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Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation
ORIGINALARBEIT
Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation Anja Jess-Hempen1, Hans Jürg Kreiner2, Bernd Heck2, Berndt Wowra1, Andreas Mack1 1 Neurochirurgische Praxis Priv.-Doz. Dr. Berndt Wowra, München 2 GKS GmbH, München
Zusammenfassung Das Gamma Knife wird als stereotaktische Bestrahlungseinrichtung benutzt, um kleine, komplex-geformte Läsionen im Gehirn konformal zu behandeln. Dabei ermöglicht sowohl das Behandlungsgerät als auch die zugehörige Planungssoftware Einstellungen und Bestrahlungen mit hoher Genauigkeit. Ziel der Arbeit ist es, die tatsächlich erreichbare Genauigkeit bei extrem irregulären, kleinen Zielvolumina experimentell festzustellen. Hierzu wird mit einem Phantom, in dessen Inneren ein speziell entwickelter Einsatz ein L-förmiges Zielvolumen darstellt, die der Patientenbehandlung entsprechende standardisierte Prozedur durchgeführt. Die räumliche Genauigkeit der Bestrahlung wird mit Hilfe der hochauflösenden Filmdosimetrie mit GafChromicTM-Filmen dokumentiert. Die Analyse der Filme ergibt für den Film in der Mittelebene eine exzellente Konformität der zur Umschreibung des Zielvolumens in der Planung benutzten 75 %-Isodosenkurve. Auch für die außerhalb des Zielvolumens liegenden Isodosenkurven besteht eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Planung und Messung. Schlüsselwörter: Radiochirurgie, stereotaktische Bestrahlung, Konformität, Filmdosimetrie, Systemtest Abstract The Gamma Knife is used as a stereotactic tool for the conformal treatment of very small, complex-shape cranial lesions. The combination of planning software and treatment equipment enables a highly-precise conformal dose distribution and positioning. The purpose of the present study was to experimentally verify the precision actually achievable in case of extremely irregular, small target volumes. For this purpose, a complete treatment procedure was performed using a standard head phantom complemented with a specially developed insert that simulates an L-shaped lesion. The spatial precision of the irradiation was recorded by means of high-resolution film dosimetry using GafChromicTM films. The analysis of the films showed for the film in the center plane an excellent conformity of the 75 % isodose line used to circumscribe the lesion. A very good agreement between planning and measurement resulted also for isodose lines residing outside of the target volume. Keywords: Radiosurgery, conformity, film dosimetry, system test
Einleitung Bei radiochirurgischen Behandlungen von Hirntumoren und arteriovenösen Erkrankungen ist eine hohe Konformität zwischen Planungszielvolumen und dem behandelten Volumen unerlässlich, um umliegendes gesundes Gewebe optimal zu schonen und insbesondere Risikobereiche maximal zu schützen. So sind in [2] 2 mm Abweichung der 90 %-Isodose (Zielvolumengrenze) zwischen Planung und gemessener Dosisverteilung angegeben. Zum gleichen Ergebnis kommt auch [5]. In beiden Fällen wird ein Polymer-Gel (Bang-Gel) benutzt, wobei absorbierte Dosis und der zugehörige Ort mit
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Hilfe von MR-Bildern bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit hat man sich zur Messung der Dosis und des Ortes für die Filmdosimetrie mit GafChromicTM-Filmen [3, 6] entschieden, um den Vorteil der besseren Ortsbestimmung bei vergleichbarer Genauigkeit der Dosisbestimmung auszunutzen. Welcher Grad an Komformität zwischen gegebenem Zielvolumen und dem behandelten Volumen erreicht wird, beeinflussen die drei wichtigsten Komponenten: radiologische Untersuchungseinheit, Bestrahlungsplanungssystem und Bestrahlungsgerät entscheidend. Daher werden in der von uns durchgeführten Überprüfung alle Komponenten mit einbezogen [1].
Z. Med. Phys. 13 (2003) 16–21 © Urban & Fischer Verlag http://www.urbanfischer.de/journals/zmedphys
Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation
Material und Methode Zielvolumen und Phantom Das Zielvolumen wird durch einen L-förmigen Probekörper dargestellt, der in eine PMMA-Scheibe von 30 mm Durchmesser und 10 mm Höhe eingearbeitet ist. Dabei beträgt die lange Seite des L 12 mm und die kurze 8 mm. Die Höhe des L-Körpers misst 4 mm und ist aus zwei übereinander platzierten Hälften aufgebaut. Aus den Abmessungen ergibt sich ein Volumen von 0,239 cm3. Zwischen den beiden Hälften des L ist ein strahlungssensitiver Film eingebracht. Zwei weitere Filme liegen je oberhalb (5 mm) und unterhalb (4,5 mm) des L-Körpers (Abb. 1). Die verwendeten GafChromicTM-Filme sind vom Typ MD-55 II. Dieses Zielvolumen lässt sich sowohl im Computertomograph (CT) als auch im Kernspintomograph (MR) darstellen. Der Probekörper kann an verschiedenen Positionen in das kugelförmige Schädelphantom eingebracht werden (Abb. 2). Das Kugelphantom hat einen Durchmesser von 160 mm und ist aus gewebeäquivalentem Material gefertigt. Nachdem der Probekörper mit den markierten GafChromicTM-Filmen [6, 7, 8] bestückt im Kugelphantom montiert ist, wird dieses mit Hilfe der bei Behandlungen üblichen Schrauben im stereotaktischen Leksell-Rahmen befestigt (s. Abb. 5).
