Einsatz eines zweidimensionalen Ionisationskammer-Arrays zur Qualitätssicherung an medizinischen Linearbeschleunigern

ORIGINALARBEIT

Einsatz eines zweidimensionalen IonisationskammerArrays zur Qualitätssicherung an medizinischen Linearbeschleunigern Björn Poppe1, Paghmon Mehran2, Ralf Kollhoff1, Antje Rubach1 Klinik für Strahlentherapie und Onkologie, Pius-Hospital Oldenburg 2 Carl-von-Ossietzky-Universität Oldenburg

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Zusammenfassung Zweidimensionale dosimetrische Messverfahren nehmen eine wichtige Stellung innerhalb der Qualitätssicherung moderner Bestrahlungstechniken wie der IMRT ein. Übliche Techniken beruhen meist auf der Verwendung des Films oder eines Halbleiterarrays als Dosimeter. In diesem Beitrag werden Erfahrungen mit einem zweidimensionalen Ionisationskammer-Array beschrieben. Die hier vorgestellten Methoden erlauben den Einsatz des Arrays in einem täglichen Konstanzcheck des Beschleunigers. Weiterhin wird gezeigt, dass es möglich ist, die Positionierung der einzelnen Lamellen des Multi-Leaf-Kollimators im Bereich von 1 mm auf ihre Kalibrierung zu überprüfen. Eine entsprechende Messvorschrift wird eingeführt und diskutiert. Schlüsselwörter: Zweidimensionale Dosimetrie, Qualitätssicherung, IMRT Abstract Two-dimensional dosimetry measurements are an important tool of Quality Assurance in modern radiotherapy techniques, such as the Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT). Common procedures are usually based on the use of films or semiconductor arrays as dosimeters. This paper presents our experience with a two-dimensional ionization-chamber array. The methods presented here allow the daily use of the array for a constancy check of the accelerator. It is also shown that the position of the individual leafs of the multi-leaf collimator (MLC) can be verified to within ± 1 mm of their calibration. A procedure for the measurements is described and discussed. Keywords: Two dimensional dosimetry, quality assurance, IMRT

Einleitung Eines der wichtigsten Ziele der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (intensity modulated radiation therapy, IMRT) ist eine Dosiseskalation innerhalb des Zielvolumens bei gleichzeitiger Erniedrigung der Belastung von Risikoorganen [1,13]. Dies wird durch die freie Gestaltung des Intensitätsprofils der Photonenstrahlung realisiert, wobei die angestrebte Modulation durch verschiedene Methoden erreicht werden kann [1,2,6,11]. Die im Moment wohl populärsten Methoden machen sich die frei wählbare Feldrandbegrenzung durch Multi-Leaf-Kollimatoren (MLC) zunutze. Dabei kann entweder nach dynamischen oder statischen Methoden vorgegangen werden. Für letztere Verfahren hat sich der Begriff „Step-and-Shoot“ durchgesetzt. Wegen der sukzessiven

Z. Med. Phys. 13 (2003) 115–122 © Urban & Fischer Verlag http://www.urbanfischer.de/journals/zmedphys

Bestrahlung einzelner Feldsegmente kann diese Methode einfacher visualisiert und verifiziert werden. Auch ist die dosimetrische Erfassung bei statischen Feldern einfacher als bei dynamischen, bei der das Dosisprofil durch Bewegung aller Leafs während der Bestrahlung generiert wird. Eine messtechnisch nur schwer zu lösende Aufgabe ist die Verifikation von IMRT-Bestrahlungsplänen. Üblicherweise wird hierfür entweder der Integralplan dosimetrisch überprüft oder eine Verifizierung der berechneten Fluenzmatrizen für die verwendeten Gantry-Positionen durchgeführt [1,10,13]. Weder eine Sonde im Phantom noch ein lineares Array von Messsonden sind ausreichend um ein IMRT-Feld zu prüfen, so dass man eine zwei- oder sogar dreidimensionale Messmethode benötigt. Zum Teil werden hierfür Diodenarrays [12], Filme [1,10,13], Fricke- bzw. Polyacrylamid-Gel [3,4]

