Waarde van een vloeistofgevulde ionisatiekamer voor de bepaling van outputfactoren en absolute

110 Pages·2012·3.33 MB·English

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