Abbildung 2 Teil des Kugelphantoms mit eingebautem LKörper. Der Durchmesser des Einsatzes beträgt 30 mm, seine Höhe 10 mm. ten werden dann auf das Bestrahlungsplanungssystem übertragen. In Abbildung 3 ist die Schicht für z = 111,6 mm gezeigt. Man beachte die beiden runden Marker rechts und links des Probekörpers, die zum justierten Überlagern von Planungsbild und bestrahltem Film herangezogen werden. Bestrahlungsplanung
Computertomogramm Das so vorbereitete Kopfphantom wird nun mit einem Computertomographen (Modell Siemens „Somatom Volume Access“) gescannt. Dabei beträgt die Matrix 1024 x 1024 Pixel und der Schichtabstand 0,5 mm. Der mit abgebildete stereotaktische Lokalisator (Fiducial-Box) legt für jede Schicht die stereotaktischen Koordinaten fest. Die gewonnenen Bildda-
Gemäß dem multizentrischen Bestrahlungskonzept [9] wird mit der Planungssoftware (Gamma Plan, Ver. 5.31, Fa. Elekta AB) eine Bestrahlung geplant, deren Symmetrieebene in zRichtung der Filmebene entspricht. Verwendet wurde der 4-mm-Kollimator und alle 201 Quellen bestrahlten das Ziel. Ferner soll die 75 %-Isodosenkurve das Zielvolumen „konformal“ einhüllen. Im vorliegenden Fall wurde dies mit 9
Abbildung 1 Mit GafChromicTM-Filmen bestückter L-Körper.
Abbildung 3 CT-Schnittbild des Phantoms: Der L-Körper und die beiden Marker sind deutlich zu sehen.
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Abbildung 4 In der Planungsebene (links) und in der Filmebene (rechts) eingetragene Isodosenkurven, wie sie vom Bestrahlungsplanungssystem errechnet bzw. auf dem Film gemessen wurden. „Shots“ (Zielpunkte) erreicht. Abbildung 4 links zeigt die 70 %-, 60 %-, 50 %- und 25 %-Isodosen, wie sie das Bestrahlungsplanungssystem berechnet hat. Dabei beträgt die Maximaldosis (=100 %-Isodose) 40 Gy. Dieser Wert wurde gewählt, um den Bereich optimaler Empfindlichkeit der verwendeten GafChromicTM-Filme (10–40 Gy) maximal auszunutzen. Er weicht von den üblichen therapeutischen Dosen ab. In Tabelle 1 sind die Koordinaten und Bestrahlungszeiten für die einzelnen Zielpunkte (Shots) zusammengestellt. Mit diesen Werten wird nun eine Bestrahlung des L-Probekörpers mit dem Gamma Knife Modell B (Fa. Elekta AB) durchgeführt. Abbildung 5 zeigt das Phantom in der Bestrahlungseinrichtung, bei eingestellten Koordinaten, unmittelbar vor der Bestrahlung.
Abbildung 5 Phantom mit Rahmen nach dem Einstellen der Koordinaten unmittelbar vor der Bestrahlung. strahlung noch nicht abgeschlossen ist [6], werden die Filme weitere zwei Tage vor UV-Licht geschützt im Kühlen aufbewahrt. Mit einem optimierten [3], hochauflösenden Durchlicht-Scanner (Modell Flextight, Fa. IMACON) wird ein digitales Bild des Filmes erstellt. Dabei beträgt die Ortsauflösung in x- bzw. y-Richtung 533 dpi. Dies bedeutet eine Ortsauflösung von 0,05 mm. Um eine möglichst genaue Dosisbestimmung zu erreichen, wird die Produktionscharge der verwendeten GafChromicTM-Filme kalibriert. Dazu werden mindestens fünf Stützpunkte im Bereich von 10 bis 40 Gy für die Kalibrierfunktion herangezogen. So lässt sich eine Genauigkeit von < ±3 % erreichen [3, 4, 6, 8].
Ergebnisse Auswertung des Filmes Nach der Bestrahlung werden die Filme aus dem Phantom entnommen. Da der Polymerisationseffekt von GafChromicTM-Filmen (und damit die Einfärbung) mit Ende der Be-
In Abbildung 6 ist die gemessene zweidimensionale Dosisverteilung in der Filmebene dargestellt. Diese Darstellung zeigt deutlich a) die L-Form der Gipfellinie und b) den steilen Dosisgradienten. Dieser wird in einer Ebene senkrecht zur
Tabelle 1 Bestrahlungsparameter der einzelnen Zielpunkte, die das Bestrahlungsplanungssystem berechnet hat. Shot
X [ mm]
Y [ mm]
Z [ mm]
Gewichtung
Zeit [min]
A5 A1 A3 A2 A6 A4 A7 A8 A9
102,0 097,0 096,5 097,0 096,5 098,5 095,5 100,5 096,0
89,0 98,5 89,0 94,0 97,0 88,5 92,0 88,5 87,5
111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0
1,03 1,01 0,96 0,95 0,55 0,42 0,38 0,33 0,10
8,5 8,3 7,9 7,8 4,5 3,5 3,1 2,7 0,8
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Abbildung 6 2 1/2D-Darstellung des Filmes, bei der die Dosis über der Filmebene aufgetragen ist.