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oder Electronic Portal Imaging (EPID)-Systeme [5,13] verwendet. Ferner werden für die IMRT erhöhte Ansprüche an die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der applizierten Felder gestellt [6,13]. Der Linearbeschleuniger selber verfügt über integrierte Messkammern, die sowohl die Dosis, die Dosisleistung wie auch die „Flatness“ und „Symmetrie“ des Strahls oberhalb der MLC prüfen. Für die IMRT ist eine detailliertere Prüfung des applizierten Feldes hinter den Blenden (MLCs) wichtig, was eine Messkammer mit hoher Auflösung im Bereich des Accessoryhalters für die laufende Feldkontrolle notwendig machen würde. Für die sichere Anwendung der IMRT werden an den Beschleuniger erhöhte Konstanzanforderungen gestellt. Neben den üblichen Kriterien, wie Dosisstabilität oder Feldhomogenität und Symmetrie, kommen hier jedoch strengere Kriterien für Parameter wie etwa die Dosislinearität in Abhängigkeit der Monitor-Einheiten und das Verhalten in der Einschwingphase des Beschleunigers hinzu [13]. Eine herausragende Stellung nimmt die Überprüfung der MLC-Kalibrierung ein. Lo Sasso et al. [6] zeigten, dass in Abhängigkeit von der Feldgröße der zu erwartende Fehler bei konstanter Fehlpositionierung eines MLC mit abnehmender Feldgröße stark ansteigt. So erwartet man bei einem 1 × 1 cm2 großen Feld und einer Fehlpositionierung um etwa 1mm einen dosimetrischen Fehler von etwa 10 %. Die regelmäßige Kontrolle der Positionierung einzelner Lamellen des MLC ist daher ein wesentlicher Bestandteil eines Qualitätssicherungsprogrammes für die IMRT. Übliche Methoden beruhen auf der sequentiellen Bestrahlung von Filmen mit definierten Feldgeometrien, die dann elektronisch ausgewertet werden [13]. In diesem Beitrag sollen Verfahren vorgestellt werden, welche die Anwendungsmöglichkeiten eines zweidimensionalen Ionisationskammer-Arrays innerhalb eines Qualitätssicherungsprogrammes für die IMRT demonstrieren. Das prinzipielle Verhalten des Arrays in Bezug auf Homogenität, Dosisstabilität und relative Dosisverteilung wurden von den Autoren vorgestellt und diskutiert [7–9]. Im ersten Teil (Beam-Check) werden Messvorschriften präsentiert, die im Rahmen eines täglichen Checks durchgeführt werden können. Aus einer Messung können dabei die Abweichung der Dosis auf der Zentralstrahlachse, die Flatness und Symmetrie und eine zweidimensionale Visualisierung der relativen Abweichung zu einer Referenzmessung bestimmt werden. Darüber hinaus kann aus der gleichen Messung eine schnelle Aussage über die Genauigkeit der Lichtfeld-Strahlenfeld-Kongruenz und die korrekte Positionierung des Laserkreuzes gewonnen werden. Wie oben diskutiert ist eine genaue Kontrolle der MLCPositionierungsgenauigkeit von essentieller Bedeutung für eine sichere Anwendung der IMRT. Aus diesem Grunde wird ein Verfahren zur dosimetrischen Kontrolle der MLC-Kalibrierung mit dem 2D-Array vorgestellt, das im Rahmen eines QA-Programms des MLC anzuwenden ist (MLC-Check).

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Material und Methoden Aufbau des Arrays Das hier benutzte zweidimensionale Array (2D-Array, PTW Physikalisch Technische Werkstätten, Freiburg) besteht aus 256 luftgefüllten Ionisationskammern, die zu einer 16 × 16Matrix angeordnet sind. Die Detektoren haben eine Größe von 8 mm × 8 mm × 5 mm und decken eine Feldgröße von 26 cm × 26 cm ab. Zur Zeit befinden sich 2 Typen des 2D-Arrays mit unterschiedlichen Elektrodenmaterialen (Typ 1: Metall, Typ 2: Graphit) auf dem Markt. Zwischen den einzelnen Detektoren befindet sich ein PMMA-Steg derselben Breite. Durch diesen Steg wird der Beitrag von gestreuten Elektronen am Messsignal, die nicht unmittelbar senkrecht über einem Detektor erzeugt wurden, den Verhältnissen in realen Geweben angepasst. Zu beachten ist, dass der 1. Typ des 2D-Arrays aufgrund seiner Metall-Elektroden eine erhöhte Empfindlichkeit auf niederenergetische Streustrahlung aufweist. Diese Komponente der Strahlung führt zu einer Überbewertung der an den Elektroden des Arrays ausgelösten Photoelektronen und bewirkt beispielsweise eine zu starke Feldgrößenabhängigkeit des Outputfaktors [8]. Der Effekt kann durch einer Verringerung des Streuzusatzes ausgeglichen werden. So ergeben sich für eine Messung in RW3 mit 10 cm Rückstreumaterial und Vorschaltdicken von 5 bzw. 10 cm die korrekten Messwerte, wenn alle hinter dem Array angeordneten RW3-Platten bis auf eine 12 mm dicke PMMA-Tischplatte weggelassen und die Messtiefen auf 3,5 bzw. 7 cm vermindert werden. Die von uns somit gefundenen „äquivalenten Streubedingungen“ [8] ermöglichen eine korrekte Messung von Dosisprofilen mit beiden Typen des 2D-Arrays. Abbildung 1 zeigt Untersu-

