt gebruikt bij modaliteiten die gebruik maken van statische velden, waarbij men het 10 x 10 cm² veld niet kan genereren. De dosis in het “machine specific reference field” wordt dan gelijk aan:

(3) Waarbij:

: de geabsorbeerde dosis in water in het “machine specific reference field” : de volledig gecorrigeerde uitlezing van de dosimeter in het “machine specific reference field”. : de kalibratiecoëfficiënt voor de geabsorbeerde dosis in water voor een ionisatiekamer bij een referentiekwaliteit Q0. Deze factor wordt gemeten in een standaard laboratorium bij een referentieveld van 10 x 10 cm². : de correctiefactor voor de bundelkwaliteit, die corrigeert voor de verschillen tussen de referentiebundelkwaliteit Q0 in het standaard laboratorium en de bundelkwaliteit van het referentie veld fref. : de correctiefactor voor de bundelkwaliteit, die corrigeert voor de verschillen tussen de bundelkwaliteit van het referentie veld fref en de bundelkwaliteit van het “machine specific reference field”. Deze factor is ook gelijk aan de verhouding van de respons van de ionisatiekamer in het referentieveld en in het “machine specific reference field”.


5

(4) Voor een bepaald klinisch veld wordt de dosis dan gelijk aan:

(5) Waarbij: : de geabsorbeerde dosis in water in het klinische veld.

: de volledig gecorrigeerde uitlezing van de ionisatiekamer in het klinische veld. : de correctiefactor voor de bundelkwaliteit, die corrigeert voor de verschillen tussen de bundelkwaliteit in het “machine specific reference field” en de bundelkwaliteit van het klinische veld. In de formule zit nog een extra k-factor die de conversie maakt van het “machine specific reference field” naar het klinische veld. De uitdrukking kan ook geschreven als volgt, zoals men in het protocol doet:

(6) Met

(7) De tweede route wordt gebruikt voor modaliteiten die samengestelde velden gebruiken en/of rotatietherapie. Hier wordt als volgt te werk gegaan. Er wordt naast een eventueel “machine specific reference field” ook als tussenstap een “plan class specific reference field” ingevoerd. Dit


6

is een referentieveld voor dynamische of “step and shoot” modaliteiten of combinaties van velden die zo dicht mogelijk liggen bij het uiteindelijk klinische veld in de behandeling. De dosis in het “plan class specific reference field” is gelijk aan:

(8) Waarbij: : de geabsorbeerde dosis in water in het “plan class specific reference field”. : de volledig gecorrigeerde uitlezing van de ionisatiekamer in het “plan class specific reference field”. : de correctiefactor voor de bundelkwaliteit, die corrigeert voor de verschillen tussen de bundelkwaliteit in het “plan class specific reference field” en de bundelkwaliteit in het referentie veld fref. Indien de machine het referentie veld van 10 x 10 cm² niet kan genereren worden er twee tussenstappen gebruikt, namelijk het “plan class specific reference field” en het “machine specific reference field”. De vorige vergelijking wordt dan:

(9) Waarbij: : de correctiefactor voor de bundelkwaliteit, die corrigeert voor de verschillen tussen de bundelkwaliteit in het “plan class specific reference field” en de bundelkwaliteit van het ”machine specific reference field”. Men kan concluderen dat de IAEA en de AAPM dicht willen blijven aansluiten aan de methodes van de huidige “codes of practice”. Men zal alleen het begrip “reference field” of referentie veld uitbreiden bij de nieuwe modaliteiten.


7

1.3. Het superpositieprincipe: Artikel 3: Shidong D. Li et al. “A new approach in dose measurement and error analysis for narrow photon beams (beamlets) shaped by different multileaf collimators using a small detector”, Medical physics 31 (7), 2020-2032, (2004). Het idee om te onderzoeken of het superpositieprincipe een betere aanpak is om dosissen te bepalen bij kleine velden, ontstond uit een reeds gepubliceerd artikel getiteld: “A new approach in dose measurement and error analysis for narrow photon beams (beamlets) shaped by different multileaf collimators using a small detector.” Hieronder wordt het artikel verduidelijkt. Het bepalen van de SF, TMR en de OAR of voluit de “(total) scatter factor”, de “tissue maximum ratios” en de “off-axis ratios” is in kleine velden niet gemakkelijk door verschillende effecten die zorgen voor onevenwicht zoals bv. het “detector-volume effect”, en het “detector-position effect”. Het artikel vertelt dat indien de detector bij kleine velden niet helemaal centraal staat, dit kan lijden tot fouten van 10% en meer. In het artikel onderzoekt men een nieuwe methode voor de bepaling van de SF, de TMR en de OAR voor een klein veld. Dit doet men in twee stappen. In de eerste plaats wordt gebruik gemaakt van vier kwadrantvelden om de plaatsingsfout van de detector zo klein mogelijk te maken. In de tweede plaats wordt het superpositieprincipe toegepast om de SF, de TMR, de OAR en de gegeven dosis te bepalen in een klein veld, door aftrekking van een open veld en twee stripvelden die op hun beurt de som zijn van de vier kwadrantvelden. (Verduidelijking volgt later) Men maakt hierbij ook een analyse van de volgende effecten namelijk het “MLC leaf edge effect”, het “detector-position effect” en het “detector-volume effect”. Door de fouten goed te analyseren, suggereert men de meting van de dosis in kleine velden te kunnen verbeteren. In de proeven worden drie verschillende lineaire versnellers gebruikt en men zal verschillende velden gebruiken, kleiner dan 10 x 10 cm² om de theorie te testen. (3 x 3; 4,4 x 4,4; 5 x 5; 6 x 6; 8,8 x 8,8 en 10 x 10 cm² velden) Eerst wordt er gebruik gemaakt van vier kwadrantvelden om de positiefout van de detector te bepalen en ook te bepalen wat de gevolgen daarvan zijn. Om dit te testen wordt een pinpoint chamber (PTW N31006) en een diode detector gebruikt. Normaal zet men de detector op de centrale as door naar het lichtveld te kijken van de bundel. Het licht- en het stralingsveld komen echter niet altijd juist overeen en het exacte meetpunt van de detector is niet altijd gekend. Om dus positiefouten te vermijden doet men het volgende. Eerst definieert men vier kwadrantvelden (Q-velden) die gevormd worden door de MLC en deze worden als volgt genoemd: “left-upper” of “LU”, “right-upper” of “RU”, “left-lower” of “LL” en “right-lower” of “RL” zoals aangegeven in figuur 1.


8

Deze velden werden enkel gevormd door de MLC bladen en de positie van de “jaws” is dezelfde als in het open veld (O-field). (Het O-field is een 10 x 10 cm² veld.) Het meetpunt ligt in het centrum van het kleine gele veld in figuur 1, dat een deel vormt van alle vier de Q-velden. De as van de detector loopt gelijk met de centrale as van de bundel. Het “volume effect” en “leaf edge effect” zijn volgens de auteurs dezelfde voor de vier Q-velden. De metingen van de vier Q-velden worden gebruikt om de positiefout in te schatten. Volgens de auteurs zouden de metingen van de vier Q-velden dezelfde moeten zijn Figuur 1: De vier kwadrant velden of Qvelden. (bron: 7)

indien de detector correct gepositioneerd staat. De positie van de detector wordt gecorrigeerd door deze te

verplaatsen naar de richting van het Q-veld met de kleinste meting. Nadat de detector correct gepositioneerd is, wordt overgegaan naar de dosismetingen aan de hand van 2 stripvelden (S-velden) nl. het XS-veld en het YS-veld, die worden weergegeven in figuur 2. De grenzen van het XS-veld worden bepaald door de zijkanten van de bladen van de MLC, behalve aan het einde van het veld. Bij het YS-veld gaan de bladen het veld begrenzen, dus het Y-veld staat loodrecht op de beweging van de bladen. In de eerste plaats wordt vanuit deze twee velden het LEE of het “leaf edge effect” bepaald. Het LEE is volgens Figuur 2: Het XS-veld en het YS-veld (bron: 7)

het artikel gelijk aan:

(10) Waarbij: Xs en Ys de uitlezing van de detector zijn in het YS- en het XS-veld.


9

Het LEE kan gebruikt worden

als

correctiefactor

bij

lange

en

uitgestrekte velden. De LEE- correctie is belangrijk voor de bepaling

van

de

OAR, de TMR, de SF en de dosis van het Figuur 3: Het A-veld en het B-veld.

klein veld, omdat er een

significant

verschil is tussen de twee uitlezingen van de twee S-velden en voor dit verschil moet gecorrigeerd worden. Na het meten van de twee S-velden en het Q-veld (allen met dezelfde “jaw” instellingen en hetzelfde aantal monitor units), moet het O-veld of het open veld nog gemeten worden, dit ook met dezelfde “jaw” instellingen en hetzelfde aantal MU. Gebaseerd op het superpositieprincipe, is de som van de vier Q-velden gelijk aan het A-veld zoals gegeven in figuur 3. Het centrale roze gedeelte van het A-veld werd viermaal bestraald, de blauwe stroken tweemaal en de groene vierkanten éénmaal. De som van de twee S-velden en het O-veld geeft het B-veld. In dit B-veld is er in het centrale roze deel driemaal gestraald, in de blauwe stroken tweemaal en in de groene vierkanten éénmaal. Indien men nu het A-veld aftrekt van het B-veld, krijgt men exact het kleine veld dat gemeten moet worden. De SF van het kleine veld wordt dan volgens de auteurs: SF = (A-B)/O * SF0

(11)

Waarbij: SF0 = Dosis (O-veld, dmax)/Dosis (100 x 100 mm², dmax)

(12)

De TMR op een bepaalde diepte d is gelijk aan: TMR = (Ad-Bd)/(A-B)

(13)

Bij de metingen van de Q-velden (voor een klein veld van 3x3 cm²) voor de bepaling van de goede positie van de detector, komt men na enkele “trial and error” pogingen tot slechts een Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

10

klein verschil in de meting van de vier Q-velden. De auteurs concluderen dat deze techniek een zeer goede techniek is om de positiefout van de detector te bepalen en dus een eventuele fout in de meting door een positiefout te vermijden. De SF’s gegeven door de nieuwe methode zijn consistent met de gegeven SF door de verhouding van de aflezing van het kleine veld op de aflezing van het kalibratieveld (100 x 100 mm²) op dezelfde detector positie. Ook de waarden voor de TMR bepaald door de nieuwe methode blijken volgens de auteurs consistent te zijn met de waarden van de TMR bepaald door de verhouding van de aflezing op een diepte van 100 mm voor het kleine veld en de aflezing op een diepte van 15 mm voor hetzelfde kleine veld. Er wordt aangetoond dat het grote verschil tussen de nieuwe en de oude methode vooral zit in het feit dat men de fout op de meting (σ) niet kent bij de oude methode. Het LEE, de TMR en de SF werden bepaald voor verschillende groottes van het kleine veld (4,4x4,4; 5x5; 6x6; 8,8x8,8; 10x10 cm²) door middel van een diode en een pinpoint kamer. Het LEE voor de verschillende S-velden verschillen weinig in waarde voor de diode en de pinpoint kamer en ze Figuur 4: Het Leaf edge effect voor verschillende veldgroottes gemeten met een diode en een pinpoint chamber. (bron: 7)

verschillen ook weinig, indien gemeten werd op een diepte van 15 mm of 100

mm. Dit is zichtbaar in figuur 4. Ook de waarden die gevonden werden voor de SF en de TMR worden in het artikel weergegeven in figuren. Als laatste gaat men in de publicatie de dosis in het centrum berekenen van een uitgerekt veld van 6 x t cm² en t x 6 cm² bestraald met 100 MU op een diepte van 100 mm aan de hand van de volgende vergelijking.

(14) Waarbij:


11

Dwld: de dosis berekent van een uitgerekt veld met afmeting 6 x t cm² zoals een planningssysteem dit zou berekenen. De LEE-correctie wordt hier niet in meegerekend. D’wld: de dosis die wel gecorrigeerd is voor het LEE. σLEE: de correctiefactor die corrigeert voor het LEE. Het resultaat van de dosis die verkregen wordt uit deze vergelijking, wordt vergeleken met het resultaat dat verkregen wordt uit berekeningen via het planningssysteem en het resultaat dat wordt verkregen via metingen. Figuur 5 stelt deze resultaten voor. Op de y-as in de figuur zien we de dosis in cGy en de x-as stelt de tweede afmeting van het 6 x t veld voor, dus de waarde op de x-as is gelijk aan t. De grafiek voor de berekende dosis met het planningssysteem loopt in het midden. De gemeten en de berekende dosis (volgens (14)) lopen boven en onder de grafiek van

het

planningssysteem,

naargelang het om een 6 x t cm² veld gaat of een t x 6 cm² veld. In

de

publicatie

wordt

opgemerkt dat het eerste punt Figuur 5: De dosis wordt berekend en gemeten volgens de X en de Y richting van een uitgestrekt veld. (bron: 7)

van alle grafieken, nl. bij een 6 x 6 cm ² veld, dezelfde dosis genereert.

De auteurs van de publicatie concluderen dat de nieuwe methode goede resultaten geeft die gelijklopen met de direct gemeten resultaten. Men beschrijft het voordeel dat men met de vier kwadrantvelden de nodige correctie(s) kan doen voor de positie van de detector. Een tweede belangrijke factor is het LEE bij uitgestrekte velden gevormd door een MLC. Met deze factor kan men het verschil kwantificeren van een veld begrensd door de “tongue and groove side” en een veld begrensd door de afgeronde einden van de MLC. Men zegt dat het belangrijk is het LEE op


12

te nemen in berekeningen indien men met uitgestrekte velden werkt, omdat zo fouten van ongeveer 10% kunnen worden vermeden.