Längsachse des L-förmigen Probekörpers zu 20 % bis 30 %/ mm bestimmt und ändert sich nur wenig entlang der Längsachse. In das zweidimensionale Bild der Dosisverteilung werden nun die Isodosenkurven, die die 25 %-, 50 %-, 60 %- und 70 %-Isodose repräsentieren, eingetragen. Dies ist in Abbildung 4 rechts dargestellt. Die gleichen Isodosenkurven werden mit dem Bestrahlungsplanungsprogramm be-
Abbildung 7 Überlagerung von Film (experimentelles Resultat – rote Isodosen) und Planung (vom Bestrahlungsplanungssystem berechnet – gelbe Isodosen) für die 25 %-, 50 %-, 60 %- und 70 %-Isodosen.
rechnet und in das CT-Bild des Probekörpers in der Bestrahlungsebene eingetragen (Abb. 4, links). Auf Grund der Markierungen im L-Probekörper, die exakt auf den Film übertragen wurden (Anstechen des Filmes mit einer Nadel durch die vorgegebenen Bohrungen) können die zur Bestrahlungsplanung verwendeten Bilder mit dem Film überlagert werden, nachdem der Maßstab in x- und y-Richtung für beide Bilder identisch gewählt wurde. In Abbildung 7 ist das Planungsbild (die oben genannten Isodosenkurven sind hervorgehoben) mit dem Film, bei dem die gleichen Isodosen eingetragen sind, überlagert. Man beachte die Linienbreite der Isodosenkurven von ca. 0,06 mm. Hellgrau unterlegt ist der L-förmige Probekörper. Aufgrund der Überlagerung kann man feststellen: Die berechneten Isodosenkurven folgen in Form, Lage und Verlauf den gemessenen. Die größte Abweichung beträgt für die 25 %-Isodosenkurven, was der 10-Gy-Isodose entspricht, 0,55 mm. Bei den anderen Isodosenkurven treten die größten Abweichungen in dem Bereich auf, wo die beiden Schenkel des L aufeinandertreffen (Innenknie) mit einem Wert von ca. 0,24 mm sowie an der oberen linken Flanke des L und betragen dort ca. 0,42 mm. Dabei beträgt der Messfehler der obigen Angaben ± 0,05 mm. Die größere Abweichung der 50 %- und 60 %-Isodose im vorderen unteren Bereich des kurzen Schenkels (0,48 mm) rührt von einem sichelförmigen Artefakt (Druckstelle) des Filmes her. Gleiches gilt für die Abweichung der 70 %-Isodose an der vorderen Rundung des kurzen Schenkels (0,3 mm) bedingt durch einen runden Artefakt.
Abbildung 8 Überlagerung (Bestrahlungsplan / gelbe Isodose – Messung / rote Isodose) der für die Läsion konformierenden 75 %-Isodose.
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Abstand von 5 mm über bzw. 4,5 mm unter der Bestrahlungsebene im Probekörper befestigt. Beide GafChromicTM-Filme wurden ausgewertet und die Isodosen eingetragen, die mit dem Planungssystem für den Filmabstand berechnet wurden. Die Ergebnisse der Überlagerung von Planung und Experiment ist in Abbildung 10 für den 5 mm unterhalb der Zentralebene (links) und für den 4,5 mm oberhalb der Zentralebene gelegenen Film (rechts) gezeigt. Die Überlagerung ist mit Hilfe der vier sichtbaren Zuschnitte der Filme justiert. Diese wurden zum Einpassen der ursprünglich rechteckigen Filme in den runden Probekörper abgeschnitten. Die Maßstäbe von Planung und Film sind angepasst. Bei beiden Filmen ist der Verlauf zwischen berechneter und gemessener Isodosen gleichen Wertes ähnlich. Aus der zur Planung benutzten 75 %Isodose und den geometrischen Abständen ergibt sich der Gradient in z-Richtung einmal zu 66 %/3 mm oder 22 %/ mm und zu 60 %/2,5 mm oder 24 %/ mm. Fehlerbetrachtung
Abbildung 9 Lagefehler der Isodosenkurve auf Grund der Ungenauigkeit der Orts- und Dosisbestimmung (rote Bänder) im Vergleich zur Planung (gelbe Isodosen).
Um die Qualität der Konformität zu überprüfen, wurde eine weitere wie oben beschriebene Überlagerung durchgeführt, bei der die zur Planung benutzte 75 %-Isodosenkurve verglichen wurde. Wie man der Abbildung 8 entnimmt, folgt auch hier die berechnete Isodosenkurve in Form, Lage und Verlauf der gemessenen. Die größte Abweichung liegt an der gleichen Stelle wie bei den anderen und beträgt am oberen Teil ca. 0,3 mm und am Knie ca. 0,64 mm. Die große Abweichung im Bereich der vorderen Rundung des kürzeren Schenkels (ca. 0,72 mm) ist durch den oben beschriebenen Artefakt verursacht. Um eine Aussage bezüglich des Dosisabfalles in zRichtung sowie der Dosisverteilung in Ebenen parallel zur Filmebene machen zu können, wurden zwei Kontrollfilme im
Abbildung 10 Überlagerung von Bestrahlungsplan (gelb) und Messung (rot) für den Kontrollfilm 4,5 mm unter (links) und 5 mm über der Bestrahlungsebene (rechts).