Abbildung 1 Verifikation eines virtuellen Keils mit verschiedenen Typen des 2D-Arrays (Typ 1: Metall-Elektroden, Typ 2: Graphit-Elektroden) im Vergleich zu der mit einem Bestrahlungsplanungssystem berechneten Dosisverteilung (TPS).

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chungen zur Verifikation einer keilförmigen Dosisverteilung mit beiden Typen des 2D-Arrays und dem Bestrahlungsplanungssystem (MDS Nordion bzw. Nukletron, TMS 6.0.1). Deutlich zu erkennen sind die durch mangelnden Streustrahlungsausgleich auftretenden Abweichungen bei Messungen unter normalen Streubedingungen mit dem 1. Typen. Die im Folgenden beschriebenen Verfahren zur Qualitätssicherung wurden mit beiden Typen getestet. Die präsentierten Resultate ergeben sich aus den Messungen mit dem 1. Typen des 2D-Arrays. Alle Untersuchungen wurden an einem Linearbeschleuniger mit MLC (Primus, Siemens Medical Systems, Concord, CA, USA) durchgeführt. Schreibweise und Abkürzungen →

Allgemein wird mit M die Messwertematrix einer beliebigen Messung mit dem 2D-Array bezeichnet. Die Größe M(r,c) repräsentiert somit den Messwert der Kammer in der Reihe r und Spalte c. Beam-Checks Messaufbau Die Ausrichtung für den Beam-Check erfolgt nach dem Laserkreuz des Linearbeschleunigers auf die Anzeichnung „Beam-Check“ (Abb. 2, rote Markierung). Die Oberfläche des Arrays befindet sich dabei in SSD 100 cm, wird also auf den Höhenlaser ausgerichtet. Die hier verwendete Feldgröße

ist 16 × 16 cm (Abb. 2, gelbe Markierung). Alle Messungen sind mit 4 cm PMMA als Aufbaumaterial und 1,5 cm PMMA als Rückstreumaterial (Tischplatte) durchgeführt. Bestrahlt wurde mit zwei Photonenenergien mit einer Grenzenergie von 6 MV und 15 MV mit jeweils 50 mu (ca. 0,5 Gy). Abbildung 2 führt zusätzlich die in dieser Arbeit gewählte Nomenklatur verschiedener Größen ein. Die Abkürzungen x und y werden im Folgenden für den Multi-Leaf-Kollimator des Beschleunigers (x1 bzw. x2 MLC-Bank des Beschleunigers, sowie y1 und y2- Blende) verwendet. Zur Abgrenzung werden die Kammern des Arrays innerhalb einer Reihe (row) mit r und einer Zeile (column) mit c abgekürzt. Aufnahme von Referenzwerten Das hier vorgestellte Messprogramm beruht auf der Konstanzprüfung der zu untersuchenden Eigenschaften des Beschleunigers. Aufgenommene Messwerte werden dabei mit zuvor ermittelten Referenzwerten verglichen und bei Überschreiten einer Toleranzgrenze eine Warnung ausgegeben. Zur Aufnahme der Referenzwerte müssen folgende Messungen für jede zu untersuchende Energie durchgeführt werden: 1. 16 × 16 cm2-Feld, 50 mu als Referenz für tägliche dosimetrische Checks, 2. 16,2 × 16,2 cm2 (+1 mm Fehler in alle Richtungen) und 15,8 × 15,8 cm2 (–1mm Fehler in alle Richtungen) als maximale Fehlertoleranz zur Überprüfung der Feldgeometrie. Die nach Luftdruck und Temperatur korrigierten Matrizen → der Referenzmessungen sollen im Folgenden als R bzw. → → R +1mm und R -1mm bezeichnet werden. Abweichung des Messwertes auf der Zentralstrahlachse Die Abweichung des Messwertes auf der Zentralstrahlachse ΔCax berechnet sich nach: ΔCax = M ( 7 , 7 ) / R ( 7 , 7 ) ⋅ 100 – 100