13

HOOFDSTUK

2:

ONDERZOEK

OVER

DE

WAARDE

VAN

HET

SUPERPOSITIEPRINCIPE BIJ KLEINE VELDEN 2.1. Theoretische benadering/Doel van de proeven De metingen die we gaan doen, steunen allemaal op hetzelfde principe. In elke proef

meten

we

drie

verschillende velden. Een eerste veld dat we meten is een

open

veld

met

bepaalde afmetingen. In de Figuur 6: Linkse figuur: het veld met het centraal staafje. Rechtse figuur: het veld met het groot blok dat het complement is van het staafje of het klein veld.

volgende tekst wordt dit veld

“het

open

veld”

genoemd. Het tweede veld dat we meten, is hetzelfde open veld waarbij een staafje wordt geplaatst in het centrum van dat veld. Dit veld met centrale afscherming ziet er uit als op de linkse helft van figuur 6. Het gearceerde deel stelt dus een staafje voor van een bepaald afschermingsmateriaal, dat de rechtstreekse straling zal afschermen rond het centrum. De enige straling die in het afgedekte gebied nog kan komen is strooistraling, dus “headscatter” en “fantoomscatter”. Headscatter zijn fotonen of elektronen die botsen in het hoofd van de versneller en daardoor van hun oorspronkelijke richting afwijken. Fantoomscatter zijn fotonen of elektronen die botsen op atomen in het fantoom en zo van hun oorspronkelijke richting afwijken. Dit veld wordt in het vervolg van de tekst “veld met het centraal staafje” genoemd. Een derde veld dat we meten is een veld met een groot blok dat het complement vormt van het smalle staafje. De grote blok is dus een massief stuk afschermingsmateriaal met centraal een uitsparing van dezelfde afmetingen als het smalle staafje. We gaan dus hier een veld bestralen met kleine afmetingen, nl de afmetingen van de centrale uitsparing geprojecteerd ter hoogte van het isocentrum. (zie verder) Dit wordt weergeven door de rechtse kant van figuur 6. In het kleine centrale veld kan voornamelijk alleen rechtstreekse straling komen. Dit veld wordt in het vervolg van de tekst “het klein veld” genoemd. Figuur 7 vat dit samen.


14

Figuur 7: Het open veld, het veld met het centraal staafje en het klein veld.

We kijken nu in welke mate het rechtstreeks meten van het klein veld, dat dus gevormd wordt door het grote blok afschermingsmateriaal, overeen komt met de resultaten van het kleine veld waarbij we het superpositieprincipe toepassen. Dit gebeurt door de resultaten van het open veld en het veld met het centraal staafje van elkaar af te trekken. Theoretisch zou enkel nog rechtstreekse dosis in het kleine veld moeten overblijven. Dit is net wat we gemeten hebben bij het veld met het grote afschermingsblok of het “klein veld”. Figuur 8 legt dit nog beter uit.

Figuur 8: De resultaten van het open veld en het veld met het centraal staafje aftrekken, zouden de resultaten moeten geven van het klein veld.


15

Zoals reeds in de inleiding vermeld, geven kleine velden heel wat problemen bij het opmeten van de dosis. Vele kamers hebben een te groot sensitief volume en meten een foute dosis. Het superpositieprincipe zou misschien een oplossing kunnen geven om deze problemen te vermijden. Het is niet mogelijk het klein veld rechtstreeks te meten met een kamer met een te groot sensitief volume zoals een farmerkamer omdat door het groot sensitief volume t.o.v. het klein veld, er geen elektronisch evenwicht heerst. Met dit principe kan men dit misschien omzeilen door het open veld en het veld met het centraal staafje te meten en deze af te trekken. Zo is het gebruik van een kleine kamer niet nodig.

2.2. Methode en materialen 2.2.1. Opstelling Om nu te testen of het superpositieprincipe een betere oplossing biedt bij het bepalen van de dosis bij kleine velden, zullen er een aantal experimenten uitgevoerd worden. De proeven vonden plaats in het Universitair Ziekenhuis te Gent op de dienst radiotherapie. Deze afdeling heeft verschillende versnellers ter beschikking om patiënten te behandelen. Om de metingen te doen gaan we een waterfantoom (MP3 water phantom PTW, Freiburg, Germany) bestralen. Het waterfantoom zit eruit zoals in figuur 9. Het is een grote “bak” waar we water in kunnen laten lopen. Deze bak staat op een mechanisme waardoor men de hoogte kan aanpassen, zoals weergegeven in figuur 10. Onder de waterbak van het fantoom is een mechanisme aanwezig waaraan men kan draaien. Zo brengen we alleen de waterbak in zeer kleine stapjes langs een bepaalde kant omhoog of omlaag. De bak kan zo volledig waterpas worden gezet. In het waterfantoom zijn er ook drie stangen aanwezig. Hierop kan de houder gemonteerd worden waaraan de detector wordt vastgemaakt. Met een stappenmotor kan deze dan bewegen doorheen heel het fantoom. Er zijn dus drie richtingen waarin de detector kan bewegen. Deze worden A, B en C genoemd zoals weergegeven in figuur 11. De richting A is gelijk met de richting “crossplane” of de “links-rechts” richting. Als we volgens B bewegen met de detector, verplaatsen we de kamer in de diepte van het fantoom. C geeft de “inplane” richting aan of de “gantry-target” richting. Het fantoom wordt gevuld en leeggemaakt aan de hand van een reservoir dat wordt vastgekoppeld aan het fantoom zoals in figuur 12. Aan het fantoom is een console bevestigd (figuur 13). Indien de kamer vastgemaakt is aan de stangen van het fantoom, kunnen we met deze console de stappenmotor bedienen en de kamer dus laten bewegen doorheen het water. Via deze weg worden ook grenzen ingesteld, zodat tijdens het meten de kamer niet tegen de wanden van het fantoom botst. Ook het nulpunt wordt via deze weg ingesteld. Dit punt is meestal het punt in het isocentrum en in het centrum van het veld dat


16

gemeten wordt. Uiteraard moet de kamer op spanning staan (PTW HV supply) en moeten de gegevens van de kamer worden doorgegeven aan een computer. Dit gebeurt door de nodige connecties te leggen. Belangrijk is dat als de spanning van de kamer afgeschakeld wordt, deze eerst op nul volt gezet moet worden en dan pas de spanningsbron volledig afgeschakeld kan worden. Indien de spanning niet eerst op nul volt wordt gezet en de volgende persoon een andere kamer gebruikt en deze werkt op een lagere spanning, dan zal bij het opzetten van de bron een te hoge spanning over de kamer komen te staan. Daardoor kan de kamer stuk gaan. De spanningsbron ziet eruit zoals in figuur 14. Door middel van de draaiknop kan je de spanning verhogen en verlagen. Het computerprogramma waar we de gegevens mee ophalen, heet Mephysto mc². Met dit programma kunnen de opgehaalde data meteen in een grafiek worden gezet. In dit programma stellen we in welk veld we willen meten, hoe we dit willen meten, met welke detector enz. We kunnen de data ook analyseren indien bijvoorbeeld verschillende metingen achter elkaar worden gedaan en we deze direct met elkaar willen vergelijken. Bij de aanvang van een proef, zetten we eerst het waterfantoom in de kamer ongeveer onder het hoofd van de versneller. Op het fantoom staan zwarte lijnen. Deze lijnen kunnen best al zo goed mogelijk samenvallen met de laserlijnen die schijnen van weerszijden van de kamer. Deze lasers geven het isocentrum aan. Het is niet erg als het niet helemaal perfect gaat. Het waterfantoom is immers niet gemakkelijk te verplaatsen. Daarna kan je best de nodige kabels aansluiten, de kabels die het fantoom voeden, de kabels die de kamer moeten voeden en de kabels die het waterreservoir moeten voeden. Je kan ook al de nodige connecties leggen tussen de kamer en de computer. De kabel (blauw) die de gegevens van de kamer moet doorspelen aan de computer moet met de nodige voorzichtigheid behandeld worden. Deze kabel wordt weergegeven in figuur 15. Een goede kamer en een slechte kabel geeft immers ook een slecht meetresultaat. Een schema van alle connecties is voorgesteld in figuur 16. Daarna kunnen we het waterreservoir koppelen aan het waterfantoom en het water er in laten lopen. Dit duurt enkele minuten. Belangrijk is het water niet te laten overlopen. In de vloer van een lokaal waar een versneller staat zit heel vaak elektronica in de grond en deze is niet bestand tegen eventuele lekken. Daarna wordt de spanning aangezet. Vervolgens kunnen we de kamer juist instellen. Dit gebeurt als volgt; PTW heeft een wit hulpstukje voor de plaatsing van alle detectoren. Dit stukje moet juist staan met de lasers en met het kruis van de bron. Alleen op deze manier staat de kamer juist. Door de kamer donker te maken, kunnen we het kruis van de bron zien en kan dit juist gezet worden met het witte hulpstuk. Ook gaan we de SSD aanpassen door de hoogte van het fantoom aan te passen en een controle te doen of het fantoom wel waterpas staat. Indien dat laatste niet het geval is, kunnen we dat aanpassen door aan de zwarte wielen te draaien. Indien alles juist staat met het witte hulpstuk, wordt dit stukje verwijderd en wordt de kamer die


17

gebruikt moet worden op dezelfde plaats gemonteerd met het juiste verbindingsstuk. Een extra controle of alles nog steeds juist staat kan zeker geen kwaad. Als laatste wordt de computer die verbonden is met de kamer en de computer die aangesloten is met de versneller juist ingesteld.

Figuur 9: Het waterfantoom

Figuur 10: Balgsysteem om de hoogte te veranderen.


18

Figuur 11: De richtingen A, B en C waarin de detector beweegt.

Figuur 12: Het waterreservoir wordt met een slang verbonden met het fantoom.


19

Figuur 13: De console die toelaat de stappenmotoren direct aan te sturen.

Figuur 14: Spanningsbron die de detector voedt. Met de draaiknop kan je de spanning veranderen.


20

Figuur 15: Een kabel voor de detector die niet meer geschikt is voor gebruik.

Figuur 16: Schema van de opstelling.


21

2.2.2. Software In het startscherm van het programma Mephysto mc² krijgen we een aantal opties. We kunnen kiezen om metingen uit te voeren of om te kalibreren enzovoort en dit met verschillende fantomen en kamers. Om een proef te starten kiest men het onderdeel “analysis”. Dan komen we rechtstreeks terecht in het scherm dat de data zal weergeven en waar alle verschillende parameters kunnen ingegeven worden. Dit wordt weergegeven in figuur 17 en 18.

Figuur 17: Het startscherm van Mephysto mc².


22

Figuur 18: Scherm waar de gegevens van de proef worden ingegeven en de resultaten in grafiek worden weergegeven.

Men heeft in het menu twee tabbladen. Deze worden weergegeven in figuur 19 en 20.

Figuur 19: Menu linac

Figuur 20: Menu measurement


23

In het menu “linac” kan men de versneller ingeven die gebruikt wordt, welke energie gebruikt wordt, of er een wedge gebruikt wordt, welk veld bestraald wordt, de SSD enzovoort. Deze gegevens worden ook nog eens ingegeven in de computer die de versneller bedient. In het menu “measurement” stellen we in welke kamer we gebruiken en welke metingen we doen. Er zijn hier verschillende keuzemogelijkheden zoals dieptemetingen of metingen in de “crossplane” of de “inplane” richting. In het menu “tools” stellen we de stappen en de snelheden waarmee we meten in. Dit wordt weergegeven in figuur 21.

Figuur 21: Menu Steps and speeds.

Indien een meting gestart wordt, komen de resultaten rechtstreeks op het scherm in een grafiek. De meting kan altijd herstart worden vanaf het begin of vanaf een bepaald punt. Nadat de meting werd uitgevoerd, kunnen we deze opslaan. De gegevens en de data van de proef worden opgeslagen in een file met extensie mcc. Deze kunnen gewoon worden ingelezen in Microsoft Excel.

2.2.3. Afschermmaterialen De afschermingsblokken die we doorheen de experimenten gebruiken zijn gemaakt uit een loodlegering en uit een wolfraamlegering. Deze laatste bestaat overheersend uit wolfraam en is dus vrij zuiver. De blokken worden weergegeven in de figuren 22 en 23.


24

Figuur 22: Blok van lood met centrale collimatoropening

Figuur 23: Blok van wolfraam met centrale collimatoropening

Figuur 24: De tray waar de afschermingsblokken op komen te staan

De afschermingsblokken die het klein veld vormen en het overeenkomstige staafje worden op een “tray” geplaatst die gemonteerd wordt onder het hoofd

van

de

versneller.