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Wie bereits erwähnt, liegt der Fehler für die Ortsbestimmung des Filmes bei ± 0,05 mm, was die Ortsinformation hinreichend genau macht. Zentralfilm: Die Maßstabsanpassung wurde mit Hilfe mehrere Strecken bekannter Länge durchgeführt. Der Fehler wurde auf ± 1 Pixel abgeschätzt. Die Genauigkeit, mit der die beiden im CT-Bild der Planung sichtbaren Marker mit der entsprechenden Markierung des Filmes überlagert werden können, wurde zu ± 1 Pixel bestimmt. Hierzu wurde die Überlagerung mehrfach durchgeführt und die Abweichung eines definierten Punktes ermittelt. Für die Lage der Isodosenkurven ist die Genauigkeit der Dosisbestimmung von Signifikanz. Unsere Fehlerabschätzung liegt bei ca. 3 % und ist damit mit Literaturwerten für die Filmdosimetrie für GafChromicTM-Filme konform [4, 6, 8]. Um den Einfluss der Messungenauigkeit zu untersuchen, wurden Isodosenbereiche um die jeweilige Isodosenkurven mit den Grenzen von +3 % bzw. –3 % ermittelt. Dieser Bereich wurde um den Fehler der Überlagerung erweitert und gleichfarbig gezeichnet. Mit dem so gewonnenen Bild wurde erneut eine Überlagerung mit den berechneten Isodosenkurven durchgeführt. Das Ergebnis ist in Abbildung 10 zu sehen: innerhalb der Fehler stimmen die berechneten Isodosen mit den gemessenen überein. Kontrollfilme: Der Maßstab wurde mit Hilfe einer im CTBild definierten Strecke auf den der Filme angepasst. Da bei der Überlagerung keine Marker verwendet wurden, ist diese nur auf ca. 1 mm genau durchführbar. Die Dosisbestimmung zwischen 0 und 7 Gy ist im durchgeführten Experiment nicht von der Güte wie im Bereich zwischen 10 und 40 Gy. Zum einen ist die Dosiskalibration in diesem Bereich nicht mit hinreichend vielen Stützstellen abgesichert, zum anderen bewegt man sich bei diesen Dosen in einem Bereich, wo statistische Schwankungen wesentlich zum Fehler der Dosisbestimmung beitragen. Der Fehler wurde auf ca. ± 10 % abgeschätzt. Dies hat Auswirkungen auf die geometrische Lage
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der niedrigen 10 %-Isodose: Eine Änderung der Dosis um 10 % (0,4 Gy) kann eine geometrische Verschiebung um bis zu 5 mm nach sich ziehen.
werden oder besser mit einem Filmstapel dichtgepackter Filme eine 3-D-Dosisverteilung. Ein solches Experiment ist in Vorbereitung. Literatur
Diskussion und Ausblick Vergleicht man die Ergebnisse des Zentralfilmes mit denen von [2] und [5], die mit der Bang-Gel-Methode ermittelt wurden, so sind die deutlich geringeren Abweichungen zwischen den berechneten und gemessenen Isodosenkurven auffällig. Die Genauigkeit der Dosisbestimmung ist bei beiden Messmethoden im Wesentlichen gleich, jedoch ist die Ortsauflösung bei der Verwendung von GafChromicTM-Filmen um mindestens eine Größenordnung besser. Die Verwendung von deutlich kleineren Probekörpern (1 cm im Vergleich zu 5 cm) steht in einem realistischen Größenvergleich mit Risikobereichen und liefert somit experimentell überprüfte Daten zur erreichbaren Genauigkeit. Die maximalen Abweichungn zwischen der geplanten und gemessenen 50 %- und 60 %-Isodose von 0,4 mm stimmt betragsmäßig mit der typischen Auflösung der bei der Radiochirurgie verwendeten MR-Scanner überein. Daraus kann gefolgert werden: Die gefundenen Unsicherheiten von ca. 0,5 mm werden im Wesentlichen durch die Ungenauigkeiten bei der radiologischen Bestimmung des Zielvolumens verursacht. Die anderen Glieder der als Behandlungkette aufgefassten Schritte tragen im Vergleich dazu nur unwesentlich bei. Dies kann insbesondere auch in der Weise interpretiert werden, dass das vorliegende Behandlungsgerät sowie die zugehörige Planungssoftware bei komplexen Zielvolumina tatsächlich Bestrahlungen mit einer Genauigkeit deutlich unter einem Millimeter gestatten.Will man eine quantitative Aussage zum Verlauf von gemessenen Isodosen < 7 Gy machen, so scheint es angebracht, die Methode so weiter zu entwickeln, dass der Fehler bei Dosen von 0–7 Gy deutlich verringert wird. Zur besseren Absicherung der Dosisverteilung in der x-zEbene sollte diese zusätzlich auf gleiche Weise gemessen
[1] E-DIN 6875-1 Spezielle Bestrahlungseinrichtungen, Teil 1: Perkutane stereotaktische Bestrahlung Kennmerkmale und besondere Prüfmethoden [2] Grebe, G., Pfaender, M., Roll, M., Luedemann, L.: Dynamic arc radiosurgery and radiotherapy: commissioning and verification of dose distributions. