Waarde van een vloeistofgevulde ionisatiekamer voor de bepaling van outputfactoren en absolute dosis van kleine velden in de radiotherapie Pieter Declerck Promotor: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Begeleiders: Nathan De Kock, Annemieke De Puysseleyr 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 2011-2012 Waarde van een vloeistofgevulde ionisatiekamer voor de bepaling van outputfactoren en absolute dosis van kleine velden in de radiotherapie Pieter Declerck Promotor: prof. dr. ir. Carlos De Wagter Begeleiders: Nathan De Kock, Annemieke De Puysseleyr 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 2011-2012 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. Pieter Declerck Gent, 4 juni 2012 Voorwoord Het was reeds in de eerste lessen van mijn opleiding biomedische ingenieurstechnieken dat ik mij aangetrokken voelde tot de wereld van de radiotherapie. De mogelijkheid om als thesisonderwerp een experimenteel onderzoek uit te voeren op een vloeistofgevulde ionisatiekamer was dan ook een logische keuze voor mij. Een scriptie tot een goed einde brengen kan onmogelijk alleen, daarom wil ik graag nog enkele mensen bedanken. Vooraleerst wil ik mijn promotor en hoofd van de afdeling radiotherapie van het Universitair Ziekenhuis Gent, Prof. De Wagter, bedanken voor de toelating om mijn thesis in de P7 uit te voeren. Ten tweede dank aan mijn copromotoren Nathan De Kock en Annemieke De Puysseleyr voor het begeleiden van metingen en de vele tips die ik gedurende het jaar heb gekregen voor het schrijven van mijn thesis. Ook wil ik klinisch fysicus Akos Gulyban bedanken voor alle tijd die hij voor me wou vrijmaken. In het bijzonder voor het helpen opstellen van verschillende metingen en de vele aangename discussies rond mijn thesis. Verder dank ik ook alle artsen en het verplegend personeel van het universitair ziekenhuis Gent voor mijn begeleiding. Tenslotte wil ik ook mijn ouders, broer en vriendin bedanken. Zij steunden me steeds voor de volle 100% tijdens mijn opleiding, stonden klaar als er een probleem was of boden een zeer welkom luisterend oor als er iets niet helemaal naar wens verliep. De logistieke steun die ze boden heeft zeker bijgedragen in het succesvol afronden van mijn opleiding. Bovendien wil ik hen bedanken voor de hulp bij de zoektocht naar spel- en grammaticale fouten in deze scriptie. Pieter Declerck, juni 2012 Waarde van een vloeistofgevulde ionisatiekamer voor de bepaling van outputfactoren en absolute dosis van kleine velden in de radiotherapie door Pieter Declerck Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van Master in de ingenieurswetenschappen: biomedische ingenieurstechnieken Promotor: Prof. Dr. Ir. Carlos DE WAGTER Scriptiebegeleiders: Ir. Nathan DE KOCK, Ir. Annemieke DE PUYSSELEYR Vakgroep: Radiotherapie en Experimenteel Kankeronderzoek Voorzitter: Prof. Dr. Ir. Carlos DE WAGTER Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Academiejaar 2011-2012 Samenvatting Gedurende de laatste decennia is de verwachte dosimetrische nauwkeurigheid van een kleine ± 5% verminderd tot een strikte ± 3% en dit terwijl het leveren van absolute dosissen steeds complexer wordt met de moderne intensiteitsgemoduleerde radiotherapie (IMRT). Fundamentele metingen zoals percentage diepte dosis curven, dosisprofiel metingen of kalibratie metingen vereisen verschillende ionisatiekamers aangezien geen enkele detector ideaal is voor al deze metingen. De PTW MicroLion ionisatiekamer is een recent ontwikkelde dosimetrische detector met veelbelovende voorlopige resultaten. Zo zou deze heel nauwkeurig werken in kleine stralingsvelden (conform de PTW PinPoint 3D ionisatiekamer) en een voldoende nauwkeurigheid dosis detecteren bij grote stralingsvelden. Het uiteindelijke doel van deze studie was om een uitgebreide test op deze kamer uit te voeren om eventuele zwakke punten en beperkingen te identificeren, maar ook om de meetresultaten te vergelijken met de eerder gebruikte luchtgevulde ionisatiekamers. De metingen werden onderverdeeld in drie hoofdcategorieën om de toepasbaarheid van de vloeistofgevulde ionisatiekamer vast te stellen: 1) kalibratie metingen 2) stralingsbundel eigenschappen 3) specifieke patiënten QA (Quality Assurance) metingen. De kalibratie en bundel metingen worden uitgevoerd in een PTW MP3-T waterfantoom om volledige verstrooiing te garanderen. Trefwoorden: MicroLion, ionisatiekamer, kalibratie, kleine velden, fantoom Micro liquid ionization (microLion) chamber characteristics with regards to applicability for basic and treatment verification measurement purposes in radiotherapy Pieter Declerck Supervisors: Ir. Nathan De Kock, Ir. Annemieke De Puysseleyr, Prof. Dr. Ir. Carlos De Wagter Abstract – Dosimetrical measurements and their basic beam test were performed in a full size accuracy still remain the backbone of water phantom in order to guarantee full radiotherapy treatment delivery[1]. The PTW scattering conditions[2]. For static MicroLion chamber is a promising new tool in measurements the source to surface distance radiotherapy dosimetry as ultimate all-in-one (SSD) of 100 cm, and 10 cm depth were used. solution for single detector measurements. In this 1) Calibration characteristic study the chamber characteristics were tested in Polarization and saturation effect were order to confirm applicability for calibration, non- measured using the IAEA TRS 398 and NCS 18 scanning or scanning as well as for patient specific QA measurements. The tests revealed that the protocols, switching the polarity of the MicroLion chamber performs generally well; only nominal +800 V voltage into -800 V minor attention should be paid to certain (polarization) followed by reduced voltage of conditions. +400 V and + 200 V in