Deze

“tray”

is

weergegeven in de figuur 24. Indien we een klein veld willen vormen van bv. 1 x 1 cm² met een afschermingsblok, op een bepaalde SSD afstand en op een bepaalde diepte, zal de uitsparing in de blok die op de tray staat niet de afmetingen 1 x 1 cm² hebben. De opening die het 1 x 1 cm² veld zal vormen zal kleinere afmetingen hebben door de “inverse square law” of “ISL”. De vorm van de opening in het loden blok is een vierkant met een Figuur 25: De afstand van 76,2 mm tussen de bron en de tray en de afstand van 100 mm tussen de bron en de meetdiepte die de afmetingen van de opening in de afschermingsblokken in het isocentrum bepalen.

zijde van 5,86 mm. De vorm van de opening in het wolfraam blok is een cirkel met een diameter van 9,07 mm. De bovenkant van de tray staat op een afstand van 76,2 mm van de bron. In de proeven


25

die volgen meten we op een SSD van 90 mm en een diepte van 10 mm. Dit is weergegeven in figuur 25. Zo komen we op een klein veld wanneer we gebruik maken van het loden blok van 7,7 mm x 7,7 mm. Bij het wolfraam blok zal het veld een diameter hebben van 11,9 mm. Deze redenering geldt uiteraard ook voor de staafjes. Lood en wolfraam zijn allebei zeer goede afschermingsmaterialen. Voor het gebruik van de MLC, werd vooral lood gebruikt bij de bestraling, om de weefsels rond de tumor af te schermen. Het lood werd dan in een vorm gegoten en achteraf terug vloeibaar gemaakt om te hergebruiken bij een andere patiënt in een andere vorm. De attenuatiecoëffiënt en dus de mate waarin een materiaal X-stralen zal tegen houden is gelijk aan:

µ = NA * ρ * σtotaal / A

(15)

Waarbij: NA: het getal van Avogadro : 6,022 * 10-23 mol-1 ρ : de massadichtheid van het materiaal A: het massagetal van het materiaal

σtotaal : de werkzame doorsnede van het materiaal bij de gebruikte energie De werkzame doorsnede geeft de waarschijnlijkheid weer dat een deeltje/foton van een bepaalde energie zal interageren met een targetmateriaal. Dit kan bij fotonen op verschillende manieren nl. door het foto-elektrisch effect, coherente scatter, het compton effect, paarproductie en fotonucleaire reacties. Welke interactie juist plaatsvindt, is afhankelijk van de energie van het invallende foton en van het atoomnummer Z van het targetmateriaal. Het fotonucleair effect zal enkel voorkomen bij zeer hoge energie (>10 MV). In de meeste experimenten werken we met een energie van 6 MV, waardoor we dit effect niet zullen beschouwen. Daardoor wordt de totale werkzame doorsnede gelijk aan:

σtotaal = σfe + σr + σc + σpp

(16)

Waarbij: σfe: de werkzame doorsnede voor foto-elektrisch effect σr: de werkzame doorsnede voor coherente scatter σc: de werkzame doorsnede voor compton effect σpp : de werkzame doorsnede voor paarproductie Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

26

Gezien een gebruikte energie van 6 MV zijn de overheersende reacties compton scatter en paarproductie. De werkzame doorsnede voor compton scatter is evenredig met Z en de werkzame doorsnede voor paarproductie is evenredig met Z². Naast de attenuatiecoëfficiënt speelt de dikte van het afschermingsmateriaal ook een belangrijke rol. Als we met het voorgaande, lood en wolfraam gaan vergelijken, dan is de loodlegering een goed afschermingsmateriaal, maar het wolfraam is beter om te gebruiken dan de loodlegering. 

Wolfraam: Z = 74 A = 183,85 ρ = 19350 kg/m³ µ = 0,815 cm-1 (voor 6 MeV)



Loodlegering: Samenstelling:

15.5%

tin,

52.5%

bismuth

en

32.0%

lood

gewichtspercentage ρ = 9720 kg/m³ (Zuiver lood: Z = 82, A = 207,20, ρ = 11344 kg/m³, µ = 0,498 cm-1 (voor 6 MV)) De veel grotere massadichtheid van wolfraam zorgt ervoor dat wolfraam van eenzelfde dikte en voor eenzelfde fotonenenergie beter afschermt. De attenuatiecoëffiënt voor een energie van 6 MV is hoger voor wolfraam. 2.2.4. Ionisatiekamers Tijdens de verschillende proeven gebruiken we drie verschillende kamers. In deze paragraaf vindt u meer gegevens over deze kamers.


27



PTW 31002 semiflex (PTW, Freiburg, Germany) Sensitief Volume

0,125 cm3

Diameter sensitief volume

5,5 mm

Cavity lengte

6,5 mm

Tabel 1: Gegevens van de PTW 31002 semiflex

De resolutie van deze kamer is in beide richtingen dezelfde. 

PTW 30006 Waterproof Farmer Chamber (PTW, Freiburg, Germany) Sensitief Volume

0,6 cm3


6,1 mm

Tabel 2: Gegevens van de PTW 30006

Deze farmerkamer heeft een betere resolutie loodrecht op zijn lengteas dan in de richting van zijn lengteas. Deze kamer is niet geschikt voor metingen van kleine velden. Indien men kleine velden meet, zal de farmerkamer een foute respons geven. Het sensitief volume van de farmer kamer is groot, elektronisch evenwicht in de kamer zal verstoord zijn en zal zorgen voor een onjuiste meting. Hierdoor zal de kamer een onvolledig signaal geven of te laat een signaal geven. 

PTW 31018 microLion Kamer Volume

0,0017 cm3

Buitendiameter

11,958 mm

Buiten lengte

39,35 mm


2,5 mm

Dikte sensitief volume

0,35 mm

Tabel 3: Gegevens van de PTW 31018 microlion

Belangrijk is dat de microlion detector gevuld is met de vloeistof iso-octaan en niet met een gas. Daardoor geeft de detector een heel hoog signaal t.o.v. de grootte van het sensitief volume. De microlion detector moet voorbestraald worden om zijn goede Figuur 26: De microlion kamer. De eenheden worden gegeven in mm.

werking te

garanderen tijdens de metingen. De resolutie van de microlion is beter in zijn


28

lengterichting dan in de richting loodrecht op deze lengterichting. Dit komt door de afmetingen van het sensitief volume. De meting wordt in het sensitief volume uitgemiddeld over verschillende punten. Indien dit volume kleiner is, is de meting over minder punten uitgemiddeld en is de resolutie dus beter. Gezien de afmeting van de kamer minder groot is in de lengterichting, zal de resolutie in deze richting beter zijn.

2.3. Proeven In deze paragraaf worden de verschillende resultaten van de proeven gegeven en besproken.

2.3.1. Proef 1: Kennismaking met de praktische aspecten 2.3.1.1. Inhoud van de proef en grafieken De gegevens van de eerste proef zijn hieronder samengevat. Veldgrootte van het open veld: 10 x 10 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm Detector: PTW 31002 semiflex Gebruikt afschermingsmateriaal: Het loden blok en overeenkomstig loden staafje De verdere gegevens en de data van de proef staan in de bijlagen. De grafiek in figuur 27 geeft de resultaten weer in de “crossplane” richting.


29

Dosis [AU]

Proef 1 Crossplane 1,15E-02 1,13E-02 1,10E-02 1,08E-02 1,05E-02 1,03E-02 1,00E-02 9,75E-03 9,50E-03 9,25E-03 9,00E-03 8,75E-03 8,50E-03 8,25E-03 8,00E-03 7,75E-03 7,50E-03 7,25E-03 7,00E-03 6,75E-03 6,50E-03 6,25E-03 6,00E-03 5,75E-03 5,50E-03 5,25E-03 5,00E-03 4,75E-03 4,50E-03 4,25E-03 4,00E-03 3,75E-03 3,50E-03 3,25E-03 3,00E-03 2,75E-03 2,50E-03 2,25E-03 2,00E-03 1,75E-03 1,50E-03 1,25E-03 1,00E-03 7,50E-04 5,00E-04 2,50E-04 0,00E+00

-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

Gegevens open veld Gegevens veld met centraal staafje verschil open veld-veld met centraal staafje Gegevens kleine veld

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

Positie [mm] Figuur 27: Grafiek van de resultaten van proef 1. Alle waarden werden gemeten in de “crossplane” richting en bij 6MV.

In figuur 28 gaan we meer gedetailleerd kijken naar de blauwe en de rode curve om enkele fenomenen beter te zien.


30

Figuur 28: De blauwe curve stelt de curve voor die het verschil weergeeft van de gegevens van het open veld en de gegevens van het veld met het centraal staafje. De rode curve stelt het dosisprofiel van het klein veld voor.

2.3.1.2. Bespreking In de eerste plaats zien we dat de staart van de rode grafiek duidelijk hoger ligt dan die van de blauwe. Lood is dan wel een goed afschermingsmateriaal maar het zal nog altijd een deel straling doorlaten. Daarom zal de dosis daar hoger zijn dan de dosis in blauwe grafiek die het verschil van het open veld en het veld met het centraal staafje weergeeft. Bij het verschil van het open veld en het veld met het centraal staafje is in de eerste plaats theoretisch verondersteld dat zowel de rechtstreekse dosis als de scatter in de staart niet meer aanwezig zijn. We kunnen uit de gegevens berekenen dat de gemiddelde waarde van de staart bij de blauwe curve 3 % is van de topwaarde en bij de rode curve is dit rond de 8%. De rode grafiek is ook lager dan de blauwe grafiek. Bij de blauwe grafiek hebben we dus meer dosis dan bij de meting van het klein veld. De rode grafiek is zo’n 6% lager dan de blauwe grafiek. De rode grafiek is ook iets smaller dan de


31

blauwe grafiek. Namelijk op een hoogte van 50% van de topwaarde is de breedte van de verschilcurve 10,4 mm en de breedte van de curve van het kleine veld is 10 mm. Dit verschil is zo’n 4 %.

2.3.2. Proef 2: Meten met een kleinere kamer: de PTW 31002 microlion 2.3.2.1. Inhoud van de proef en grafieken In de volgende proef gaan we dezelfde metingen doen. We gaan alleen met een kleinere detector werken, nl. de microlion detector. Deze detector heeft een kleiner sensitief volume dan de PTW 31002 semiflex en is dus meer geschikt om kleine velden te meten. De metingen worden uitgevoerd in de “crossplane” richting. Gegevens van de proef worden hieronder verduidelijkt en de data van de proef zijn te vinden in de bijlagen. Veldgrootte van het open veld: 3 x 3 cm² Energie van de fotonen: 6 MV en 18 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm Detector: microlion detector Gebruikt afschermingsmateriaal: het loden blok en overeenkomstige loden staafje In deze proef meten we met een kleiner open veld. Een 10 x 10 cm² veld is vrij groot en een groter veld geeft automatisch meer strooistraling. Om onnodig veel strooistraling te vermijden, verkleinen we het veld tot een 3 x 3 cm² veld. We meten de verschillende velden ook bij twee energieën namelijk 6 MV en 18 MV. De data zijn te vinden in de bijlagen. De grafieken in figuur 29 en 30 geven eerst de resultaten weer voor 18MV.


32

Proef 2 : 18MV 1

1,50E-02 Gegevens open veld

1,45E-02 1,40E-02

Gegevens veld met centraal staafje

1,35E-02 1,30E-02 1,25E-02

verschil open veld-veld met centraal staafje

1,20E-02

Gegevens kleine veld

1,15E-02 1,10E-02 1,05E-02 1,00E-02 9,50E-03 9,00E-03

Dosis [AU]

8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03 7,00E-03 6,50E-03 6,00E-03 5,50E-03 5,00E-03 4,50E-03 4,00E-03 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00 -80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Positie [mm] Figuur 29: Grafiek van de resultaten van proef 2 Hier werd een energie van 18 MV gebruikt en gemeten in de “crossplane” richting.


33

Proef 2 : 18MV 2

1,50E-02

Gegevens open veld

1,45E-02

Gegevens veld met centraal staafje verschil open veld-veld met centraal staafje Gegevens kleine veld

1,40E-02 1,35E-02 1,30E-02 1,25E-02 1,20E-02 1,15E-02 1,10E-02 1,05E-02 1,00E-02 9,50E-03 9,00E-03

Dosis [AU]

8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03 7,00E-03 6,50E-03 6,00E-03 5,50E-03 5,00E-03 4,50E-03 4,00E-03 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00 -80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Positie [mm] Figuur 30: Grafiek van de tweede reeks resultaten gemeten bij een energie van 18 MV en in de “crossplane” richting.

In figuur 31 staan de resultaten voor een energie van 6 MV.


34

Proef 2 : 6MV

5,00E-03

Gegevens open veld Gegevens veld met centraal staafje verschil open veld-veld met centraal staafje Gegevens kleine veld

4,50E-03

4,00E-03

3,50E-03

Dosis [AU]

3,00E-03

2,50E-03

2,00E-03

1,50E-03

1,00E-03

5,00E-04

0,00E+00 -80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

Positie [mm]

Figuur 31: Figuur van de resultaten van proef 2 bij een energie van 6MV in de “crossplane” richting.

2.3.2.2. Bespreking Bespreking 18 MV In beide figuren zien we dat de grafiek van de metingen van het klein veld, in figuur 29 en 30 de paarse curves, bij de staart weer hoger ligt. Dit fenomeen is wel minder sterk dan bij de eerste proef. We bestralen hier slechts met een 3 x 3 cm² veld waardoor, zoals reeds vermeld, veel


35

minder scatter is. Voor figuur 29 en 30 is de gemiddelde waarde van de staart van de groene curve t.o.v. de topwaarde 3%. Voor de paarse curve komen we op een gemiddelde waarde van de staart t.o.v. de topwaarde van rond de 4,5 %. Dit is inderdaad lager dan de 8% die we vonden in de vorige proef. (Gezien we hier met een andere energie werken is voorzichtigheid met deze getallen aanbevolen.) De paarse curves van de metingen van het klein veld zijn ook weer smaller dan de groene curves. De breedte van de groene curven 1 en 2 op halve hoogte is respectievelijk 10,14 en 10,17 mm. De breedte van de paarse curve is 8,67 mm. Dit is een verschil in FWHM van 15%. Qua hoogte benaderen ze elkaar heel sterk. Als we naar de concrete getallen kijken, zien we dat de topwaarden minder dan 1% verschillen. Bespreking 6 MV Ook bij 6 MV zien we dezelfde fenomenen in de grafiek. De staart van de metingen van het kleine veld (paarse curve) is hoger. Namelijk de gemiddelde waarde van de staart van de paarse curve is zo’n 3% van de topwaarde en voor de groene curve is dit slechts 1%. Deze 3% is inderdaad kleiner dan de resultaten in de vorige proef. We zien ook dat de paarse curve smaller is dan de groene curve. De groene grafiek van het verschil heeft een FWHM van 9,80 mm en de paarse curve heeft een FWHM van 8,29 mm. Dat is een verschil van zo’n 15%.