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 49, (2001) 1451–1460 [3] Mack, A., Mack, G., Weltz, D., Czempiel, H., Kreiner, H.J.: Verification of dose plans using film dosimetry for quality assurance in radiosurgery. In: Kondziolka, D. (Hrsg.): Radiosurgery Vol. 4. Verlag S. Karger, Basel 2002, S. 213–227 [4] McLaughlin, W. L., Soares, C. G., Sayeg, J. A., McCullough, E. C., Kline, R.W., Wu, A., Maitz, A. H.: The use of a radiochromic detector for the determination of stereotactic radiosurgery dose characteristics. Med. Phys. 21 (1994) 379–88 [5] Meeks, S.L., Bova, F.J., Maryanski, M.J., Kendrick, L.A., Ranade, M.K., Buatti, J.M., Friedmann, W.A.: Analytic characterization of linear accelerator radiosurgery dose distributions for fast optimization. Phys. Med. Biol. 44 (1999) 2777–87 [6] Niroomand-Rad, A. , Blackwell, C.R., Coursey, B.M, Gall, K.P., Galvin, J.M, McLaughlin, W.L., Meigooni, A.S., Nath, R., Rodgers, J.E., Soares,C.G.: Radiochromic film dosimetry: Recommendations of AAPM Radiation Therapy Committee Task Group 55. Med. Phys. 25 (1998) 2093–2115 [7] Robar, J.L., Clark, B.G.: A practical technique for verification of threedimensional conformal dose distributions in stereotactic radiosurgery. Med. Phys. 27 (2000) 978–87 [8] Somigliana, A., Cattaneo, G.M., Fiorino, C., Borelli, S., del Vecchio, A., Zonca, G., Pignoli, E., Loi, G., Calandrino, R., Marchesini, R.: Dosimetry of Gamma Knife and linac-based radiosurgery using radiochromic and diode detectors. Phys. Med. Biol. 44 (1999) 887–97 [9] Wowra, B., Czempiel, H., Cibis, R., Horstmann, G.A.: Profil der ambulanten Radiochirurgie mit dem Gamma-Knife-System, Teil 1: Methode und multizentrisches Planungskonzept. Radiologe 37 (1997) 995–1002 Eingegangen am 31. 01. 2002; zum Druck angenommen am 30. 08. 2002. Korrespondenzanschrift: Anja Jess-Hempen Neurochirurgische Praxis Priv.-Doz. Dr. Berndt Wowra Ingolstädter Straße 166 D-80939 München
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Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation Anja Jess-Hempen1, Hans Jürg Kreiner2, Bernd Heck2, Berndt Wowra1, Andreas Mack1 1 Neurochirurgische Praxis Priv.-Doz. Dr. Berndt Wowra, München 2 GKS GmbH, München
Zusammenfassung Das Gamma Knife wird als stereotaktische Bestrahlungseinrichtung benutzt, um kleine, komplex-geformte Läsionen im Gehirn konformal zu behandeln. Dabei ermöglicht sowohl das Behandlungsgerät als auch die zugehörige Planungssoftware Einstellungen und Bestrahlungen mit hoher Genauigkeit. Ziel der Arbeit ist es, die tatsächlich erreichbare Genauigkeit bei extrem irregulären, kleinen Zielvolumina experimentell festzustellen. Hierzu wird mit einem Phantom, in dessen Inneren ein speziell entwickelter Einsatz ein L-förmiges Zielvolumen darstellt, die der Patientenbehandlung entsprechende standardisierte Prozedur durchgeführt. Die räumliche Genauigkeit der Bestrahlung wird mit Hilfe der hochauflösenden Filmdosimetrie mit GafChromicTM-Filmen dokumentiert. Die Analyse der Filme ergibt für den Film in der Mittelebene eine exzellente Konformität der zur Umschreibung des Zielvolumens in der Planung benutzten 75 %-Isodosenkurve. Auch für die außerhalb des Zielvolumens liegenden Isodosenkurven besteht eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Planung und Messung. Schlüsselwörter: Radiochirurgie, stereotaktische Bestrahlung, Konformität, Filmdosimetrie, Systemtest Abstract The Gamma Knife is used as a stereotactic tool for the conformal treatment of very small, complex-shape cranial lesions. The combination of planning software and treatment equipment enables a highly-precise conformal dose distribution and positioning. The purpose of the present study was to experimentally verify the precision actually achievable in case of extremely irregular, small target volumes. For this purpose, a complete treatment procedure was performed using a standard head phantom complemented with a specially developed insert that simulates an L-shaped lesion. The spatial precision of the irradiation was recorded by means of high-resolution film dosimetry using GafChromicTM films. The analysis of the films showed for the film in the center plane an excellent conformity of the 75 % isodose line used to circumscribe the lesion. A very good agreement between planning and measurement resulted also for isodose lines residing outside of the target volume. Keywords: Radiosurgery, conformity, film dosimetry, system test
Einleitung Bei radiochirurgischen Behandlungen von Hirntumoren und arteriovenösen Erkrankungen ist eine hohe Konformität zwischen Planungszielvolumen und dem behandelten Volumen unerlässlich, um umliegendes gesundes Gewebe optimal zu schonen und insbesondere Risikobereiche maximal zu schützen. So sind in [2] 2 mm Abweichung der 90 %-Isodose (Zielvolumengrenze) zwischen Planung und gemessener Dosisverteilung angegeben. Zum gleichen Ergebnis kommt auch [5]. In beiden Fällen wird ein Polymer-Gel (Bang-Gel) benutzt, wobei absorbierte Dosis und der zugehörige Ort mit
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Hilfe von MR-Bildern bestimmt werden. In der vorliegenden Arbeit hat man sich zur Messung der Dosis und des Ortes für die Filmdosimetrie mit GafChromicTM-Filmen [3, 6] entschieden, um den Vorteil der besseren Ortsbestimmung bei vergleichbarer Genauigkeit der Dosisbestimmung auszunutzen. Welcher Grad an Komformität zwischen gegebenem Zielvolumen und dem behandelten Volumen erreicht wird, beeinflussen die drei wichtigsten Komponenten: radiologische Untersuchungseinheit, Bestrahlungsplanungssystem und Bestrahlungsgerät entscheidend. Daher werden in der von uns durchgeführten Überprüfung alle Komponenten mit einbezogen [1].