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Differenz der normierten Verteilung zur Referenzmessung Die Berechnung erfolgt in zwei Schritten: Zunächst werden → → für die Matrix M der Messwerte und→der Referenzwerte R die → relativen Verteilungen M norm bzw. R norm normiert auf den jeweiligen Wert der Zentralstrahlkammer M(7,7) bzw. R(7,7) → berechnet. Die Differenzmatrix D gibt dann die Abweichung zwischen den normierten Verteilungen der einzelnen Kammern an: D ( c,r ) = M norm ( c,r ) – R norm ( c,r )

Abbildung 2 Ausrichtung des 2D-Arrays für den BeamCheck. Rot: Angebrachte Markierung für die Ausrichtung beim Tagescheck, gelb: Projektion des verwendeten Feldes. Dargestellt sind ebenfalls die für den Bericht gewählte Nummerierung der einzelnen Kammern des Arrays sowie die Codierung der Zentralstrahlkammer.

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Flatness und Symmetrie Die Flatness F kann z. B. nach IEC-Norm 976 berechnet werden: r r F = 100 ⋅ max( M flat ) ÷ min( M flat ) (3) →

→

Die Größen max(M flat) bzw. min(M flat) kennzeichnen dabei den maximalen bzw. minimalen gemessenen Wert innerhalb des „flattened areas“. Die Symmetrie in X- bzw. in Y-Richtung (SymY bzw. SymX) werden, wie zuvor die Flatness, nach IEC berechnet.

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Sie ermittelt sich als maximaler Quotient zwischen zwei Punkten gleichen Abstandes zur Zentralstrahlachse. Auflösungsvermögen am Feldrand Für eine Verifikation der Feldform ist die Reproduzierbarkeit eines Bestrahlungsfeldes von besonderer Bedeutung. Dabei sollten selbst kleine Änderungen von der Messeinrichtung detektiert werden können. Eine wichtige Rolle spielen dabei die Kammern, die am Feldrand liegen, da diese sensitiv auf kleine Änderungen der Feldform mit Unterschieden in der akkumulierten Dosis reagieren sollten. Das Prinzip einer systematischen Untersuchung zeigt Abbildung 3. Ausgehend von einer Blendenposition, die genau zwischen zwei Kammern liegt, wird die Blende in 2-mm-Schritten verfahren. Der aufgenommene Messwert der Ionisationskammern am Feldrand ist dabei von der Blendenposition abhängig und kann für jeden der Schritte eindeutig zugeordnet werden (Abb. 3) Überprüfung der Blenden/MLC-Kalibrierung im Beam-Check Hierfür vergleiche man die aktuellen normierten Messwerte der Kammern am Feldrand mit den dazugehörigen normierten Referenzwerten (Rnorm(c,r) bzw. Rnorm+1 mm(c,r) und R norm–1 mm(c,r)). Liegen die normierten Messwerte einer Kammer M norm(c,r) zwischen denen von Rnorm+1 mm(c,r) und Rnorm–1 mm(c,r) so kann man von einer korrekten Lage der Blende bzw. des MLC ausgehen. MLC-Check Messaufbau Zur Kontrolle der MLC-Kalibrierung mit Hilfe des 2D-Arrays erfolgt der Aufbau in SSD 80. In diesem projizieren sich

Abbildung 3 Links: Prinzipieller Versuchsablauf zur Bestimmung des Auflösungsvermögens am Feldrand. Dargestellt ist ein Ausschnitt einer beliebigen Reihe Kammern (Nummer 4–9) des Arrays. Wird eine Blende oder Lamelle über eine Kammer bewegt (hier Kammer Nr. 5, Abbildung oben und unten) so variiert der akkumulierte Messwert in dieser Kammer. Rechts: Dosisverlauf über den Kammern 4, 5 und 6 für verschiedene Blendenpositionen nach der linken Abbildung.