2.3.3. Proef 3: De loodafscherming wordt vervangen door wolfraam 2.3.3.1. Inhoud van de proef en grafieken In de derde proef doen we weer dezelfde metingen. Door de lekstraling die het loodblok niet kan tegenhouden, gaan we werken met de blok van wolfraam. Wolfraam is een beter materiaal om mee af te schermen dan lood. (zie vorige) We werken wel nog steeds met de microlion detector. De gegevens van de proef worden hieronder samengevat. We proberen het open veld nog steeds relatief klein te houden om onnodig veel scatter te vermijden. Veldgrootte van het open veld: 4 x 4 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm Detector: microlion detector Gebruikt afschermingsmateriaal: het wolfraam blok en overeenkomstige wolfraam staafje


36

Figuur 32: Gebruik van de microlion detector in proef 3.

Verdere gegevens van de proef worden weergegeven in de bijlagen. We hebben in deze proef de metingen zowel uitgevoerd in de “inplane” als in de “crossplane” richting. De microlion kamer heeft een betere resolutie in zijn lengterichting, in dit geval de “crossplane”richting zoals weergegeven in de figuur. Dit zou ook te voorschijn moeten komen in de penumbra van de grafieken van de open velden gemeten in de “crossplane” en de “inplane” richting. Als we deze naast elkaar zetten, krijgen we volgende figuur.


37

Proef 3 open veld : inplane en crossplane 1,20E-02 Inplane 1,10E-02

Crossplane

1,00E-02

9,00E-03

8,00E-03

Dosis [AU]

7,00E-03

6,00E-03

5,00E-03

4,00E-03

3,00E-03

2,00E-03

1,00E-03

0,00E+00 -45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 33: Metingen van het open veld in de” inplane” en de “crossplane” richting gemeten bij een energie van 6MV.

In de figuur merken we op dat de penumbra scherper is in de “inplane” richting dan in de “crossplane” richting. Dit is het tegengestelde van wat we verwachtten als we kijken naar de resolutie van de detector alleen. Er zijn echter nog andere factoren die de penumbra beïnvloeden zoals de grootte van bron en de “leaves” van de collimator. De bron bij de versneller die hier gebruikt werd (Synergy), blijkt in de “crossplane” richting iets groter te zijn. Dit geeft een zeer kleine verbreding van de penumbra in de “crossplane” richting. De begrenzing door de leaves van de collimator zal hier dus een overheersende invloed hebben. Deze zal een


38

extra verbreding geven van de penumbra in de “crossplane” richting waardoor de penumbra in de “inplane” richting de scherpste is. De resultaten van de proef, zowel “inplane” als “crossplane”, worden weergegeven in de volgende grafieken.

Proef 3 : Inplane 1,20E-02

Gegevens open veld

1,15E-02 1,10E-02

Gegevens veld met centraal staafje

1,05E-02

Verschil open veld-veld met centraal staafje

1,00E-02

Gegevens klein veld

9,50E-03 9,00E-03 8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03 7,00E-03

Dosis [AU]

6,50E-03 6,00E-03 5,50E-03 5,00E-03 4,50E-03 4,00E-03 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 34: Resultaten van proef 3 in de” inplane” richting gemeten bij een energie van 6 MV.


39

Proef 3 crossplane 1,20E-02

Gegevens open veld

1,15E-02 Gegevens veld met centraal staafje

1,10E-02 1,05E-02

Verschil open veld-veld met centraal staafje

1,00E-02

Gegevens klein veld

9,50E-03 9,00E-03 8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03

Dosis [AU]

7,00E-03 6,50E-03 6,00E-03 5,50E-03 5,00E-03 4,50E-03 4,00E-03 3,50E-03 3,00E-03 2,50E-03 2,00E-03 1,50E-03 1,00E-03 5,00E-04 0,00E+00 -45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 35: Resultaten van proef 3 in de “crossplane” richting gemeten bij een energie van 6 MV.

2.3.3.2. Bespreking Bij deze resultaten zien we in de eerste plaats dat de staart van de grafiek van de metingen van het klein veld (paarse curve) in figuur 34 en 35 zo goed als verdwenen zijn. De voorspelling dat de lekstraling doorheen het blok minder zou zijn met wolfraam blijkt te stroken met de resultaten. De hoogte van het gemiddelde van de staarten van de paarse en de groene curve t.o.v. de topwaarden ligt op minder dan 1%. Vervolgens ziet men ook dat de grafiek van de gegevens gemeten van het klein veld, de paarse curve weer smaller is dan de groene curve. De Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

40

FWHM van de groene curve in de “inplane” richting is gelijk aan 16,29 mm en de FWHM van de paarse curve is 13,61 mm. Dit geeft een verschil van ongeveer 16%. De FWHM van de metingen van de groene en de paarse curve in de “crossplane” richting bedragen respectievelijk 15,11 mm en 13,42 mm. Het verschil is ongeveer 11%. Het verschil in hoogte van de groene curve en de paarse curve in de “crossplane” richting is 1% en in de “inplane” richting is dit ook 1%. De curve van het klein veld is voor alle drie de vorige proeven smaller dan de verschilcurve en in de volgende paragraaf zullen we dit nader verklaren. Indien we veronderstellen dat de grafiek van het klein veld de juiste resultaten weergeeft dan is de verschilgrafiek van de figuur te breed. Dit wil zeggen dat de rode grafiek die de meting maakt van het veld met het centraal staafje ook te breed is en het dal zou dus smaller moeten zijn. Indien we meten met de detector en we naderen het centrum en de rand van het staafje zal er al straling worden tegengehouden waar we dit nog niet verwachten. Een mogelijke verklaring hiervoor is dat het staafje niet divergent is. De afschermingsblokken die gebruikt worden zijn normaal divergent en afmetingen worden groter als men verder verwijderd is van de bron, dit om de juiste afmetingen te hebben geprojecteerd ter hoogte van het isocentrum. Doordat de staafjes van wolfraam en lood niet divergent zijn, houden ze bovenaan al een zekere dosis tegen die eigenlijk om juist te zijn nog doorgelaten zou moeten worden.

2.3.4. Proef 4: Gebruik van de farmer kamer: Kunnen de problemen bij rechtstreekse meting van het klein veld vermeden worden? 2.3.4.1. Inhoud van de proef en grafieken In deze proef gaan we metingen doen met een farmer kamer. De gegevens van de proef zijn te vinden hieronder, de data zijn te vinden in de bijlagen. Veldgrootte van het open veld: 4 x 4 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm Detector: Farmer kamer PTW 30006 Gebruikt afschermingsmateriaal: het wolfraam blok en overeenkomstig wolfraam staafje De resultaten worden weergegeven in figuren 36 en 37. In deze proef meten we ook in twee richtingen namelijk in de “inplane” en in de “crossplane” richting.


41

Proef 4: Inplane 5,00E-03

Gegevens open veld

4,75E-03

Gegevens veld met centraal staafje Verschil open veld-veld met centraal staafje Gegevens klein veld

4,50E-03 4,25E-03 4,00E-03 3,75E-03 3,50E-03 3,25E-03 3,00E-03

Dosis [AU]

2,75E-03 2,50E-03 2,25E-03 2,00E-03 1,75E-03 1,50E-03 1,25E-03 1,00E-03 7,50E-04 5,00E-04 2,50E-04 0,00E+00

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 36: Resultaten van proef 4 in de “inplane” richting. De metingen gebeurden met de PTW 30006 Farmer kamer en bij 6 MV.


42

Proef 4: Crossplane 5,00E-03

Gegevens open veld

4,75E-03 Gegevens veld met centraal staafje 4,50E-03 Verschil open veld-veld met centraal staafje

4,25E-03

Gegevens klein veld

4,00E-03 3,75E-03 3,50E-03 3,25E-03 3,00E-03

Dosis [AU]

2,75E-03 2,50E-03 2,25E-03 2,00E-03 1,75E-03 1,50E-03 1,25E-03 1,00E-03 7,50E-04 5,00E-04 2,50E-04 0,00E+00

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 37: Resultaten van proef 4 in de “crossplane” richting. De metingen gebeurden met de PTW 30006 Farmer kamer en bij 6 MV.


43

2.3.4.2. Bespreking De farmer kamer heeft een

lang

cilindrisch

sensitief volume in de lengterichting. meten

Bij

in

het het

waterfantoom werd de farmer

kamer

“crossplane” gemonteerd.

in

de

richting Dit

is

voorgesteld in figuur 38. De resolutie zal dus beter Figuur 38: Farmer kamer in het waterfantoom

zijn in de “inplane” richting dan in de “crossplane”

richting en dat is heel duidelijk zichtbaar aan het verloop van de curves. De farmer kamer is eigenlijk niet geschikt om kleine velden te meten en dat komt duidelijk naar boven in de zeer brede penumbra’s, dit zowel in de “crossplane” als in de “inplane” richting. De grafiek van de gegevens van het klein veld is weer smaller dan de grafiek die het verschil weergeeft van het open veld en het veld met het centraal staafje. De FWHM van de paarse curve en de rode curve in de “inplane” richting zijn respectievelijk 13,2 mm en 12,3 mm. Dit is een verschil van 6%. De FWHM van de paarse curve en de rode curve in de “crossplane” richting zijn respectievelijk 23,3 mm en 23,0 mm. Dit is een verschil van ongeveer 1%. Het verschil in hoogte van de paarse en de rode curve bedraagt in de “inplane” richting 14 % en in de “crossplane” richting 22 %.

2.4. Conclusie Om te weten of het superpositieprincipe een meerwaarde geeft aan het meten van dosissen bij kleine velden, concentreren we ons op de curves van het klein veld en de curve bekomen door het verschil te berekenen van de data van het open veld en het veld met het centraal staafje. We zien dat deze vrij mooi overeen komen bij de eerste drie proeven. De dosis bepalen via de aftrekking van het open veld en het veld met het centraal staafje is dus juist. De curves bekomen door rechtstreekse meting van het klein veld en de curve die het verschil geeft van het open veld en het veld met het centraal staafje liggen hier altijd dicht bij elkaar. We kunnen hieruit concluderen dat de theorie klopt indien we werken met een detector die klein genoeg is en dus geschikt is om het klein veld rechtstreeks te meten. Het is dan praktisch gezien zinloos om dit via


44

een omweg te doen. Dit is ook wat eigenlijk naar boven komt in de publicatie van Li et al. “A new approach in dose measurement and error analysis for narrow photon beams (beamlets) shaped by different multileaf collimators using a small detector”. Men gebruikt hier een “pinpoint chamber” en een diode om de dosissen te meten en dit zijn ook beide dosimeters met een klein sensitief volume en beide dosimeters die dus geschikt zijn om kleine velden te meten. Dit uiteraard mits de nodige zorg en aandacht. De resultaten voor de dosisberekeningen die men in dit artikel bepaalt via de rechtstreekse metingen vallen mooi samen met de resultaten die met de nieuwe methode, het superpositieprincipe, worden verkregen. Ook hier klopt de theorie, maar ook bij gebruik van kamers en dosimeters die de bepaling van de dosis ook direct kunnen. In de praktijk zal dit principe dus niet worden toegepast voor het bepalen van de dosis. Met het principe van superpositie zal men meer metingen moeten doen en dus meer werk hebben, terwijl het rechtstreeks gemeten profiel een juist resultaat geeft. Doordat men meer metingen doet heeft men bovendien meer kans om fouten te maken tijdens het meten. De enige situatie waarin het superpositieprincipe een meerwaarde kan geven, is de situatie waarbij we zo de dosis van een klein veld kunnen bepalen met een kamer, zoals een farmer kamer, die dat rechtstreeks niet kan bepalen. Zo moeten we geen kleinere kamer aanschaffen om toch kleine velden nauwkeurig te meten. We kunnen echter vaststellen dat de curves berekend door het verschil te nemen van het open veld en het veld met het centraal staafje met de farmer kamer geen goed resultaat geven voor het dosisprofiel van het klein veld. De methode geeft dus geen oplossing om met een farmer kamer toch een klein veld te kunnen meten. Om dit besluit nog extra te bekrachtigen zullen we de resultaten van proef 3 en proef 4 samen te leggen. We nemen de curve van proef 3 voor het kleine veld als het “ware” profiel dat de dosis van het klein veld weergeeft. Door de curve gemeten met de farmer kamer te schalen, kunnen we zien of de curve die het verschil weergeeft van het open veld en het veld met het centraal staafje, een goede weerspiegeling is van deze ware curve. De figuren 39 en 40 maken dit meer duidelijk. Figuur 39 geeft het open veld gemeten met de farmer kamer en de microlion weer. Daaruit kunnen we factoren halen die de curve gemeten met de farmer omzetten in de curve gemeten met de microlion. We nemen voor de resultaten de metingen in de inplane richting omdat de resolutie van de farmer kamer in deze richting veel beter is.