Z. Med. Phys. 13 (2003) 16–21 © Urban & Fischer Verlag http://www.urbanfischer.de/journals/zmedphys
Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation
Material und Methode Zielvolumen und Phantom Das Zielvolumen wird durch einen L-förmigen Probekörper dargestellt, der in eine PMMA-Scheibe von 30 mm Durchmesser und 10 mm Höhe eingearbeitet ist. Dabei beträgt die lange Seite des L 12 mm und die kurze 8 mm. Die Höhe des L-Körpers misst 4 mm und ist aus zwei übereinander platzierten Hälften aufgebaut. Aus den Abmessungen ergibt sich ein Volumen von 0,239 cm3. Zwischen den beiden Hälften des L ist ein strahlungssensitiver Film eingebracht. Zwei weitere Filme liegen je oberhalb (5 mm) und unterhalb (4,5 mm) des L-Körpers (Abb. 1). Die verwendeten GafChromicTM-Filme sind vom Typ MD-55 II. Dieses Zielvolumen lässt sich sowohl im Computertomograph (CT) als auch im Kernspintomograph (MR) darstellen. Der Probekörper kann an verschiedenen Positionen in das kugelförmige Schädelphantom eingebracht werden (Abb. 2). Das Kugelphantom hat einen Durchmesser von 160 mm und ist aus gewebeäquivalentem Material gefertigt. Nachdem der Probekörper mit den markierten GafChromicTM-Filmen [6, 7, 8] bestückt im Kugelphantom montiert ist, wird dieses mit Hilfe der bei Behandlungen üblichen Schrauben im stereotaktischen Leksell-Rahmen befestigt (s. Abb. 5).
Abbildung 2 Teil des Kugelphantoms mit eingebautem LKörper. Der Durchmesser des Einsatzes beträgt 30 mm, seine Höhe 10 mm. ten werden dann auf das Bestrahlungsplanungssystem übertragen. In Abbildung 3 ist die Schicht für z = 111,6 mm gezeigt. Man beachte die beiden runden Marker rechts und links des Probekörpers, die zum justierten Überlagern von Planungsbild und bestrahltem Film herangezogen werden. Bestrahlungsplanung
Computertomogramm Das so vorbereitete Kopfphantom wird nun mit einem Computertomographen (Modell Siemens „Somatom Volume Access“) gescannt. Dabei beträgt die Matrix 1024 x 1024 Pixel und der Schichtabstand 0,5 mm. Der mit abgebildete stereotaktische Lokalisator (Fiducial-Box) legt für jede Schicht die stereotaktischen Koordinaten fest. Die gewonnenen Bildda-
Gemäß dem multizentrischen Bestrahlungskonzept [9] wird mit der Planungssoftware (Gamma Plan, Ver. 5.31, Fa. Elekta AB) eine Bestrahlung geplant, deren Symmetrieebene in zRichtung der Filmebene entspricht. Verwendet wurde der 4-mm-Kollimator und alle 201 Quellen bestrahlten das Ziel. Ferner soll die 75 %-Isodosenkurve das Zielvolumen „konformal“ einhüllen. Im vorliegenden Fall wurde dies mit 9
Abbildung 1 Mit GafChromicTM-Filmen bestückter L-Körper.
Abbildung 3 CT-Schnittbild des Phantoms: Der L-Körper und die beiden Marker sind deutlich zu sehen.
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Abbildung 4 In der Planungsebene (links) und in der Filmebene (rechts) eingetragene Isodosenkurven, wie sie vom Bestrahlungsplanungssystem errechnet bzw. auf dem Film gemessen wurden. „Shots“ (Zielpunkte) erreicht. Abbildung 4 links zeigt die 70 %-, 60 %-, 50 %- und 25 %-Isodosen, wie sie das Bestrahlungsplanungssystem berechnet hat. Dabei beträgt die Maximaldosis (=100 %-Isodose) 40 Gy. Dieser Wert wurde gewählt, um den Bereich optimaler Empfindlichkeit der verwendeten GafChromicTM-Filme (10–40 Gy) maximal auszunutzen. Er weicht von den üblichen therapeutischen Dosen ab. In Tabelle 1 sind die Koordinaten und Bestrahlungszeiten für die einzelnen Zielpunkte (Shots) zusammengestellt. Mit diesen Werten wird nun eine Bestrahlung des L-Probekörpers mit dem Gamma Knife Modell B (Fa. Elekta AB) durchgeführt. Abbildung 5 zeigt das Phantom in der Bestrahlungseinrichtung, bei eingestellten Koordinaten, unmittelbar vor der Bestrahlung.
Abbildung 5 Phantom mit Rahmen nach dem Einstellen der Koordinaten unmittelbar vor der Bestrahlung. strahlung noch nicht abgeschlossen ist [6], werden die Filme weitere zwei Tage vor UV-Licht geschützt im Kühlen aufbewahrt. Mit einem optimierten [3], hochauflösenden Durchlicht-Scanner (Modell Flextight, Fa. IMACON) wird ein digitales Bild des Filmes erstellt. Dabei beträgt die Ortsauflösung in x- bzw. y-Richtung 533 dpi. Dies bedeutet eine Ortsauflösung von 0,05 mm. Um eine möglichst genaue Dosisbestimmung zu erreichen, wird die Produktionscharge der verwendeten GafChromicTM-Filme kalibriert. Dazu werden mindestens fünf Stützpunkte im Bereich von 10 bis 40 Gy für die Kalibrierfunktion herangezogen. So lässt sich eine Genauigkeit von < ±3 % erreichen [3, 4, 6, 8].