order to test the Keywords – MicroLion, ionization chamber, chamber’s response. Results from the Farmer calibration, small fields chamber were used as comparison reference. INTRODUCTION 2) Basic beam characteristic During the last few decades, the expected A field size dependency test (output factors) dosimetrical accuracy shrank from a gentle was performed varying the field size between ±5% to a strict ±3%, while dose delivery 3x3 cm2 and 40x40 cm2 followed by became more complex with the modern percentage depth dose (PDD) and profile intensity modulated radiotherapy (IMRT). measurements, which were compared to 3D Fundamental measurements such as PinPoint, Semiflex and Farmer chamber percentage depth dose, profile measurement measurements. or calibrations require various chambers as no 3) Patient specific QA attribute single detector is applicable for all types of A small monitor unit (MU) response test was measurements. The MicroLion chamber is a included to deliver 20 MU in one delivery and recently developed dosimetric tool with a high to deliver 20 MU in pieces of 2 MU. For the spatial resolution and a high sensitivity. The phantom scattering response delivery the ultimate aim of this study was to perform a same fluence was checked using a 20x20 cm2 comprehensive test on this chamber in order field versus the combined twenty 1x20 cm2 to identify possible weaknesses and fields. Small MU and phantom scattering limitations, as well as to compare its response tests were compared to the Farmer measurement results with those of the chamber measurements as well as simulated previously used chambers. with a voxel based Monte Carlo algorithm. MATERIAL AND METHODS Angular dependency was tested delivering 6 MV and 15 MV photon measurements were every 15° (gantry rotation) in air as well in a grouped into three main categories in order to cylindrical phantom (Figure 1) the same identify the applicability of the chamber for 1) number of MU. calibration 2) basic beam and 3) patient specific QA measurements. Calibration and 3) Patient specific QA The small MU test for 6 and 15 MV demonstrated an overresponse of 3.5% and 4.7% using the PTW MicroLion. A smaller deviation of 0.1% and 1.5% was found for the Farmer chamber. The two chambers resulted within 1% for the phantom scattering for both energies. The voxel based Monte Carlo simulation presented an even better agreement between the two chambers. Angular dependency of the MicroLion in air revealed the large variation (up to 300%) due Figure 1 Angular dependency test with a cylindrical phaontom to its asymmetrical shape, but when the measurement was performed in a cylindrical RESULTS AND DISCUSSION polystyrene phantom (with the sensitive 1) Calibration characteristic volume at the center of the phantom) the Identical polarization factors of k =0.9997 pol angular dependency resulted in less than 2% were measured for both 6 MV and 15 MV. difference for both energies. Measuring the saturation resulted in a CONCLUSIONS dropped signal of 76% and 57% for 400 V and The PTW MicroLion meets the requirements 200 V respectively at 6 MV, while for 15 MV to be used for basic beam measurements. The these were 77% and 53%. The Farmer low dependency on angular beam incidence, chamber resulted in a k = 1.001 and 1.002 pol small MUs and phantom scattering and k = 1.04 and 1.04 for 6 and 15 MV. None sat contribution confirms the applicability for of the calibration protocols support the PTW patient specific QA measurements. Using the MicroLion, therefore the Farmer chamber MicroLion chamber for calibration purposes should be used for calibration. Still with small might be feasible in the future, when support polarization effect and attention to stable from calibration protocols become available nominal voltage and support from calibration and the practical difficulties of the saturation protocols could make the MicroLion chamber effect will be addressed. eligible for such purpose in the future. ACKNOWLEDGEMENTS 2) Basic beam characteristic The author acknowledges Prof. Dr. Ir. Carlos Comparison of the output factors between the De Wagter, Ir. Annemieke De Puysseleyr and MicroLion and the Farmer chambers showed Ir. Nathan De Kock for their valuable support. an underresponse of the MicroLion for field size larger than 15 x 15 cm2 up to 2,8% and REFERENCES [1] Dasu A, Lofroth P and Wickman G, Liquid 1,8% for 6 and 15 MV, while the Farmer ionization chamber measurements of chamber overresponded for the smaller than dose distributions in small 6 MV photon 5x5 cm2 fields up to 3,9% and 5,2% for 6 and beams, Med. Phys.Biol. 43, 21-36 (1998) 15 MV. PDD curves and profiles of small fields [2] Protocols IAEA 398 (2004)/NCS 18 (2008) were in a good agreement between the [3] Wickman G and Nystrom H, The use of MicroLion and the PinPoint measurements. liquids in ionization chambers for high For normal and large fields the profiles the precision radiotherapy dosimetry, Phys. MicroLion showed smaller penumbra Med. Biol. 37 1789-812 (1992) compared to the Semiflex, while the PDDs were in good agreement. Inhoudsopgave Hoofdstuk 1 Inleiding in de radiotherapie ............................................................................................ 1 1.1 Belang van beeldvorming ........................................................................................................ 4 1.2 Radiotherapeutische technieken ............................................................................................. 5 1.2.1 IMRT ................................................................................................................................. 5 1.2.2 Grid therapie .................................................................................................................... 