45

INPLANE curves gemeten met de farmer kamer en de microlion 1,20E-02 Open veld microlion

1,15E-02 1,10E-02

Open veld farmer

1,05E-02 1,00E-02 9,50E-03 9,00E-03 8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03

Dosis [AU]


-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 39: Het open veld gemeten met de farmer kamer en de microlion. Beide open velden waren 4 x 4 cm² groot.

Uit deze grafieken kunnen we dus de vermenigvuldigingsfactoren halen om de curve gemeten met de farmer kamer om te zetten in deze gemeten met de microlion. Deze coëfficiënten kunnen we gebruiken om de grafiek die het verschil van het open veld en het veld met het centraal staafje weergeeft, te schalen om te kijken of deze gelijkloopt met de “ware” curve, nl de curve gemeten met het blok met de microlion. Figuur 40 geeft dit weer.


46

Geschaalde curve gemeten met farmer 1,20E-02

Gegevens klein veld microlion

1,15E-02 1,10E-02

Verschil open veld-veld met centraal staafje farmer geschaald

1,05E-02 1,00E-02 9,50E-03 9,00E-03 8,50E-03 8,00E-03 7,50E-03

Dosis [AU]


-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Positie [mm] Figuur 40: De curve gemeten met de microlion detector en de curve gemeten met de farmer kamer geschaald.

Het verschil tussen de curve gemeten met de microlion en de curve die het verschil weergeeft van het open veld en het veld met het centraal staafje met de farmer kamer is 33 % in hoogte. We zien ook dat de penumbra’s van de blauwe curve zeer breed zijn. We kunnen dus niet echt zeggen dat de curve berekend door het open veld en het centraal afgeschermde veld af te trekken met de farmer kamer mooi samenvalt met de “ware” curve van het klein veld gemeten met de microlion. We blijven dus bij het besluit dat het superpositieprincipe wel de dosis kan berekenen van het klein veld en zoals in de publicatie van Li et al. naar boven komt, kan helpen bij positiefouten, dit echter alleen wanneer we met een detector meten die de dosismeting ook rechtstreeks kan doen. Het superpositieprincipe toepassen om een juister resultaat te krijgen voor de dosismeting met een kamer die een klein veld niet rechtstreeks kan meten, gaat niet op.


47

HOOFDSTUK 3: DE SUPERPOSITIE VAN STRIPVELDEN 3.1. Theorie/Doel van proef 5 Als een fantoom of een patiënt bestraald wordt, dan kan straling op vier manieren in één bepaald punt geraken. Deze zijn voorgesteld door figuur 41. Het foton kan het zwarte punt bereiken zoals voorgesteld door lijn 1. Het foton gaat rechtstreeks van de bron naar het zwarte punt in het fantoom. Dit noemen we primaire dosis. Een foton kan daar ook geraken door eerste te “scatteren” in de bron. Dit wordt voorgesteld door lijn 2 en deze soort scatter noemt men headscatter. Wanneer is de hoeveelheid Figuur 41: : De verschillende wegen van fotonen uit een bron.

headscatter nu groot of klein? Dit is o.a. afhankelijk van de plaats van de collimator en dat wordt voorgesteld in figuur 42. We beschouwen een bundel die een fantoom bestraalt en wordt gevormd door een MLC. De MLC kan op verschillende

manieren

de

bundel collimeren; deze kan dicht of ver van de bron staan. Deze kan bv. in positie A staan of in positie B zoals weergegeven in figuur 42. De MLC staat ook meer open indien

een

groter

veld

bestraald wordt. Indien we Figuur 42: Invloed van de plaats van de colimator op de headscatter

vanuit een bepaald punt in

het fantoom kijken naar de bron, dan zien we dat de hoek waaronder we kijken anders is. Op de figuur zal de headscatter met de collimator in positie B meer zijn dan de headscatter met de collimator in positie A. Bij A is de hoek als we kijken naar de bron namelijk kleiner. Ook bij een


48

groter veld waarbij dus de MLC meer open staat en de openingshoek, als we kijken naar de bron ook groter is, krijgen we meer “headscatter”. Een foton kan ook in de zwarte cirkel in het fantoom geraken door “fantoomscatter” voorgesteld door lijn 3 in figuur 41. Het foton zal scatteren in het fantoom en zo in het zwarte punt aankomen. Als laatste kan het foton er ook geraken door juist tussen de “leaves” van de MLC terecht te komen. Dit is interleaf lekstraling. Ook door een individuele leaf heeft men een zekere lek. Dit heet intraleaf lekstraling. Samen vormen deze twee de lekstraling. Lekstraling is er ook bij de jaws. Voorbeelden van percentages van lekstraling zijn hieronder vermeld. 

Elekta Beam Modulator (bron: 12) lek leaves:

piekwaarde: 1,7 % gemiddeld: <1,0%



Elekta Synergy-S Beam Modulator (bron: 13) lek leaves:

piekwaarde: 1,6% gemiddeld: 0,9%



BrainLAB’s Novalis linac (bron: 13) lek leaves:

piekwaarde: 2% gemiddeld: 1,3%



Elekta oncology MLCi2: (bron: 15) lek leaves:

piekwaarde: <1% gemiddeld: 0,5%

lek leaves en jaws:

piekwaarde: 0,2% gemiddeld: <0,1%

We gaan nu verder onderzoeken hoe deze vier componenten zich verhouden in een veld dat samengesteld wordt door verschillende velden en hetzelfde direct bestraalde veld. De verschillende velden die het samengesteld veld vormen of anders gezegd het “IMRT” veld zijn zo samengesteld dat deze kunnen vergeleken worden met eenzelfde rechtstreeks gemeten veld.


49

Bovendien kijken we ook in welke mate het profiel van het samengesteld veld dezelfde hoogte heeft als het profiel van het open veld. We meten in de proeven het dosisprofiel van een 20 x 20 cm² open veld. Daarna meten we 20 keer een veld van 1 x 20 cm². We noemen dit veld het “stripveld”. We meten elke keer 1 stripveld, schuiven dan de MLC leaves en de collimator jaws opzij over 1 cm en meten dan het volgende veld. Dit doen we 20 keer. Het aantal MU is bij elk stripveld gelijk aan het aantal MU bij het open 20 x 20 cm² veld. Op het einde van de proef meten we ook nog een strip apart. Alle metingen worden uitgevoerd in de crossplane richting. Figuur 43 stelt links het open veld voor en rechts de 20 stripvelden die samen het samengesteld veld vormen. Het samengesteld veld is gewoon de wiskundige sommatie van de 20 stripvelden.

Figuur 43: Het open veld en het samengesteld veld dat bestaat uit 20 stripvelden met afmetingen 1 x 20 cm².


50

3.2. Methode en materialen

Figuur 44: De LA 48 Linear Array.

Figuur 45: Opbouw van de LA 48 Linear Array (Bron: [14])

We gebruiken in deze proef de LA 48 Linear Array. Dit meettoestel beschikt over 47 iso-octaan gevulde kamers. De lengte van de array is 37 cm waarover deze kamers gespreid zijn met afmetingen 4 mm x 4 mm x 0,5 mm. Deze individuele kamers staan 8 mm uit elkaar, gemeten van het centrum van een kamer tot het centrum van de volgende. Figuur 44 en 45 geven de array weer. De array bestaat uit epoxy en in de bovenste plaat zit een elektrode die op een hoge spanning wordt gezet, nl. 1000 V. In de onderste plaat zitten de “guard” elektrodes en de meetelektrodes. Tussen de twee elektrodes zit een laag iso-octaan die 0,5 mm dik is en deze vloeistof zorgt ervoor dat de detector een hoog signaal geeft t.o.v. zijn sensitief volume. De linear array in het radiotherapie departement had twee kamers die op het ogenblik van de proef niet meer werkten nl. kamer 24 en 25. Dit zal uiteraard te zien zijn in de metingen van de 20 stripvelden. Deze array wordt gelegd in platen van polystyreen op de tafel in de bestralingsruimte. De array wordt erin vastgemaakt met tape. Daarop komen nogmaals dezelfde platen van polystyreen. Samen moet de Figuur 46: Opstelling van de proef. De blauwe staaf stelt de LA 48 Linear Array voor.

constructie op een SSD van 95 cm staan en de kamer op een diepte van 5 cm. Dit wordt weergegeven

in figuur 46. We leggen op de plaat een waterpas in een aantal richtingen om te zien of de constructie recht staat. Indien dat niet het geval is, kunnen we onder bepaalde stukken van de Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

51

platen enkele bladen papier leggen om alles recht te zetten. We sluiten de LA 48 linear array aan op de juiste spanning en aan de computer. Het programma Mephysto mc² gaat ook hier de resultaten inlezen. We gebruiken echter wel een andere mode om in te meten, nl. de “integrating” mode. Deze zal alle resultaten van alle stripvelden in dezelfde file en dus in dezelfde grafiek zetten. Het profiel van het samengesteld veld zien we op het scherm dus omhoog gaan elke keer we een extra stripveld bestralen.

3.3. Proef 5: stripvelden meten met de LA 48 linear array 3.3.1. Inhoud van de proef en grafieken Hieronder geven we nog een samenvatting van de gegevens van de proef. Veldgrootte van het open veld: 20 x 20 cm² Veldgrootte van het samengesteld veld: 20 keer een veld van 1 x 20 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 95 cm Diepte: 5 cm Detector: LA 48 linear array De volgende grafieken geven de resultaten weer van het samengesteld veld bestaande uit alle strips te samen, het open veld en een meting van 1 strip apart.


52

allen samen strip 1

20 stripvelden + samengesteld veld

strip 2

110%

strip 3

105%

strip 4 strip 5

100%

strip 6

95%

strip 7 strip 8

90%

strip 9

85%

strip 10 strip 11

80%

strip 12

75%

strip 13 strip 14

70%

strip 15

65%

strip 16 strip 17

Dosis [%]

60%

strip 18

55%

strip 19 strip 20

50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% -200 -180 -160 -140 -120 -100

-80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Positie [mm] Figuur 47: De 20 stripvelden en het samengesteld veld gemeten in de “crossplane” richting bij een energie van 6 MV.


53

13e strip

100% strip 13 90%

80%

70%

Dosis [%]

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Positie [mm] e

Figuur 48: De 13 strip apart gemeten bij een energie van 6 MV in de “crossplane” richting.


54

20x20 open veld en de 20 stripvelden samen 110% 20x20 open veld crossplane 20 stripvelden samen

100%

90%

80%

70%

Dosis %

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

120

140

160

180

200

Positie [mm]

Figuur 49: Het samengesteld veld en het open veld gemeten in de “crossplane” richting bij een energie van 6 MV.


55

Op de dienst radiotherapie werd door Raju Srivastava dezelfde proef gedaan waarbij hij de dosis bepaalde met film. Deze resultaten geven mooie curven en in de onderstaande figuur worden de resultaten van de film samen weergegeven met de resultaten gemeten met de LA 48 linear array.

1cm x 20 cm LA 20cm x 20cm single field film 20 cm x 20 cm strip field film 1 cm x 20 cm film 20cm x 20 cm single field LA 20cm x 20cm strip field LA

-12 -11 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

Dosis (cGy)

290 280 270 260 250 240 230 220 210 200 190 180 170 160 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Positie (cm)

Figuur 50: Resultaten gemeten met film en met LA 48 linear array bij een energie van 6 MV.

3.3.2. Bespreking Als we kijken naar de grafieken merken we een aantal fenomenen op. Allereerst zien we dat sommige strips een beduidend lagere topwaarde hebben dan andere. Dit komt doordat de kamers van de array 0,8 cm uit elkaar staan en we velden meten die slechts 1 cm breed zijn. Per stripveld zijn er dus slechts 3 à 4 meetwaarden die de piek van het stripveld vormen. Om daardoor een goede grafiek te trekken is niet gemakkelijk en Microsoft Excel doet dit niet op een goede manier. Bij bepaalde stripvelden zullen de hoogste waarden afgesneden worden door de curve die door de punten wordt getrokken. We merken ook op dat het profiel van het samengesteld veld gerimpeld is en dat de toppen van de afzonderlijke stripvelden een stuk lager liggen dan het samengestelde profiel. Een gemiddelde waarde nemen van de topwaarden van de Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

56

stripvelden als hoogte voor het samengestelde profiel is dus geen goede benadering voor het samengestelde profiel. Dit omdat men een gerimpeld profiel heeft en met een gemiddelde waarde zou de gerimpelde vorm niet naar boven komen. Ook de hoogte zou veel afwijken. De hoogste waarden gemeten van de 20 stripvelden zijn weergegeven in de volgende tabel. Deze percentages zijn ten opzichte van de gemiddelde waarde van het plateau (meetwaarden binnen het 20 x 20 cm² veld) van het profiel van het samengesteld veld. strip 1

strip 2

strip 3

strip 4

strip 5

strip 6

strip 7

strip 8

strip 9

strip 10

78%

58%

75%

82%

76%

59%

74%

80%

76%

4%

strip 11

strip 12

strip 13

strip 14

strip 15

strip 16

strip 17

strip 18

strip 19

strip 20

69%

78%

76%

60%

69%

79%

77%

62%

69%

81%

Tabel 4: De topwaarden van de 20 stripvelden t.o.v. het samengesteld profiel in proef 5

De waarde van de 10e strip is beduidend lager dan de andere waarden. Het defect van de 24e en de 25e kamer in de LA 48 linear array komt hier naar boven. De gemiddelde waarde van deze 20 resultaten is 70%. De hoogte van 1 strip is dus 70% van de hoogte van het samengestelde profiel en 66% van het plateau van het open profiel. Indien men alle stripvelden optelt, komen we wel een heel stuk hoger uit door de dosis die nog in de staarten zit in de profielen van de afzonderlijke stripvelden. De gemiddelde waarde van het plateau van het samengesteld veld is 96% van de gemiddelde waarde van het plateau van het open veld. Gezien de grote afstand van 0,8 cm van de kamers ten opzicht van de breedte van het veld van 1 cm vallen deze resultaten zeer mooi samen.