Ergebnisse Auswertung des Filmes Nach der Bestrahlung werden die Filme aus dem Phantom entnommen. Da der Polymerisationseffekt von GafChromicTM-Filmen (und damit die Einfärbung) mit Ende der Be-
In Abbildung 6 ist die gemessene zweidimensionale Dosisverteilung in der Filmebene dargestellt. Diese Darstellung zeigt deutlich a) die L-Form der Gipfellinie und b) den steilen Dosisgradienten. Dieser wird in einer Ebene senkrecht zur
Tabelle 1 Bestrahlungsparameter der einzelnen Zielpunkte, die das Bestrahlungsplanungssystem berechnet hat. Shot
X [ mm]
Y [ mm]
Z [ mm]
Gewichtung
Zeit [min]
A5 A1 A3 A2 A6 A4 A7 A8 A9
102,0 097,0 096,5 097,0 096,5 098,5 095,5 100,5 096,0
89,0 98,5 89,0 94,0 97,0 88,5 92,0 88,5 87,5
111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0 111,0
1,03 1,01 0,96 0,95 0,55 0,42 0,38 0,33 0,10
8,5 8,3 7,9 7,8 4,5 3,5 3,1 2,7 0,8
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Abbildung 6 2 1/2D-Darstellung des Filmes, bei der die Dosis über der Filmebene aufgetragen ist.
Längsachse des L-förmigen Probekörpers zu 20 % bis 30 %/ mm bestimmt und ändert sich nur wenig entlang der Längsachse. In das zweidimensionale Bild der Dosisverteilung werden nun die Isodosenkurven, die die 25 %-, 50 %-, 60 %- und 70 %-Isodose repräsentieren, eingetragen. Dies ist in Abbildung 4 rechts dargestellt. Die gleichen Isodosenkurven werden mit dem Bestrahlungsplanungsprogramm be-
Abbildung 7 Überlagerung von Film (experimentelles Resultat – rote Isodosen) und Planung (vom Bestrahlungsplanungssystem berechnet – gelbe Isodosen) für die 25 %-, 50 %-, 60 %- und 70 %-Isodosen.
rechnet und in das CT-Bild des Probekörpers in der Bestrahlungsebene eingetragen (Abb. 4, links). Auf Grund der Markierungen im L-Probekörper, die exakt auf den Film übertragen wurden (Anstechen des Filmes mit einer Nadel durch die vorgegebenen Bohrungen) können die zur Bestrahlungsplanung verwendeten Bilder mit dem Film überlagert werden, nachdem der Maßstab in x- und y-Richtung für beide Bilder identisch gewählt wurde. In Abbildung 7 ist das Planungsbild (die oben genannten Isodosenkurven sind hervorgehoben) mit dem Film, bei dem die gleichen Isodosen eingetragen sind, überlagert. Man beachte die Linienbreite der Isodosenkurven von ca. 0,06 mm. Hellgrau unterlegt ist der L-förmige Probekörper. Aufgrund der Überlagerung kann man feststellen: Die berechneten Isodosenkurven folgen in Form, Lage und Verlauf den gemessenen. Die größte Abweichung beträgt für die 25 %-Isodosenkurven, was der 10-Gy-Isodose entspricht, 0,55 mm. Bei den anderen Isodosenkurven treten die größten Abweichungen in dem Bereich auf, wo die beiden Schenkel des L aufeinandertreffen (Innenknie) mit einem Wert von ca. 0,24 mm sowie an der oberen linken Flanke des L und betragen dort ca. 0,42 mm. Dabei beträgt der Messfehler der obigen Angaben ± 0,05 mm. Die größere Abweichung der 50 %- und 60 %-Isodose im vorderen unteren Bereich des kurzen Schenkels (0,48 mm) rührt von einem sichelförmigen Artefakt (Druckstelle) des Filmes her. Gleiches gilt für die Abweichung der 70 %-Isodose an der vorderen Rundung des kurzen Schenkels (0,3 mm) bedingt durch einen runden Artefakt.
Abbildung 8 Überlagerung (Bestrahlungsplan / gelbe Isodose – Messung / rote Isodose) der für die Läsion konformierenden 75 %-Isodose.
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Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation
Abstand von 5 mm über bzw. 4,5 mm unter der Bestrahlungsebene im Probekörper befestigt. Beide GafChromicTM-Filme wurden ausgewertet und die Isodosen eingetragen, die mit dem Planungssystem für den Filmabstand berechnet wurden. Die Ergebnisse der Überlagerung von Planung und Experiment ist in Abbildung 10 für den 5 mm unterhalb der Zentralebene (links) und für den 4,5 mm oberhalb der Zentralebene gelegenen Film (rechts) gezeigt. Die Überlagerung ist mit Hilfe der vier sichtbaren Zuschnitte der Filme justiert. Diese wurden zum Einpassen der ursprünglich rechteckigen Filme in den runden Probekörper abgeschnitten. Die Maßstäbe von Planung und Film sind angepasst. Bei beiden Filmen ist der Verlauf zwischen berechneter und gemessener Isodosen gleichen Wertes ähnlich. Aus der zur Planung benutzten 75 %Isodose und den geometrischen Abständen ergibt sich der Gradient in z-Richtung einmal zu 66 %/3 mm oder 22 %/ mm und zu 60 %/2,5 mm oder 24 %/ mm. Fehlerbetrachtung
Abbildung 9 Lagefehler der Isodosenkurve auf Grund der Ungenauigkeit der Orts- und Dosisbestimmung (rote Bänder) im Vergleich zur Planung (gelbe Isodosen).