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die Leafs des Beschleunigers gerade auf je eine Kammerreihe. Bei Beschleunigern des verwendeten Typs sind pro MLC-Bank 29 Leafs zu überprüfen. Da das 2D-Array insgesamt 16 × 16 Kammern aufweist, können maximal 16 MLCs einer Bank überprüft werden. Man benötigt also 2 Messpositionen des Arrays. Die Ausrichtung zeigt Abbildung 4. Zum weiteren Vorgehen betrachte man die Anordnung zur Überprüfung der Lamellen mit gerader Nummer. Ausgehend von einem „Startfeld“ (alle MLC maximal geöffnet) werden für sämtliche dieser „geraden“ MLCs nacheinander die Positionen –10 cm, –8 cm, –4 cm, 0 cm, 4 cm, 8 cm und 10 cm angefahren. Die Positionen wurden gewählt, da sich spätere Feldsequenzen einer intensitätsmodulierten Bestrahlung meist in diesem Feldgrößenbereich bewegen. Man erhält also Messwerte an 7 Positionen für jede Lamelle. Insgesamt müssen also 28 Messungen plus 2 Messungen (offen vor jeder Positionsänderung) durchgeführt werden. Die offenen Messungen werden zur Normierung der Messwerte einer Serie benötigt. Da das Array nur einmal neu positioniert werden muss, lassen sich somit zwei Sequenzen definieren, die dann automatisch abgestrahlt werden können. Hierdurch wird bei einer Bestrahlung von 20 mu pro Subfeld eine annehmbare Bestrahlungszeit erreicht. Wie schon bei den Beam-Checks ist auch bei der Überprüfung der MLC-Kalibrierung ein Vergleich zu Referenzwerten nötig. Ausgehend von einem kalibrierten MLC werden dann Sollwerte der jeweiligen Positionen aufgenommen und gespeichert. Weiterhin werden Werte für die gewünschten Eingreifintervalle ermittelt. Für die Position „alle geraden MLC auf 10 cm“ werden beispielsweise bei einem Eingreifintervall von 1mm noch die Positionen 9,9 cm und 10,1 cm gemessen.

Abbildung 4 Anordnungen zur Überprüfung der MLC-Positionierung der x1-Bank für den Siemens Multileaf-Kollimator (MLC-Check). Rote Linie: Position des Lasers. Links: Überprüfung der Lamellen mit ungerader Nummer an der Position „10 cm“. Rechts: Überprüfung der MLC mit gerader Nummer an gleicher Position. Die Überprüfung der x2Bank wird mit der gleichen Positionierung des Arrays durchgeführt.

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Für die Beurteilung der korrekten Position der Lamellen werden jeweils die Kammern verwendet, die gerade durch die Ränder der einzelnen Lamelle halb verdeckt sind. Als Beispiel betrachte man Leaf Nr. 16 der x1-Bank an der Stelle 10 cm und die dazugehörigen normierten Messwerte M norm Leaf 16,x1,10.0 cm(2,7). Aus Abbildung 4 ergibt sich, dass für diesen Fall die Messkammer mit den Indizes (2,7) analysiert werden muss. Zu prüfen ist daher : norm norm norm RLeaf 16, x 1,10.1 cm (2 ,7) > M Leaf 16, x 1,10.0 cm (2 ,7) > RLeaf 16, x 1, 9.9 cm (2 ,7) (4) Ungl. 4 muss für jede Prüfbedingung erfüllt werden. Insgesamt werden pro Lamelle 7 Positionen geprüft. Der verwendete MLC besteht aus 29 Lamellen pro Bank, wonach man dementsprechend 203 Ungleichungen pro MLC-Bank prüft. Werden verschiedene Bedingungen nicht erfüllt, so weist eine Warnmeldung auf das Verletzen der jeweiligen Ungleichung hin.

Ergebnisse Beam-Check Abbildung 5 zeigt ein Beispiel des Verlaufes der Dosis in der Zentralstrahlkammer über 10 Tage für 6-MV-Photonenergie. Vor Beginn der Messreihe wurde eine absolutdosimetrische Kalibrierung des Beschleunigers durchgeführt. In dieser Zeit konnte sowohl mit dem 2D-Array als auch mit der parallel gemessenen QC-6Plus (Quick-Check Platte, PTW) ein weitgehend kontinuierlicher Anstieg der Dosis des Beschleunigers um 1,5 % nachgewiesen werden, die eine erneute Kalibirierung des Monitorsystems des Beschleunigers zur Folge hatte. Die beiden Kalibrierungen sind ebenfalls in Abbildung 5 gekennzeichnet. Die Abweichung der beiden Messmethoden erklärt sich durch Positionierungsungenauigkeiten.