3.4. Conclusie De dosis die we genereren in het profiel van het open veld en het profiel van het samengesteld veld komen tot stand door de vier verschillende componenten reeds vermeld in de theoretische inleiding. In een stripveld heeft men (t.o.v. de totale dosis in het genoemde veld): 

de hoeveelheid primaire dosis van 1 stripveld = de hoeveelheid primaire dosis van het open veld.



de hoeveelheid headscatter van 1 stripveld < de hoeveelheid headscatter van het open veld. De headscatter wordt o.a. bepaald door de openingshoek gekeken vanaf de detector naar de bron. Bij het stripveld is die hoek kleiner en zal de hoeveelheid headscatter dus t.o.v. de totale dosis in het stripveld kleiner zijn dan de hoeveelheid headscatter in het open veld t.o.v. de totale dosis in het open veld.


57



de hoeveelheid fantoomscatter van 1 stripveld < de hoeveelheid fantoomscatter van het open veld. Het aandeel in fantoomscatter wordt minder als het veld kleiner wordt. Het stripveld genereert dus minder fantoomscatter dan het open veld met afmetingen 20 x 20 cm².



de component die gegenereerd wordt door de lek is hier niet aan de orde gezien het niet over een samengesteld veld gaat waarbij lekstraling kan ontsnappen door en tussen de leaves.

In het samengesteld veld van 20 x 20 cm² dat wordt opgebouwd door de 20 stripvelden heeft men (ook ten opzicht van de totale dosis in het genoemde veld): 

de hoeveelheid primaire dosis van het samengesteld veld = de hoeveelheid primaire dosis van het open veld.



de hoeveelheid fantoomscatter van het samengesteld veld = de hoeveelheid fantoomscatter van het open veld. De velden zijn even groot in afmetingen dus is de hoeveelheid fantoomscatter ook dezelfde.



de hoeveelheid headscatter van het samengesteld veld < de hoeveelheid headscatter van het open veld. Het samengesteld veld is opgebouwd uit de stripvelden waarbij de openingshoek van de detector naar de bron altijd vrij klein is. Bij elk stripveld is het aandeel aan headscatter kleiner. In totaal zal het aandeel van de headscatter ook minder zijn.



de lek van het samengesteld veld > de lek van het open veld. De lek is evenredig met het aantal monitor units. Bij het samengesteld veld worden er 20 keer meer monitor units gegeven, dus zal er meer lek tussen de “leaves” de detector bereiken.

Het verschil van de waarden van het profiel gemeten in het open veld en het samengesteld veld is slechts 4%. We verliezen een deel dosis in het samengesteld veld door het kleinere aandeel aan headscatter. De lek is dan weer groter in aandeel en zal dit verlies van dosis voor het grootste deel compenseren.


58

3.5. Theorie/Doel van proef 6 In deze proef herhalen we de metingen van proef 5. We gebruiken in deze proef echter een afschermingsblok van lood die het stripveld nog eens extra afschermt. Het blok heeft een dikte van 8 cm en is weergegeven in figuur 51. Dit blok heeft ook een uitsparing met afmetingen 2 x 20 cm² die mooi rond een stripveld kan geplaatst worden

zonder

al

te

veel

plaatsingsmoeilijkheden. De lekstraling bij het samengesteld veld zal zo meer afgeschermd Figuur 51: Afschermingsblok van lood dat gebruikt wordt in proef 6.

worden. De totale hoeveelheid straling die het samengesteld veld krijgt is dus theoretisch minder

door een vermindering in lekstraling. We zullen nu gaan onderzoeken in welke mate deze afscherming de curve opgemeten bij het samengesteld veld zal gaan beïnvloeden in hoogte ten opzicht van het open veld en hoe de vier stralingscomponenten zich zullen verhouden.

3.6. Materialen en methode We gaan niet werken met de LA 48 linear array maar met een gewone ionisatiekamer nl. de PTW 31018 microlion kamer die al in voorgaande proeven werd gebruikt. We meten nu met deze kamer om de 0,4 cm. Zo zijn er meer data per stripveld en kan Microsoft Excel deze data beter verwerken.

3.7. Proef 6: Stripvelden meten met extra lood afscherming 3.7.1. Inhoud van de proef en grafieken De gegevens van de proeven worden hieronder ook nog eens samengevat. Veldgrootte van het open veld: 20 x 20 cm² Veldgrootte van het samengesteld veld: 20 keer een veld van 1 x 20 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm Detector: PTW 31018 microLion


59

Afschermingsmateriaal: blok van loodlegering, 8 cm hoog, met uitsparing van 2 x 20 cm De resultaten worden weergegeven in de volgende grafieken.

20 stripvelden + het samengesteld veld 100%

90%

80%

70%

Dosis [%]

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

Positie [mm]

Figuur 52: De 20 stripvelden en het samengesteld veld met extra loodafscherming dit gemeten bij 6 MV.


60

Open veld + Samengesteld veld

110%

samengesteld open

100%

90%

80%

70%

Dosis [%]

60%

50%

40%

30%

20%

10%

0% -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

Positie [mm] Figuur 53: Het samengesteld veld en het open veld met extra loodafscherming gemeten bij een energie van 6 MV.

3.7.2. Bespreking In de eerste plaats zien we nog steeds het gerimpelde profiel van het samengesteld veld. De curven van de stripvelden zijn onderling meer gelijk dan in de vorige proef. We meten nu ook elke 0,4 cm waardoor de gegevens van de stripvelden worden gevormd door meer punten. Zo heeft Microsoft Excel minder problemen om een goede curve te tekenen. Het gemiddelde van de topwaarden van de stripvelden geeft geen goede waarde voor de hoogte van het profiel van het samengesteld veld. Deze curve ligt nog steeds een stuk hoger dan de topwaarden van de Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

61

stripvelden. Ook zouden we weer zoals in de vorige proef niet aan een samengesteld profiel komen met een gerimpelde vorm door de gemiddelde waarde van de toppen van de stripvelden te nemen. De hoogte van de topwaarden van de 20 stripvelden t.o.v. de gemiddelde waarde van het plateau van het profiel van het samengesteld veld worden weergegeven in de volgende tabel. Strip 1 76% Strip 11 76%

Strip 2 80% Strip 12 75%









Tabel 5: Topwaarden van de 20 stripvelden t.o.v. het samengesteld profiel in proef 6.

De hoogte van 1 strip is gemiddeld 76 % van de hoogte van het samengestelde profiel en 70% van de hoogte van het plateau van het open profiel. De topwaarden van de stripvelden zijn dus hier slechts +/- 3/4 van de hoogte van het samengestelde profiel en bij optelling schuiven deze topwaarden weer een heel stuk omhoog door de dosis die nog in de staarten zit in de profielen van de afzonderlijke stripvelden. De gemiddelde waarde van het plateau van het samengesteld veld is 91% van de gemiddelde waarde van het plateau van het open veld. Dit is zo’n 5% minder als het resultaat in proef 5. Om het verschil in lek te onderzoeken van proef 5 en proef 6 hebben we bij beide proeven de gemiddelde waarde van de staart genomen en deze vergeleken met de topwaarde van het profiel van 1 stripveld. We berekenden een gemiddelde waarde voor de 20 stripvelden van 9,5% voor proef 5 en van 8% voor proef 6. De getallen geven dus inderdaad aan dat de lek in proef 6 minder is dan in proef 5.

3.8. Conclusie De curve van het samengesteld veld in proef 5 waar geen afscherming is door de loden blok, komt hoger en dichter bij het open profiel dan het samengesteld veld in proef 6. De verhouding van de vier stralingscomponenten blijven dus niet dezelfde zoals in proef 5. De lek is minder aanwezig bij het samengesteld veld. Deze stralingscomponent is minder door de afscherming, de andere drie componenten blijven echter gelijk. Daardoor ligt de curve van het samengesteld veld in proef 6 lager en minder dicht bij het open veld dan in proef 5. Het verlies aan headscatter in het samengesteld veld wordt dus minder gecompenseerd doordat de lekstraling wordt afgeschermd. Het verlies aan lekstraling in elk stripveld door de extra loodafscherming is ook te zien in de staart van het samengestelde profiel. In figuur 49 zien we dat de staart van het samengesteld veld hoger ligt dan deze van het open veld. In figuur 53 zien we dat de staart van Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

62

het samengesteld veld lager is dan deze van het open veld. In proef 6 werken we bij elk stripveld met een loodafscherming waardoor, zoals reeds gezegd, de lekstraling in elk stripveld en het samengesteld veld minder is. Daardoor zal de staart van het profiel naar beneden gaan en ligt de staart van het samengesteld veld van proef 6 dus lager dan deze van proef 5. De meting met het open veld gebeurde immers in gelijke omstandigheden.


63

HOOFDSTUK

4:.

SUPERPOSITIE

VAN

STRIPVELDEN

MET

EEN

PLANNINGSSYSTEEM 4.1. Inleiding In het vorige hoofdstuk hebben we het dosisprofiel van een samengesteld veld dat werd opgebouwd uit 20 stripvelden vergeleken met het profiel van een open veld met dezelfde afmetingen. Dit deden we aan de hand van het meten van de dosissen met de microlion detector en de LA 48 linear array. Deze experimenten kunnen ook uitgevoerd worden met een planningssysteem. We willen met deze berekeningen van het planningssysteem kijken of uit de resultaten dezelfde conclusies kunnen getrokken worden als uit de proeven van hoofdstuk 3.

4.2 Het planningssysteem Op de dienst radiotherapie van het Universitair Ziekenhuis

in

Gent

gebruikt

men

het

planningssysteem Pinnacle 3. Hiermee ontwerpen stralingsfysici

therapieplanningen

voor

de

patiënten, die worden voorgeschreven door de artsen-radiotherapeuten-oncologen. Deze laatste geven o.a. de nodige dosissen in de tumor en/of bepaalde

organen

van

de

patiënt

en

het

planningssysteem zal dan o.a. aangeven hoeveel MU er per bundel gegeven moeten worden. Het planningssysteem kan echter ook de resulterende Figuur 54: Coördinatensysteem planningssysteem.

van

het

dosis berekenen indien men een aantal monitor units opgeeft en dit is ook hoe we het

planningssysteem zullen gebruiken. Bij het starten van het systeem geven we in de eerste plaats een patiënt in. Deze is in dit geval fictief en we laten het systeem weten dat deze “patiënt” een waterfantoom is. Daarna geven we de verschillende bundels in die gebruikt worden. Belangrijke parameters die hier o.a. ingegeven worden zijn de energie van de bundel, of er gekozen wordt voor fotonen of elektronen en ook de plaatsing van de bundel. Dit gebeurt met het coördinatensysteem x1, x2, y1, y2 dat weergegeven wordt op figuur 54. Bij een symmetrisch veld gaat x1 = x2 en y1 = y2. Bij de stripvelden die gebruikt worden in de proef krijgen we negatieve coördinaten. Het eerste stripveld met afmetingen 1 x 20 cm² heeft bijvoorbeeld als coördinaten x 1 = 10 cm, x2 = 10 cm, y1 Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

64

= -9 cm en y2 = 10 cm. Dit is weergegeven in figuur 55. We geven op deze manier dus de 20 stripvelden in als 20 aparte bundels die telkens hetzelfde aantal MU geven. In een tweede simulatie op dezelfde fictieve “patiënt” geven we het open veld in met afmetingen 20 x 20 cm² als een bundel die hetzelfde aantal MU geeft als 1 stripveld. We kiezen voor een SSD = 90 cm en een diepte van 10 cm

net

zoals

in

proef

6.

Het

planningssysteem kan met verschillende algoritmen de dosissen berekenen zoals superpositie

en

“Collapsed

Cone

Convolution”. We kiezen hier de optie “Collapsed Cone Convolution”. We zullen om de resultaten te kunnen vergelijken met Figuur 55: De coördinaten van strip 1.

proef

5

en

6

ook

kijken

naar

de

dosisprofielen berekend in de “crossplane” richting. Belangrijk is dat als we een echte patiënt zouden moeten bestralen met een veld van 20 x 20 cm², we dit nooit zouden doen door een samenstelling te nemen van 20 stripvelden. De behandeling zou veel langer duren en door het veel hogere aantal MU is de bijdrage aan lekstraling groter en dit kan nadelig zijn voor de patiënt.

4.3. Resultaten van het planningsysteem 4.3.1. Grafieken Hieronder worden de gegevens van de proef nog eens weergegeven: Planningssysteem: Pinnacle 3 Veldgrootte van het open veld: 20 x 20 cm² Veldgrootte van het samengesteld veld: 20 keer een veld van 1 x 20 cm² Energie van de fotonen: 6 MV SSD: 90 cm Diepte: 10 cm De resultaten worden in de volgende grafieken weergegeven.


65

De 20 stripvelden + het samengesteld veld 100% 95% 90% 85% 80% 75% 70% 65% 60%

Dosis [%]

55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0%

-12 -11 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Positie [cm] Figuur 56: Het resultaat van het samengesteld veld en de 20 stripvelden met het planningssysteem bij een ingestelde energie van 6 MV in de “crossplane” richting.


