wpływ głębokości pomiaru na weryfikację planu leczenia influence

XI International PhD Workshop
OWD 2009, 17–20 October 2009
WPŁYW GŁĘBOKOŚCI POMIARU NA WERYFIKACJĘ PLANU
LECZENIA
INFLUENCE OF THE DEPTH OF MEASUREMENT ON
VERYFICATION OF TREATMENT PLAN
Grzegorz Cieślik, Politechnika Wrocławska
(21.10.2008, dr hab. Krystian Kubica, Politechnika Wrocławska)
Abstract
(Intensity Modulated Radiotherapy) is a precise
and modern method of treatment plan realization
used in oncological radiotherapy of the head and
neck area. To onsure maximal dosimetrical
protection during radiotherapy detector systems
verifying treatment plan are used. In the dissertation
research results concerning IBA company systems
called Matrixx are presented. It is a system 1020
ionization chambers mounted in such a way so that
they serve as a measuring panel. The panel is a space
for a measurement of radiation dose fluency in
a beam generated by a therapeutical device. The
dissertation discusses the depth of a measurement of
dose fluency with the use of Matrixx system. Due to
the dependency of a dose absorbed by a water
phantom in the depth function. The outcome of
experiment of treatment plan verification are
presented on different measurement depths on the
phantom. Summing up the experiments it has been
stated that the most convenient measurement depth
of radiation dose fluency for treatment plan
verification is the depth of the so colled ‘gentle dose
gradient’. It gives stability and repeatability of
measurement.
wpływu głębokości pomiaru map fluencji dawki
pochłoniętej przy uŜyciu sytemu Matrixx. Efekt ten
jest związany ze zmianą dawki pochłoniętej
promieniowania wraz z głębokością w fantomie
wodnym. W pracy przedstawiono wyniki
eksperymentalnej
weryfikacji
planu
leczenia
radioterapią w zaleŜności od głębokości pomiaru
weryfikacyjnego. Podsumowując, przeprowadzony
eksperyment
pozwala
określić
odpowiednią
głębokość pomiaru weryfikacyjnego dla weryfikacji
planów leczenia i jest to obszar tzw. „łagodnego
spadku dawki”, gdzie strumień rozproszonych
elektronów jest stały.
Cel
Celem niniejszej pracy jest analiza porównawcza
map fluencji, dawki pochłoniętej w fantomie
polistyrenowym stanowiącym ekwiwalent wodny,
zmierzonych za pomocą systemu Matrixx
z wygenerowanymi w systemie planowania leczenia
(TPS). Na podstawie przeprowadzonych czynności
określenie głębokości pomiaru, dla której pomiary
weryfikacyjne map fluencji dawki pochłoniętej są
najbardziej zgodne z mapami fluencji dawki
obliczonymi w systemie planowania leczenia.
Streszczenie
(Intensity Modulated Radiotherapy) jest jedną
z najnowocześniejszych i precyzyjnych technik
radioterapii
konformalnej
(dostosowawczej),
najczęściej stosowanej w radioterapii nowotworów
głowy i szyi. Aby zapewnić maksymalną kontrolę
pacjenta poddawanego radioterapii stosuję się
weryfikację planów leczenia z wykorzystaniem min.
systemu Matrixx firmy IBA – Dosimetry. Jest to
system 1020 komór jonizacyjnych ułoŜonych
w postaci panelu pomiarowego. Panel stanowi część
pomiarową, za pomocą której odbywa się akwizycja
i pomiar map fluencji dawki pochłoniętej
promieniowania X generowanego przez urządzenie
terapeutyczne. Niniejsza praca przedstawia opis
Materiały i metody
Analizę map fluencji dawki pochłoniętej
wykonano dla wiązki promieniowania o wymiarach
poprzecznych napromienianego pola 10 cm x 10 cm
w płaszczyźnie izocentrum, dla fotonów X o energii
6MeV,
dla
czterech
róŜnych
głębokości
weryfikacyjnych tj. 1,6 cm, 5 cm, 10 cm, 15 cm.
Liczba jednostek monitorujących dla akceleratora
medycznego, w kaŜdym pomiarze wynosiła 100MU.
Odpowiada ona dawce około 1Gy deponowanej
w ośrodku wodnym na głębokości 5 cm. Jako
materiał stanowiący ekwiwalent wodny zastosowano
fantom polistyrenowy o nazwie RW3 firmy PTW.
Układ pomiarowy zastosowany do weryfikacji
160
planów leczenia to Matrixx firmy IBA – dosimetry.