Abbildung 5 Beam-Check: Abweichung der Dosis auf der Zentralstrahlachse des 2D-Arrays im Vergleich mit Messungen der QC-6Plus-Quick-Checkplatte für 6 MV. Eingekreist: Messwerte nach einer absolutdosimetrischen Kalibrierung des Beschleunigers.

Abbildung 6 Beam-Check: Flatness, 15 MV. Abbildung 6 zeigt die gemessene Flatness (15 MV) über etwa drei Wochen. Eine maximale Schwankung von etwa 2 % konnte im Beobachtungszeitraum ermittelt werden. Abbildung 7 zeigt als Beispiel die im gleichen Zeitraum wie Abbildung 6 ermittelte Symmetrie in x-Richtung (15 MV). Den Grafiken kann man entnehmen, dass keine nennenswerten Abweichungen auftraten. → Mit der Matrix D lassen sich schnelle Aussagen über die Feldform machen, die keiner weiteren direkten Analyse bedürfen. Als Beispiele finden sich in der Abbildung 8 die zu er→ wartenden graphischen Darstellungen von D für ein korrekt positioniertes, ein in-plane verschobenes und ein verdrehtes Bestrahlungsfeld. Die kleinen Abweichungen im linken Bild von Abbildung 8 lassen sich auf die Schwankungen der einzelnen Lamellen des MLC zurückführen. Abbildung 9 zeigt Darstellungen zur Überprüfung der Strahlenfeldgröße und korrekten Positionierung der MLC bzw. Blockblenden. Aufgetragen sind jeweils die relativen Messwerte nach Gl. (3) gegenüber der jeweiligen Kammernummer. Als gestrichelte Linie erkennt man die Werte Rnorm+1 mm(c,r)und Rnorm–1 mm(c,r). Eine korrekte Positionierung des Arrays vorausgesetzt, kann man von einer ausrei-

Abbildung 7 Beam-Check: Symmetrie in x-Richtung, 15 MV.

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Abbildung 8 Beam-Check, oben: Anordnungen zur Illustration der Überprüfung von Licht/Strahlenfeld bzw. einfacher MLC-Kalibrierung. Von links nach rechts: korrekte Anordnung des Feldes, Verschiebung in inplane Richtung, Verdrehung des Kollimators. Unten: zur oberen Reihe gehörende Darstellungen der Diffe→ renzmatrix D .

chenden Kalibrierung der Blenden und der MLC ausgehen, wenn die aktuellen Messwerte (durchgezogene Linie mit Kästchen) innerhalb des durch Rnorm+1 mm(c,r) und Rnorm-1 mm(c,r) aufgespannten Intervalls liegen. Im dargestellten Beispiel ist dies der Fall. Eine offensichtlich inkorrekte Positionierung des Feldes ist in Abbildung 10 dargestellt. Das Beispiel zeigt eine Verdrehung des Bestrahlungsfeldes durch Kollimatordrehung um 1°. MLC-Check Als konkretes Beispiel sollen die Konstanzchecks der Lamellen der x1-Bank mit ungerader Nummerierung an der Posi-

tion 10 cm verglichen werden (Abb. 4, links). Abbildung 11 zeigt ein Beispiel für die Überprüfung der MLC-Position. Die zuvor aufgenommenen Referenzwerte sind ebenfalls dargestellt. Deutlich zu erkennen ist die korrekte Positionierung aller MLC innerhalb des 1 mm-Intervalls. In Abbildung 12 ist ein stark fehlpositionierter MLC dargestellt. Für dieses Beispiel wurden bewusst einige Lamellen um bis zu 2 mm fehlpositioniert. Abbildung 13 zeigt ein weiteres Beispiel für eine detektierte Abweichung, die jedoch nicht von den MLCs ausging. Zu beobachten ist eine Verschiebung aller MLC um etwa 1 mm. Da man normalerweise die Fehlpositionierung einzelner MLC und nicht einer ganzen MLC-Bank erwarten würde,

Abbildung 9 Beam-Check: Korrekte Positionierung der MLC und y-Blenden (nach Abbildung 8 oben, links).

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Abbildung 10 Beam-Check: Verdrehung des Kollimators um 1 Grad (nach Abbildung 8 oben, rechts).