Um die Qualität der Konformität zu überprüfen, wurde eine weitere wie oben beschriebene Überlagerung durchgeführt, bei der die zur Planung benutzte 75 %-Isodosenkurve verglichen wurde. Wie man der Abbildung 8 entnimmt, folgt auch hier die berechnete Isodosenkurve in Form, Lage und Verlauf der gemessenen. Die größte Abweichung liegt an der gleichen Stelle wie bei den anderen und beträgt am oberen Teil ca. 0,3 mm und am Knie ca. 0,64 mm. Die große Abweichung im Bereich der vorderen Rundung des kürzeren Schenkels (ca. 0,72 mm) ist durch den oben beschriebenen Artefakt verursacht. Um eine Aussage bezüglich des Dosisabfalles in zRichtung sowie der Dosisverteilung in Ebenen parallel zur Filmebene machen zu können, wurden zwei Kontrollfilme im
Abbildung 10 Überlagerung von Bestrahlungsplan (gelb) und Messung (rot) für den Kontrollfilm 4,5 mm unter (links) und 5 mm über der Bestrahlungsebene (rechts).
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Wie bereits erwähnt, liegt der Fehler für die Ortsbestimmung des Filmes bei ± 0,05 mm, was die Ortsinformation hinreichend genau macht. Zentralfilm: Die Maßstabsanpassung wurde mit Hilfe mehrere Strecken bekannter Länge durchgeführt. Der Fehler wurde auf ± 1 Pixel abgeschätzt. Die Genauigkeit, mit der die beiden im CT-Bild der Planung sichtbaren Marker mit der entsprechenden Markierung des Filmes überlagert werden können, wurde zu ± 1 Pixel bestimmt. Hierzu wurde die Überlagerung mehrfach durchgeführt und die Abweichung eines definierten Punktes ermittelt. Für die Lage der Isodosenkurven ist die Genauigkeit der Dosisbestimmung von Signifikanz. Unsere Fehlerabschätzung liegt bei ca. 3 % und ist damit mit Literaturwerten für die Filmdosimetrie für GafChromicTM-Filme konform [4, 6, 8]. Um den Einfluss der Messungenauigkeit zu untersuchen, wurden Isodosenbereiche um die jeweilige Isodosenkurven mit den Grenzen von +3 % bzw. –3 % ermittelt. Dieser Bereich wurde um den Fehler der Überlagerung erweitert und gleichfarbig gezeichnet. Mit dem so gewonnenen Bild wurde erneut eine Überlagerung mit den berechneten Isodosenkurven durchgeführt. Das Ergebnis ist in Abbildung 10 zu sehen: innerhalb der Fehler stimmen die berechneten Isodosen mit den gemessenen überein. Kontrollfilme: Der Maßstab wurde mit Hilfe einer im CTBild definierten Strecke auf den der Filme angepasst. Da bei der Überlagerung keine Marker verwendet wurden, ist diese nur auf ca. 1 mm genau durchführbar. Die Dosisbestimmung zwischen 0 und 7 Gy ist im durchgeführten Experiment nicht von der Güte wie im Bereich zwischen 10 und 40 Gy. Zum einen ist die Dosiskalibration in diesem Bereich nicht mit hinreichend vielen Stützstellen abgesichert, zum anderen bewegt man sich bei diesen Dosen in einem Bereich, wo statistische Schwankungen wesentlich zum Fehler der Dosisbestimmung beitragen. Der Fehler wurde auf ca. ± 10 % abgeschätzt. Dies hat Auswirkungen auf die geometrische Lage
Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation
der niedrigen 10 %-Isodose: Eine Änderung der Dosis um 10 % (0,4 Gy) kann eine geometrische Verschiebung um bis zu 5 mm nach sich ziehen.
werden oder besser mit einem Filmstapel dichtgepackter Filme eine 3-D-Dosisverteilung. Ein solches Experiment ist in Vorbereitung. Literatur
Diskussion und Ausblick Vergleicht man die Ergebnisse des Zentralfilmes mit denen von [2] und [5], die mit der Bang-Gel-Methode ermittelt wurden, so sind die deutlich geringeren Abweichungen zwischen den berechneten und gemessenen Isodosenkurven auffällig. Die Genauigkeit der Dosisbestimmung ist bei beiden Messmethoden im Wesentlichen gleich, jedoch ist die Ortsauflösung bei der Verwendung von GafChromicTM-Filmen um mindestens eine Größenordnung besser. Die Verwendung von deutlich kleineren Probekörpern (1 cm im Vergleich zu 5 cm) steht in einem realistischen Größenvergleich mit Risikobereichen und liefert somit experimentell überprüfte Daten zur erreichbaren Genauigkeit. Die maximalen Abweichungn zwischen der geplanten und gemessenen 50 %- und 60 %-Isodose von 0,4 mm stimmt betragsmäßig mit der typischen Auflösung der bei der Radiochirurgie verwendeten MR-Scanner überein. Daraus kann gefolgert werden: Die gefundenen Unsicherheiten von ca. 0,5 mm werden im Wesentlichen durch die Ungenauigkeiten bei der radiologischen Bestimmung des Zielvolumens verursacht. Die anderen Glieder der als Behandlungkette aufgefassten Schritte tragen im Vergleich dazu nur unwesentlich bei. Dies kann insbesondere auch in der Weise interpretiert werden, dass das vorliegende Behandlungsgerät sowie die zugehörige Planungssoftware bei komplexen Zielvolumina tatsächlich Bestrahlungen mit einer Genauigkeit deutlich unter einem Millimeter gestatten.Will man eine quantitative Aussage zum Verlauf von gemessenen Isodosen < 7 Gy machen, so scheint es angebracht, die Methode so weiter zu entwickeln, dass der Fehler bei Dosen von 0–7 Gy deutlich verringert wird. Zur besseren Absicherung der Dosisverteilung in der x-zEbene sollte diese zusätzlich auf gleiche Weise gemessen
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