Jest to układ 1020 komór jonizacyjnych ułoŜonych
w postaci matrycy. Wygenerowano równieŜ
w systemie planowania leczenia rozkład dawki
promieniowania w modelu fantomu wodnego
z wykorzystaniem algorytmu obliczeniowego dawki
pochłoniętej PencilBeam. Wszystkie wymiary
i geometria układu doświadczalnego była zgodna
z eksperymentem. Do analizy porównawczej map
fluencji dawki zastosowano metodę gamma, która
zakłada, Ŝe odpowiednie punkty na mapach fluencji
dawki doświadczalnej i wygenerowanej z systemu
planowania leczenia róŜnią się od siebie, co do
wartości dawki nie więcej niŜ 3% i są od siebie
oddalone nie więcej niŜ 3 mm. JeŜeli jest spełniony
powyŜszy warunek to mapy fluencji są zgodne ze
sobą i obszary na nich zaznaczone są kolorem
niebieskim. Im gorsza zgodność odpowiednich
punktów tym kolorystyka odpowiednich obszarów
na mapie fluencji dawki dąŜy w kierunku czerwieni.
wygenerowanymi w systemie planowania leczenia.
Rezultaty analizy porównawczej map fluencji dawki
dla czterech róŜnych głębokości pomiaru
przedstawia rysunek 1. Osie X i Y stanowią
przestrzeń 2D matrycy pomiarowej. Na rysunku
moŜemy zauwaŜyć kształt pola promieniowania
wiązki o wymiarach 10 cm x 10 cm. Kolor niebieski
odpowiada dobrej zgodności odpowiednich punktów
map fluencji dawki, natomiast im rozbieŜności są
większe tym kolor obrazu dąŜy ku czerwieni.
Rezultaty ilościowej analizy map fluencji, w postaci
histogramów, przedstawia rysunek 2. Oś „Relative
count” oznacza liczbę punktów siatki obrazu,
natomiast oś „Signal” oznacza rozbieŜność sygnału
pomiędzy mapą fluencji dawki zmierzoną
i obliczoną. RozbieŜność jest określana na podstawie
metody gamma np. dla wartości signal = 1,
współczynnik gamma = 1 co odpowiada
dopuszczalnym rozbieŜnościom dawki między
odpowiednimi punktami map fluencji na poziomie
3% i przesunięciu 3 mm.
Rezultaty
Zastosowanie układu pomiarowego Matrixx
pozwoliło uzyskać doświadczalne mapy fuencji
dawki i porównać je z mapami fluencji dawki
Rys.1. Rysunek przedstawia efekt analizy porównawczej map fluencji dawki w zaleŜności od głębokości pomiaru
w fantomie stanowiącym ekwiwalent wodny: A – głębokość pomiaru 1,6cm, B – głębokość pomiaru 5cm, C –
głębokość pomiaru 10cm, D – głebokość pomiaru 15cm.
Fig.1. Figure shows the effect of a comparative analysis of fluence maps depending on the depth measurement in
water phantom equivalent forms: A - depth measurement 1.6 cm, B - 5cm depth measurement, C - depth
measurement 10cm, D - depth measurement 15cm.
161
Rys.2. Rysunek przedstawia efekt analizy ilościowej map fluencji dawki w postaci histogramów, dla czterech róŜnych
głębokości pomiaru w fantomie stanowiącym ekwiwalent wodny: A – głębokość pomiaru 1,6cm, B – głębokość
pomiaru 5cm, C – głębokość pomiaru 10cm, D – głebokość pomiaru 15cm.
Fig.2. Figure shows the effect of quantitative analysis fluence maps as histograms for four different depths measured
in water phantom equivalent forms: A - depth measurement 1.6 cm, B - 5cm depth measurement, C - depth
measurement 10cm, D - depth measurement 15cm.
Dyskusja
Celem niniejszej pracy jest określenie, na
podstawie powyŜszych wyników, głębokości
pomiaru, dla której zgodność map fluencji dawki
zmierzonej i planowanej jest najlepsza. Analizując
rysunek 1 i rysunek 2 moŜna zauwaŜyć, Ŝe jest to
przypadek B, odpowiadający głębokości pomiaru
5cm. Wyjaśnienie i szczegółowy opis tego problemu
naleŜy oprzeć o analizę profilu głębokościowego
dawki pochłoniętej w wodzie (rysunek 3).
Rys.3. ZaleŜność dawki pochłoniętej D
promieniowania fotonowego X o energii kwantów 6MeV
w fantomie wodnym, w funkcji głębokości d.
rozproszony. Punkty pomiaru dawki A, C, D to
miejsca tzw. nierównowagi elektronowej, są to
miejsca gdzie strumień rozproszonych w efekcie
Comptona elektronów nie jest stały w czasie.
Natomiast punkt B to miejsce gdzie występuje
równowaga elektronów rozproszonych. Ponadto
istotny wpływ na zgodność map fluencji dawki
zmierzonej i obliczonej w systemie planowania
leczenia ma zastosowanie odpowiedniego algorytmu
obliczeniowego. Zastosowany w doświadczeniu
system planowania leczenia bazuje na algorytmie
obliczenia dawki pochłoniętej PencilBeam. Jest to
algorytm, który nie uwzględnia rozproszeń bocznych
i wstecznych elektronów ośrodka, a jedynie
rozproszenia wzdłuŜ toru padającego fotonu. Zatem
uzyskane wyniki wskazują na dobrą zgodność map
fluencji dawki w obszarze równowagi elektronowej
tj. dla głębokości pomiarowej 5 cm. W punktach
pomiarowych A, C, D, gdzie dominują
nierównowaga
elektronów
rozproszonych
w kierunku padania fotonu, widać znaczne
rozbieŜności pomiędzy pomiarem a obliczeniem
mapy fluencji dawki.