7 1.2.3 Stereotactische radiochirurgie (SRS) ................................................................................ 7 1.3 Overgang naar de PTW microLion 31018 .............................................................................. 10 1.4 Opbouw en materiaal PTW MicroLion (benadering) ............................................................. 13 Hoofdstuk 2 Speciale voorwaarden en kleine veld dosimetrie .......................................................... 15 2.1 Definiëren van een klein stralingsveld ................................................................................... 15 2.1.1 Effect van de brongrootte .............................................................................................. 15 2.1.2 Elektronen bereik en invloeden in het stralingsmedium ............................................... 18 2.1.3 Grootte van de detector ................................................................................................ 19 2.1.4 Positionering van de detector ........................................................................................ 19 2.1.5 Onzekerheid ................................................................................................................... 19 2.2 Luchtgevulde ionisatiekamers ............................................................................................... 20 2.2.1 Referentie omstandigheden .......................................................................................... 21 2.2.2 Niet referentie omstandigheden en effect op de ionisatiekamer ................................. 22 2.2.3 Dosimetrische werking ................................................................................................... 24 2.2.4 Eigenschappen van ionisatiekamers .............................................................................. 27 2.2.5 Bespreking van de gebruikte gasgevulde ionisatiekamers ............................................ 28 Hoofdstuk 3 Materialen en methoden ............................................................................................... 32 3.1 Onderzoek naar polariteitseffect ........................................................................................... 33 3.2 Bepalen van het saturatie effect ............................................................................................ 36 3.3 Bepalen polarisatie en saturatie effect voor de PTW farmer ionisatiekamer ....................... 37 3.4 Meten van outputfactoren .................................................................................................... 38 3.5 Opmeten van Percentage Diepte Dosis curven (PDD's) ........................................................ 38 3.6 Opmeten van dosisprofielen .................................................................................................. 40 3.6.1 Meetopstelling ............................................................................................................... 41 3.7 Onderzoek kleine MU test voor farmer en microlion ............................................................ 42 3.8 Hoekafhankelijke dosismetingen ........................................................................................... 42 3.8.1 Hoekafhankelijkheidsmeting in lucht ............................................................................. 42 3.8.2 Hoekafhankelijkheidsmeting in cilindrische fantoom .................................................... 44 3.9 Onderzoek naar fantoom verstrooiingsbijdrage .................................................................... 47 Hoofdstuk 4 Resultaten en discussie .................................................................................................. 50 4.1 Resultaten en discussie polariteitmetingen ........................................................................... 50 4.2 Resultaten en discussie saturatie effect ................................................................................ 51 4.3 Vergelijking van polarisatie en saturatie resultaten met PTW farmer ionisatiekamer ......... 53 4.4 Resultaten en discussie outputfactor meting ........................................................................ 55 4.5 Resultaten PDD's .................................................................................................................... 59 4.6 Resultaten dwarsprofielmetingen ......................................................................................... 64 4.7 Resultaten kleine MU test voor PTW microlion en PTW farmer ........................................... 69 4.8 Resultaten hoekafhankelijkheidsmeting ................................................................................ 72 4.8.1 Resultaten in lucht ......................................................................................................... 72 4.8.2 Resultaten in fantoom ................................................................................................... 76 4.9 Resultaten fantoom verstrooiingsbijdrage ............................................................................ 80 Hoofdstuk 5 Conclusie ........................................................................................................................ 87 Bibliografie ............................................................................................................................................. 91 Lijst van figuren ...................................................................................................................................... 95 Lijst van tabellen .................................................................................................................................... 97