66

Het open veld + het samengesteld veld 105% 100% 95% 90% 85% 80% 75%

open veld

70%

samengesteld veld

65%

Dosis [%]

60% 55% 50% 45% 40% 35% 30% 25% 20% 15% 10% 5% 0% -12 -11 -10

-9

-8

-7

-6

-5

-4

-3

-2

-1

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Positie [cm] Figuur 57: Het profiel van het samengesteld veld en het open veld met het planningssysteem bij een energie van 6 MV in de “crossplane” richting.


67

4.3.2. Bespreking We zien in de eerste plaats weer een gerimpeld samengesteld profiel. De topwaarden van de afzonderlijke stripvelden liggen een stuk lager dan het samengesteld profiel en zouden dus geen goede weergave zijn voor de hoogte van dit samengesteld profiel. In tabel 6 staan de topwaarden van de stripvelden t.o.v. het gemiddelde van het plateau van het samengesteld veld. Strip 1 Strip 2 69% 67% Strip 11 Strip 12 67% 66%


Strip 4 Strip 5 Strip 6 Strip 7 Strip 8 Strip 9 Strip 10 67% 68% 66% 68% 67% 66% 66% Strip 14 Strip 15 Strip 16 Strip 17 Strip 18 Strip 19 Strip 20 65% 66% 66% 68% 66% 68% 67%

Tabel 6: De topwaarden van de stripvelden berekend met het planningssysteem.

Meer concreet is de gemiddelde waarde van de top van de afzonderlijke stripvelden 67% van het plateau van het profiel van het samengesteld veld en 60% van het plateau van het open veld. De topwaarde van de stripvelden is dus slechts 2/3 van de waarde van het samengestelde profiel en bij optelling schuiven deze topwaarden weer een heel stuk omhoog door de dosis die nog in de staarten zit in de profielen van de afzonderlijke stripvelden. De gemiddelde waarde van het plateau van het samengesteld profiel is 90 % van de gemiddelde waarde van het plateau van het profiel van het open veld. Als we kijken naar de staart van het samengesteld profiel dan ligt deze minder hoog dan de staart van het open profiel. Dit laatste strookt meer met de resultaten van proef 6 als met deze van proef 5.

4.4. Conclusie De resultaten die we krijgen met het planningssysteem komen mooi overeen met de resultaten van proef 6 met het waterfantoom. De gemiddelde waarde van het plateau van het samengestelde profiel is 90 % van de gemiddelde waarde van het profiel van het open veld en dit is zeer dicht bij het resultaat dat we verkregen in proef 6. Figuur 58 stelt de opgemeten en berekende profielen van het samengesteld veld voor van proef 5, proef 6 en het planningsysteem, na schaling met de profielen van het open veld. Via de open profielen opgemeten in proef 5 en 6 zoeken we naar de vermenigvuldigingsfactoren die de curven van proef 5 en 6 van het open veld omzetten in de curve van het open veld bekomen door het planningssysteem. Deze factoren gebruiken we dan om de samengestelde profielen van proef 5 en proef 6 te schalen.


68

Het samengesteld veld via het planningssysteem, proef 5 en proef 6 geschaald 100%

90%

80%

70%

Dose (%)

60%

50%

40%

30%

20%

Het samengesteld veld geschaald van proef 5 Het samengesteld veld geschaald van proef 6

10%

Het samengesteld veld via het planningssysteem

0% -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90 100 110 120

Positie (mm)

Figuur 58: Samengesteld profiel van proef 5, 6 en het planningssysteem

In proef 6 zorgden we voor een extra afscherming die de lekstraling verminderde en het planningssysteem volgt deze resultaten, terwijl we eigenlijk meer analogie met de resultaten van proef 5 verwachten. Het profiel van het samengesteld veld van proef 5 ligt hoger doordat daar meer lekstraling aanwezig was die in proef 6 werd afgeschermd. Het planningssysteem onderschat een van de stralingscomponenten, waarschijnlijk de lekstraling, en berekent daardoor de dosis niet helemaal correct. Het samengesteld profiel van het planningssysteem volgt zo het samengesteld profiel van proef 6 en niet van proef 5.


69

Het is belangrijk dat planningssystemen op hun correctheid gecontroleerd worden, waarbij we ze dus zullen vergelijken met metingen, om zo de kwaliteit van het planningssysteem te kunnen optimaliseren. Voor de kwaliteitscontrole van het planningssysteem lijkt een test met stripvelden die samen een samengesteld veld vormen zeer geschikt.


70

HOOFDSTUK 5: DE RADIOBIOLOGISCHE GEVOLGEN VAN IN DE TIJD EN IN DE RUIMTE GEFRACTIONEERDE DOSIS 5.1. Inleiding We onderzochten in de vorige paragrafen wat de gevolgen zijn voor de dosis en het dosisprofiel van een veld indien men de bestraling in 1 keer doet of deze in verschillende fracties geeft, waarbij verschillende velden achtereenvolgens bestraald worden. We concludeerden dat dit gevolgen had voor de relatieve grootte van de vier mogelijke wegen waarin de dosis in een punt terecht kan komen. De vraag is nu, gezien bestraling in de meeste gevallen wordt gebruikt in de geneeskunde om tumorweefsel te doden, wat de biologische gevolgen zijn van het in de tijd en in de ruimte (in het bestraalde veld) fractioneren van de dosis. Hiervoor buigen we ons over een review gepubliceerd door Stefanie Blockhuys et al. “From clinical observations of intensitymodulated radiotherapy to dedicated in vitro designs” die de reeds gepubliceerde resultaten van de radiobiologische gevolgen van gefractioneerde dosis onder de loop neemt en ook conclusies trekt uit een reeks eigen experimenten.

5.2. Artikel: Stefanie Blockhuys et al.“From clinical observations of intensity-modulated radiotherapy to dedicated in vitro designs”, Mutation Research 704 (1-3), 200–205, (2010) Het artikel zegt dat het de IMRT technieken zijn, die met sequentiële bundels een deel van een target bestralen en zo een gehele dosis opbouwen in het hele target. Hier maakt men dus gebruik van wat men doorheen het artikel noemt STFDD of “spatio-temporal fractionated dose distribution” of ruimte- en tijdsgefractioneerde dosisverdeling. De “spacio fractionation” of in de ruimte gefractioneerde dosis kan verschillen van een aantal slices bij een “step and shoot” techniek tot duizenden slices bij rotatietherapieën. De tijdsonderbrekingen of tijdsfractionatie zijn van zeer korte onderbrekingen tot langer wanneer men bv. manueel een wig gaat wisselen. Het artikel gaat dus na wat de radiobiologische gevolgen zijn van deze tijdsen ruimtefractionatie. In de eerste plaats gaat men kijken naar de verschillende technieken om bestralingen te doen en de totale behandelingstijd die deze in beslag nemen om een volledige dosis te geven. Deze tijdsverschillen zouden verschillen kunnen geven in radiobiologische respons. Men zegt bv. dat in conventionele radiotherapie waar men een niet-coplanaire behandeling gebruikt, men de behandeling zal moeten stoppen, aanpassingen doen in de bestralingsruimte aan de set-up en


71

dan verder bestralen. De behandelingstijd is hier echter ongeveer even lang en dus is er geen evidentie om te zeggen dat dit een invloed zou hebben op de biologische respons. Een behandeling waarbij de leaves van de collimator bewegen en de grootte van de opening tussen twee leaves wordt bepaald door de gewenste dosis in 1 punt, noemt men een “sliding window” techniek. De “sliding window techniek” wordt vaak gebruikt met een lager dosisdebiet en er is volgens de auteurs enige evidentie om te zeggen dat deze verlenging van de behandelingstijd een effect kan hebben op de radiobiologische resultaten. De laatste tien jaar zijn deze technieken echter volgens de auteurs veel meer op punt gesteld en kan men nu niet meer spreken van een verhoogde duur van de behandeling. De IMAT technieken of de “intensity modulated arc therapy” gaan fracties van 2 Gy dan weer geven in enkele minuten. De tijdsen ruimtefractionatie gebeurt hier bij zeer hoge frequentie. Men concludeert hier ook dat de radiobiologische gevolgen van deze fractionatie niet anders zijn dan bij conventionele radiotherapie. Tomotherapie is een rotatietherapie die rond de patiënt draait en met een snelle binaire slit collimator aan elkaar liggende slices of 1 helical slice geeft. In zo’n slice is de tijdsen ruimtemodulatie enorm. Elk punt van de target wordt geraakt met duizenden kleine “stralingsdosisjes”. Het effect hiervan op radiobiologisch vlak is naar weten van de auteurs nooit aangetoond. Een Cyberknife is een lineaire versneller in een robotarm. De dosis wordt gebracht op een “nodale” manier. Alle “nodes” zijn kleine bollen die doorheen het targetvolume gepositioneerd zitten en zo de gevraagde dosisverdeling geven. Alle “nodes” zijn in verscheidene richtingen bestraald in de ruimte. Eén node gaan bestralen, gaat automatisch de andere “nodes” ook een extra hoeveelheid dosis geven. Dus heel veel kleine dosissen gaan meedoen aan het deponeren van dosis in kleine volumes met grote behandelingstijden tot gevolg. Bij een laag dosisdebiet is het risico op een grotere celoverleving groter. Cyberknife wordt echter gebruikt voor het geven van dosissen hoger dan 2 Gy. In Cyberknife zitten ook technieken om je “target” te volgen zoals “gating” en “freezing” en die geven volgens de auteurs extra onderbrekingen in de behandeling. Dit kan de tijdsfractionatie verslechteren en gunstig werken op celoverleving. Men concludeert dat het aantal studies dat gedaan is op radiobiologisch vlak over de fractionatie van de geleverde dosis bij de verschillende technieken veel te klein is. De auteurs suggereren dat het onderzoek op de biologische respons in dit geval dus achterloopt op de ontwikkeling van deze technieken. De dosisresponscurves van uniforme dosis worden ook gebruikt voor de biologische effecten van tijdsen ruimtegefractioneerde dosis. Dit komt door het feit dat de radiobiologische effecten


72

komen van de individuele celrespons, die niet beïnvloed wordt door de omliggende cellen. Nu staat deze theorie volgens de publicatie zwaar ter discussie. Er zijn al studies die tijdsen ruimtefractionatie onderzoeken en die andere resultaten hebben door de invloed van de omliggende cellen. Er is dus nood aan meer betrouwbare radiobiologische modellen voor tijdsen ruimtefractionaties. In de publicatie staan in twee tabellen de reeds gebruikte fysische en biologische methoden om fractionatie van dosis te onderzoeken. Zelf doen de auteurs ook experimenten om de radiobiologische effecten te bestuderen. De details van de fysische en biologische methoden die gebruikt worden, kan men vinden in het desbetreffende artikel. Er wordt ondermeer gekeken op biologisch vlak naar verschillende parameters van de onderzochte cellen: nl. de totale tijd voor het leveren van de dosis, aantal fracties, dosis per fractie en tijd tussen de fracties. Er wordt ook gewerkt met o.a. een radiochrome film en niet alleen met een kamer omdat dit o.a. het voordeel geeft dat de dosisverdeling in 2D goed kan weergegeven worden. Men maakt gebruik van de MTT methode, (details zie het artikel) die al vaak gebruikt werd in onderzoek in verband met radiosensitiviteit. Als resultaat concluderen de auteurs dat er een bijkomend effect op de radiobiologische resultaten is zoals voorspeld met de huidige planningssystemen. Voor in de ruimte gefractioneerde dosissen kan voor de resultaten van in vitro studies gedaan door de auteurs de aanwezigheid van het bystander effect; intracellulaire communicatie van cellen die met een verschillende dosis zijn bestraald, worden aangetoond. Dit zou dus verantwoordelijk zijn voor een bijkomend effect. Echter in voorgaande studies wordt stralingsgeïnduceerd bystander effect niet altijd gedetecteerd. Groesser et al. publiceerde dat de precieze omstandigheden van de celcultuur, zoals mediumsupplementen, het bystander effect misschien kunnen induceren. De conclusies van de auteurs zijn dat MTT ook gebruikt kan worden om het bystander effect te onthullen. Men ziet een verhoogde metabolische activiteit voor de gemiddelde dosis met de MTT volgens een bepaalde set-up. Deze set-up verschilde alleen in mogelijkheid van intracellulaire communicatie en het verschil in resultaten kan dan te wijten zijn, volgens de auteurs, aan het bystander effect. De auteurs concluderen voor de in vitro modellen dat: 

de tijd om een bepaalde vaste dosis te geven zo kort mogelijk moet zijn. Hoe langer het duurt, hoe hoger de kans op celoverleving. Er zijn verschillende parameters die kunnen lijden tot een verhoogde duur van de behandeling zoals dosisdebiet, aantal fracties, de tijd dat de bundel onderbroken wordt, enzovoort.


73



sommige dosissen kunnen lijden tot hyper- en hyposensitive respons. Bijvoorbeeld als een 2 Gy dosis wordt gegeven in fracties, dan kan bij fracties van minder dan 0,5 Gy hypersensitiviteit voorkomen en diegene hoger dan 0,5 of 1 Gy kunnen lijden tot hyposensitiviteit.