Discussion
Fid.3. Dependence of the radiation absorbed dose D,
X - ray photons on the quantum energy 6MeV in water
phantom, as a function of depth d.
Oddziaływanie kwantów X o energii 6MeV
z atomami ośrodka absorbującego, w tym przypadku
wody, odbywa się głównie w postaci efektu
Comptona. Jest to elastyczne rozproszenie fotonu,
w wyniku, którego energia fotonu padającego jest
unoszona przez elektron ośrodka i foton
The purpose of this study is to determine, on the
basis of these results, the depth of measurement, for
which compliance fluence maps measured and
planned dose is best. Analyzing Figure 1 and Figure
2, you may notice that this is the case B,
corresponding to the depth measuring 5 cm.
Clarification and detailed description of the problem
should be based on the analysis of depth profile
absorbed dose in water in Figure 3. The impact of X-
162
ray on the quantum energy 6MeV of the atoms
absorbing medium, in this case water, is mainly in
the form of Compton effect. It is the elastic
scattering photon, resulting in the incident photon
energy is carried by the electron center and scattered
photon. Dose measurement points A, C, D are the
places called imbalance of electrons, these are places
where the stream as a result of Compton scattered
electrons is not constant in time. While point B is
a place where there is a balance of electrons
scattered. In addition, a significant impact on the
compatibility fluence maps measured and calculated
doses in the treatment planning system applies the
appropriate algorithm calculation. Used in the
experiment system for treatment planning based on
the calculation of absorbed dose algorithm
PencilBeam. This is the algorithm that does not
include the side and back scattering electron center,
and only scattering the incident photon along the
track. Thus, the results obtained show good
agreement fluence maps in the field of electron
equilibrium, i.e. for measuring the depth of 5cm. The
measurement points A, C, D, which is dominated by
the imbalance of electrons scattered in the direction
of incidence of the photon will see a significant
discrepancy between measurement and calculation of
fluence maps.
ROG RT technologists Section, November 6,
2008, Rotterdam, Netherlands.
7. Leong – Woo Lee, Jin – Beom Chung, Doo –
Hyun Lee, Leong – Hoon Park, Bo – Young
Choe, Tae – Suk Suh, Hong –Seok Jang, Semie
Hong, Byung – Moon Park, Min – Young Kang,
Kyoung – Sik Choi, You – Hyun Kim, Discrepancy
of Intensity Modulation Radiation Therapy Dose Delivery
due to the Dose – Dynamic Multi – Leaf Collimator
Gravity Effect, Journal of the Korean Physical
Society, Vol. 53, No. 6, December 2008, Korea.
Adres słuŜbowy Autora:
Literatura
1. Składowski Krzysztof, Grządziel Aleksandra,
Hutnik Marcin, Wygoda Andrzej, Sąsiadek
Wojciech, Rutkowski Tomasz, Lukaszczyk –
Wideł Beata, Trela Krystyna, Łuczak Agnieszka,
Ślosarek Krzysztof: Kliniczne zasady planowania
i realizacji radioterapii modulacją intensywności wiązki
(IMRT) u chorych na nowotwory głowy i szyi – część 1,
Onkologia w Praktyce Klinicznej Tom 3, nr 5,
241-248, 2007, Via Medica.
2. Andenna C., Benassi M., Caccia B., Marzi S.,
Pedrini M., Zicari C.: Comparison of Dose
Distributions In IMRT Planning Rusing the Gamma
Function, J. Exp. Clin. Cancer Res., 25, 2, 2006,
Roma, Italy.
3. Kukołowicz Paweł: Charakterystyka wiązek
terapeutycznych fotonów i elektronów, 2001, Kielce.
4. Łobodziec Włodzimierz: Dozymetria promieniowania
jonizującego w radioterapii, Prace naukowe
Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach nr 1742,
1999, Katowice.
5. Dinesh Kumar M., Thirumavalvan N., Venugopal
Krishana D., Babaiah M.: QA of intensity –
modulated beams Rusing dynamic MLC log files,
Departament of Radiation Oncology, Yashoda
Cancer Institute, Secunerabad, Andora Pradesh,
2006,India.
6. Timmermans Christa, Quality Assurance of
accelerators; the technologis responsibility, EORTC-
163
Mgr Grzegorz Cieślik
Politechnika Wrocławska,
ul. Plac Grunwaldzki 13
50-377 Wrocław
tel. (071) 327 77 27
(071) 320 65 80
fax. (071) 327 77 27
email: [email protected]