Abbildung 11 MLC-Check: Korrekte Positionierung der MLCs innerhalb des Referenzintervalls (dargestellt durch die beiden äußeren gepunkteten Linien). Mittlere gepunktete Linie: Sollwert bei der Referenzmessung. Gestrichelte Linien: zusätzliches 2-mm-Fehlerintervall. Durchgezogene Linie: Messwerte.

Abbildung 13 MLC-Check: Verschiebung der Messwerte aufgrund der Fehlpositionierung eines Lasers. lag die Vermutung nahe, der Fehler könnte eine andere Ursache haben. Die Abweichung der Messwerte vom Referenzwert wurde in diesem Fall durch eine fehlerhafte Justage eines Lasers verursacht. Dies bewirkte bei der Ausrichtung des Arrays eine Verschiebung senkrecht zur Gun-Target (inplane) Richtung um etwa 1 mm.

Diskussion und Ausblick

Abbildung 12 MLC-Check: Fehlpositionierte MLC.

Die hier vorgestellten Verfahren ermöglichen einen schnellen und effektiven Einsatz des 2D-Arrays für die tägliche Konstanzkontrolle eines Linearbeschleunigers. Der Vorteil gegenüber üblichen Methoden (einzelne Ionisationskammern oder Linienarrays) liegt in der simultanen Erfassung des gesamten Bestrahlungsfeldes mit einer Messung. Die Parameter, die sich daraus berechnen lassen, geben einen schnellen Überblick über die Beschaffenheit des Bestrahlungsfeldes,

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der mit den herkömmlichen Methoden nicht einfach zu erreichen ist. Dies scheint aber umso wichtiger, da mit der Einführung der IMRT ein größerer Sicherheitsanspruch an die korrekte Arbeitsweise des Beschleunigers gestellt werden muss. Die vorgestellten Ergebnisse zur Abweichung der Dosis auf der Zentralstrahlachse, der Flatness und Symmetrie sowie der Positioniergenauigkeit der Blenden decken somit mit einer Messung die wichtigsten Parameter ab. Die für die IMRT besonders wichtige Überprüfung der Genauigkeit der MLC-Positionierung kann an einer Position durchgeführt werden. Der erhöhte Anspruch an die Präzision in der IMRT äußert sich insbesondere in der Genauigkeit der MLC-Kalibrierung und den zur Überprüfung benötigten sensitiven Messverfahren. Die hier vorgestellte Methodik zur automatisierten, sukzessiven Überprüfung der MLC-Positionierung ermöglicht prinzipiell eine Kontrolle im Submillimeter-Bereich, da die Dosisänderung bei Verschiebung einer Blende über einer Ionisationskammer kontinuierlich ist. Limitierend sind hierbei jedoch die Positionierungsgenauigkeit des Arrays durch den Anwender und die intrinsische Positionierungsgenauigkeit des Beschleunigers. Eigene Messungen haben eine Reproduzierbarkeit der MLC-Positionierung des Beschleunigers im Bereich von etwa 0,3 mm bei kalibrierten MLC ergeben. Für die Positionierungsgenauigkeit durch den trainierten Anwender konnten etwa 0,5 mm erreicht werden. Im „Worst-case“-Szenario ergibt sich also eine untere Grenze von etwa 0,8 mm. Abweichungen in der MLC-Kalibrierung, die größer als diese Grenze sind, lassen sich somit nachweisen. Die genaue Positionierung des Arrays ist dabei jedoch ein zeitaufwendiger Faktor. Zukünftige Arbeiten beschäftigen sich mit einer einfacheren und genaueren Ausrichtung, z. B. mit Hilfe einer mechanischen Positionierhilfe. Eine weitere, womöglich noch wichtigere Anwendungsmöglichkeit besteht in der Verifikation von zweidimensionalen intensitätsmodulierten Photonen-Fluenzverteilungen, die zuvor im Planungssystem generiert wurden. Zur Überprüfung werden die ursprünglich an den Schnittbildern des Patienten berechneten Dosisverteilungen in einem 3D-Modell des Messaufbaus erneut berechnet. Dieses Modell kann beispielsweise durch Anfertigung eines Computertomogramms der gesamten Messanordnung inklusive des 2D-Arrays generiert werden. Nach Berechnung der Dosisverteilung kann als erste grobe Näherung über Mittelwertbildung der Dosis aller Rechenpunkte innerhalb einer Ionisationskammer eine Abschätzung für den zu erwartenden Messwert gewonnen werden. Mit dieser Methode konnten berechnete Dosisverteilungen für keilförmige und einfache intensitätsmodulierte Dosisverteilungen mit ausreichender Genauigkeit mit Messungen verglichen werden (s. auch Abb. 1). Aufgrund des zunächst limitierend erscheinenden Ortsauflösungsvermögens und der speziellen physikalischen Eigenschaften des 2D-Arrays bedarf es hier jedoch eingehenderer Untersuchungen, deren erste Ergebnisse in weiteren Arbeiten diskutiert