De in vivo experimenten suggereren een additioneel effect van intercellulaire communicatie en van SLDR of “Sub lethal damage repair” voor in de ruimte en in de tijd gefractioneerde dosis. In contrast met de in vitro experimenten, suggereren de in vivo experimenten dat een stijging in de celoverleving door verlengde behandelingstijd verkleind zal worden door de daling van de “Sub lethal damage repair”. Dit staat in verband met de “reoxygenation” van de cellen van de tumor. De snelheid en grootte van “reoxygenation” kan volgens de auteurs niet afgeleid worden van de radiobiologische resultaten. Deze in vivo modellen suggereren dat een korte radiatietijd is vereist als je rekening houdt met de mogelijkheid van reoxygenation van de tumor. In het algemeen concluderen de auteurs dat ruimte- en tijdsgefractioneerde dosissen kunnen resulteren in bijkomende effecten zoals verschillende effecten van intracellulaire communicatie (het bystander effect) en van de bestralingstijd (verbeterde “Sub lethal damage repair” door de verhoogde behandelingstijd). Hier moet dus rekening mee gehouden worden. De auteurs suggereren een optimalisatie van de in vitro modellen, rekening houdend met de volgende punten. 

Er moeten dosimeters gebruikt worden die de dosis weergeven in de celgeometrie, dus de cellen moeten vervangen worden door weefselequivalent materiaal in de in vitro setups om de dosisdistributie te verkrijgen en zo onnauwkeurigheden in dosismetingen te vermijden door verschillen in set-up.



Voor het onderzoeken van de radiobiologische effecten, moeten volgens de auteurs meer betrouwbare set-ups voor de experimenten ontworpen worden om de in vivo omstandigheden zo goed mogelijk te benaderen.



Om rekening te houden met de bijkomende effecten, is het belangrijk om verschillende eindpunten te beoordelen. Dit wil zeggen dat men niet alleen de viabiliteit, maar ook de mobiliteit en de invasieve mogelijkheden van de cellen moet controleren. Daarom is het volgens de auteurs interessant om de MTT methode te gebruiken. Deze meet de metabolische activiteit en geeft de mogelijkheid om de verbeterde mobiliteit en de invasieve capaciteiten te detecteren. Ook moet bij tijdsfractionatie de cel “reoxygenation” onderzocht worden want deze kan mogelijk de “sub lethal damage repair” tegenwerken.



De auteurs concluderen tenslotte dat nog veel onderzoek op dit gebied nodig is.


74

5.3. Conclusie De review geeft duidelijk weer dat de invloed van intracellulaire communicatie bij tijdsen ruimtegefractioneerde dosis een aspect is dat een invloed heeft op het resultaat van de behandeling, waar we rekening mee moeten houden. Door de superpositie van velden kunnen we op dosimetrisch vlak wel aan dezelfde resultaten komen als bij een direct bestraald veld, maar of deze dan ook biologisch hetzelfde resultaat hebben, is een zeer interessante vraag. De radiobiologische resultaten van een samengesteld veld of een direct gegeven veld zouden door effecten als intracellulaire communicatie en bystander effect kunnen verschillen van elkaar.


75

BIBLIOGRAFISCHE REFERENTIES [1]

International Atomic Energy Agency “Review of Radiation Oncology Physics: A Handbook for Teachers and Students” 1-556, (2003)

[2]

Peter R. Almond, Peter J. Biggs, B.M. Coursy, W.F. Hansen, M. Saiful Huq, Ravinder Nath and D.W.O. Rogers “AAPM’s TG-51 protocol for clinical reference dosimetry of high-energy photon and electron beams” Medical Physics. 26 (9), 1847-1870 (1999)

[3]

P. Andreo, D.T. Burns, K. Hohlfeld, M.S.Huq, T. Kanai, F. Laitano, V.G. Smyth and S. Vynckier “IAEA TRS-398 Absorbed Dose Determination in External beam Radiotherapy: An international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water” 1-179, (2001)

[4]

Dirk Verellen “Hand-outs Dosimetrie” Vrije

Universiteit

Brussel,

2e

Master

Ingenieurswetenschappen

biomedische

ingenieurstechnieken academiejaar 2010-2011 [5]

Klaus Bacher “Cursus Medische Fysica” Universiteit

Gent,

1e

Master


biomedische

ingenieurstechnieken academiejaar 2009-2010 [6]

Carlos De Wagter “Cursus Technologie van de Radiotherapie” Universiteit

Gent,

2e

Master


biomedische

ingenieurstechnieken academiejaar 2010-2011

76

[7]

S. D. Li, A. Rashid, S. J. He and D. Djajaputra, “A new approach in dose measurement and error analysis for narrow photon beams (beamlets) shaped by different multileaf collimators using a small detector” Medical Physics. 31 (7), 2020-2032, (2004)

[8]

Indra J. Das, George X. Ding and Anders Ahnesjö “Small fields: Nonequilibrium radiation dosimetry” Medical Physics. 35 (1), 206-215, (2008)

[9]

R. Alfonso, P. Andreo, R Capote, M Saiful Huq, W. Kilby, P. Kjäll, T.R. Mackie, H. Palmans, K. Rosser, J. Seuntjens, W. Ullrich and S. Vatnitsky “A new formalism for reference dosimetry of small and nonstandard fields” Medical Physics. 35 (11), 5179-5186, (2008)

[10]

S. Blockhuys, B. Vanhoecke, C. De Wagter, M. Bracke and W. De Neve "From clinical observations of intensity-modulated radiotherapy to dedicated in vitro designs" Mutation Research-Reviews in Mutation Research 704 (1-3), 200-205 (2010).

[11]

The International Commission on Radiological Protection “Annals of the ICRP, publication 103, The 2007 Recommendations of the International Commission on Radiological Protection” 1-328, (2007)

[12]

I Patel, A.G. Glendinning and M.C. Kirby “Dosimetric characteristics of the Elekta Beam Modulator” Physics in medicine and biology 50, 5479–5492, (2005)

[13]

Tarun K. Podder, Greg Bednarz, Yan Yu and James M. Galvin “Physical characterization and comparison of two commercially available micro-MLCs” Physica Medica (27), 52-57, (2011)

[14]

C. Martens, C. De Wagter and W. De Neve “The value of the LA48 linear ion chamber array for characterization of intensitymodulated beams” Physics in medicine and biology 46, 1131–1148, (2001) 77

[15]

Elekta oncology Product Data of the MLCi2 Multileaf Collimator

78

LIJST VAN DE FIGUREN Figuur 1: De vier kwadrant velden of Q-velden. (bron: 7) ............................................................... 9 Figuur 2: Het XS-veld en het YS-veld (bron: 7) ................................................................................. 9 Figuur 3: Het A-veld en het B-veld. ................................................................................................ 10 Figuur 4: Het Leaf edge effect voor verschillende veldgroottes gemeten met een diode en een pinpoint chamber. (bron: 7) ................................................................................................... 11 Figuur 5: De dosis wordt berekend en gemeten volgens de X en de Y richting van een uitgestrekt veld. (bron: 7) ......................................................................................................................... 12 Figuur 6: Linkse figuur: het veld met het centraal staafje. Rechtse figuur: het veld met het groot blok dat het complement is van het staafje of het klein veld. ............................................... 14 Figuur 7: Het open veld, het veld met het centraal staafje en het klein veld. ............................... 15 Figuur 8: De resultaten van het open veld en het veld met het centraal staafje aftrekken, zouden de resultaten moeten geven van het klein veld. .................................................................... 15 Figuur 9: Het waterfantoom ........................................................................................................... 18 Figuur 10: Balgsysteem om de hoogte te veranderen. .................................................................. 18 Figuur 11: De richtingen A, B en C waarin de detector beweegt. .................................................. 19 Figuur 12: Het waterreservoir wordt met een slang verbonden met het fantoom. ...................... 19 Figuur 14: Spanningsbron die de detector voedt. Met de draaiknop kan je de spanning veranderen. ............................................................................................................................ 20 Figuur 13: De console die toelaat de stappenmotoren direct aan te sturen. ................................ 20 Figuur 15: Een kabel voor de detector die niet meer geschikt is voor gebruik. ............................. 21 Figuur 16: Schema van de opstelling. ............................................................................................. 21 Figuur 17: Het startscherm van Mephysto mc². ............................................................................. 22 Figuur 18: Scherm waar de gegevens van de proef worden ingegeven en de resultaten in grafiek worden weergegeven. ............................................................................................................ 23 Figuur 19: Menu linac ..................................................................................................................... 23 Figuur 20: Menu measurement ...................................................................................................... 23 Figuur 21: Menu Steps and speeds. ............................................................................................... 24 Figuur 24: De tray waar de afschermingsblokken op komen te staan ........................................... 25 Figuur 22: Blok van lood met centrale collimatoropening ............................................................. 25 Figuur 23: Blok van wolfraam met centrale collimatoropening ..................................................... 25 Figuur 25: De afstand van 76,2 mm tussen de bron en de tray en de afstand van 100 mm tussen de bron en de meetdiepte die de afmetingen van de opening in de afschermingsblokken in het isocentrum bepalen. ........................................................................................................ 25 Figuur 26: De microlion kamer. De eenheden worden gegeven in mm. ....................................... 28 79

Figuur 27: Grafiek van de resultaten van proef 1. Alle waarden werden gemeten in de “crossplane” richting en bij 6MV. ........................................................................................... 30 Figuur 28: De blauwe curve stelt de curve voor die het verschil weergeeft van de gegevens van het open veld en de gegevens van het veld met het centraal staafje. De rode curve stelt het dosisprofiel van het klein veld voor........................................................................................ 31 Figuur 29: Grafiek van de resultaten van proef 2 Hier werd een energie van 18 MV gebruikt en gemeten in de “crossplane” richting. ..................................................................................... 33 Figuur 30: Grafiek van de tweede reeks resultaten gemeten bij een energie van 18 MV en in de “crossplane” richting. ............................................................................................................. 34 Figuur 31: Figuur van de resultaten van proef 2 bij een energie van 6MV in de “crossplane” richting. ................................................................................................................................... 35 Figuur 32: Gebruik van de microlion detector in proef 3. .............................................................. 37 Figuur 33: Metingen van het open veld in de” inplane” en de “crossplane” richting gemeten bij een energie van 6MV.............................................................................................................. 38 Figuur 34: Resultaten van proef 3 in de” inplane” richting gemeten bij een energie van 6 MV. .. 39 Figuur 35: Resultaten van proef 3 in de “crossplane” richting gemeten bij een energie van 6 MV. ................................................................................................................................................ 40 Figuur 36: Resultaten van proef 4 in de “inplane” richting. De metingen gebeurden met de PTW 30006 Farmer kamer en bij 6 MV. .......................................................................................... 42 Figuur 37: Resultaten van proef 4 in de “crossplane” richting. De metingen gebeurden met de PTW 30006 Farmer kamer en bij 6 MV. ................................................................................. 43 Figuur 38: Farmer kamer in het waterfantoom ............................................................................. 44 Figuur 39: Het open veld gemeten met de farmer kamer en de microlion. Beide open velden waren 4 x 4 cm² groot............................................................................................................. 46 Figuur 40: De curve gemeten met de microlion detector en de curve gemeten met de farmer kamer geschaald. .................................................................................................................... 47 Figuur 41: : De verschillende wegen van fotonen uit een bron. .................................................... 48 Figuur 42: Invloed van de plaats van de colimator op de headscatter .......................................... 48 Figuur 43: Het open veld en het samengesteld veld dat bestaat uit 20 stripvelden met afmetingen 1 x 20 cm². ........................................................................................................... 50 Figuur 44: De LA 48 Linear Array. ................................................................................................... 51 Figuur 45: Opbouw van de LA 48 Linear Array (Bron: [14]) ........................................................... 51 Figuur 46: Opstelling van de proef. De blauwe staaf stelt de LA 48 Linear Array voor. ................ 51 Figuur 47: De 20 stripvelden en het samengesteld veld gemeten in de “crossplane” richting bij een energie van 6 MV. ............................................................................................................ 53 Figuur 48: De 13e strip apart gemeten bij een energie van 6 MV in de “crossplane” richting. ..... 54

80

Figuur 49: Het samengesteld veld en het open veld gemeten in de “crossplane” richting bij een energie van 6 MV.................................................................................................................... 55 Figuur 50: Resultaten gemeten met film en met LA 48 linear array bij een energie van 6 MV. .... 56 Figuur 51: Afschermingsblok van lood dat gebruikt wordt in proef 6. .......................................... 59 Figuur 52: De 20 stripvelden en het samengesteld veld met extra loodafscherming dit gemeten bij 6 MV................................................................................................................................... 60 Figuur 53: Het samengesteld veld en het open veld met extra loodafscherming gemeten bij een energie van 6 MV.................................................................................................................... 61 Figuur 54: Coördinatensysteem van het planningssysteem. ......................................................... 64 Figuur 55: De coördinaten van strip 1. ........................................................................................... 65 Figuur 56: Het resultaat van het samengesteld veld en de 20 stripvelden met het planningssysteem bij een ingestelde energie van 6 MV in de “crossplane” richting............. 66 Figuur 57: Het profiel van het samengesteld veld en het open veld met het planningssysteem bij een energie van 6 MV in de “crossplane” richting. ................................................................ 67 Figuur 58: Samengesteld profiel van proef 5, 6 en het planningssysteem .................................... 69

81

LIJST VAN DE TABELLEN Tabel 1: Gegevens van de PTW 31002 semiflex ............................................................................. 28 Tabel 2: Gegevens van de PTW 30006 ........................................................................................... 28 Tabel 3: Gegevens van de PTW 31018 microlion ........................................................................... 28 Tabel 4: De topwaarden van de 20 stripvelden t.o.v. het samengesteld profiel in proef 5 .......... 57 Tabel 5: Topwaarden van de 20 stripvelden t.o.v. het samengesteld profiel in proef 6. .............. 62 Tabel 6: De topwaarden van de stripvelden berekend met het planningssysteem. ..................... 68

82

Hoe waardevol is het superpositieprincipe voor dosimetrie van kleine velden?

Recommend Documents