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worden sind [7–9] und Gegenstand weiterer intensiver Untersuchungen sein werden. Danksagung Unserer besonderer Dank gilt Herrn Prof. em. Dr. D. Harder für seinen unermüdlichen Einsatz und seine fruchtbaren Ideen. Herrn Dr. Schüle (Physikalisch-Technische Werkstätten, Freiburg) sei für die Leihgabe des 2D-Arrays und die Unterstützung des Projektes gedankt. Literatur 0[1] Bortfeld, T., Boyer, A.L., Schlegel, W., Kahler, D.L., Waldron, T.J.: Realization and verification of three-dimensional conformal radiotherapy with modulated fields. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 30 (1999) 899–908 0[2] Chui, C.C., Chan, M.F., Yorke, E., Spirou, S., Ling, C.: Delivery of intensity-modulated radiation therapy with a conventional multileaf collimator:comparison of dynamic and segemental methods. Med. Phys. 28(2001) 2441–2449 0[3] De Deene Y.: Gel dosimetry for the dose verification of Intensity Modulated Radiotherapy Treatments. Z. Med. Phys.12(2002) 77–87 0[4] Ibbott, G. S., Maryanski, M.J., Eastman, P.J., Holcomb, S.D., Zhang, R., Avison, R.G., Sanders, M., Gore, J.C.: Three-dimensional visualization and measurement of conformal dose distributions using magnetig resonance imaging of BANG polymer gel dosimeters. Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 38 (1997) 1097–1103 0[5] Hesse, B. M., Spies, L., Groth, B.A.: Tomotherapeutic portal imaging for radiation treatment verification. Phys. Med. Biol. 43 (1998) 3607–3616 0[6] Lo Sasso, Th., Chui, C.S., Ling, C.C.: Physical and dosimetric aspects of a multileaf collimation system used in the dynamic mode for implementating intensity modulated radiotherapy. Med.Phys. 25 (1998) 1919–1927 0[7] Poppe, B., Kollhoff, R., Rubach, A.: Erste Erfahrungen mit einem zweidimensionalen Ionisationskammer-Array. In: Welker und Zink (Hrsg.): Medizinische Physik 209–210, Berlin 2001 0[8] Poppe, B., Djouguela, A., Kollhoff, R., Rubach, A., Harder, D.: Korrekte Messung von Outputfaktoren und Dosisprofilen mit einem 2D-Array. In: Mandl, H. (Hrsg.): Medizinische Physik 2002, ISBN: 3-925218-75-0 0[9] Poppe, B., Lemke, M., Djouguela, A., Kollhoff, R., Rubach, A., Harder, D.: Zur Wiedergabe des niederenergetischen Dosisanteils der Streustrahlung durch Einzel-Detektoren und ein zweidimensionales Ionisationskammer-Array. In Mandl, H. (Hrsg.): Medizinische Physik 2002, ISBN: 3-925218-75-0 [10] Rhein, B., Häring, P., Debus, J., Schlegel, W.: Dosimetrische Verifikation von IMRT-Gesamtplänen am Deutschen Krebsforschungszentrum, Z. Med. Physik, 12(2002), 122–132 [11] Schlegel, W., Kneschaurek P.: Inverse Bestrahlungsplanung. Strahlenther. Onkol. 175 (1999)197–207 [12] Watts, R. J.: Evaluation of a diode detector array for use as a linear accelerator QC device. Med. Phys. 25 (1999), 247–250 [13] Webb, S.: Intensity-Modulated Radiation Therapy. IoP Publishing Ltd., Bristol 2001 Eingegangen am 20. 08. 2002; zum Druck angenommen am 11. 03. 2003. Korrespondenzanschrift: Dr. rer. nat. Björn Poppe Klinik für Strahlentherapie und Onkologie AG Medizinische Physik Pius-Hospital Georgstraße 12 D-26121 Oldenburg e-mail: [email protected] Web: www.uni-oldenburg.de/medical-radiation-physics