Campi piccoli: la camera a ionizzazione Pinpoint

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1 GR Liguria Campi piccoli: la camera a ionizzazione Pinpoint Dott. Stefano Agostinelli S.C. Fisica Medica Istituto Nazionale per la Ricerca sul Cancro Seminari di Fisica in Radioterapia Genova, 1 aprile 2011

2 Introduzione 3DCRT convenzionale T interamente coperto dalla regione omogenea dei campi In genere campi medio-grandi ( 4 cm) Radioterapia Stereotassica (SRT) Campi piccoli (< 4 cm) IMRT Sovrapposizione di molti campi (segmenti/beamlet) Dose(P) = i Dose(P;seg i ) P per ogni segmento appartiene: regione di campo aperto in genere piccolo (omogeneo?) regione di penombra regione di trasmissione/diffusione sotto le lamelle

3 Introduzione Trattamento della pelvi su LINAC con IMRT S&S

4 Introduzione Dose(P;seg) penombra

5 Introduzione Dose(P;seg) trasmissione sotto le lamelle

6 Introduzione Dose(P;seg) regione di campo aperto

7 Introduzione SRT e IMRT campi/segmenti piccoli SRT: target piccoli campi piccoli (solitamente regolari) IMRT: sovrapposizione di campi piccoli irregolari importanza regione di penombra SRT: OR spesso molto vicini al target IMRT: la penombra dei segmenti contribuisce alla dose al target Dosimetria per SRT/IMRT Calibrazione dell output (Gy/MU) della macchina Commissioning dell algoritmo di calcolo output factors, OAF e PDD Verifica della distribuzione di dose in fantoccio dose assoluta in uno o più punti rappresentativi distribuzione planare

8 Incorrect beam modeling for IMRT

9 Introduzione Small fields challenges La macchina che devo calibrare può non ammettere le condizioni di riferimento richieste per la dosimetria assoluta Protocollo IAEA TRS-398 o TG-51 Fantoccio ad acqua posto a SSD = 100 cm Campo di irradiazione cm Per alcune macchine è necessario adattare in qualche modo i protocolli dosimetrici esistenti...

10 Introduzione Small fields challenges La dose cambia drasticamente su piccole distanze (mm) Per campi piccoli, a seconda dell energia, non sono più assicurate le condizioni di equilibrio elettronico laterale Il campo può essere così piccolo che la collimazione del fascio ostruisce parzialmente la vista della sorgente di X La FWHM del profilo di dose si allarga Dimensioni e caratteristiche detector? Detector troppo grande per risolvere la penombra? Detector perturba la distribuzione in maniera significativa?

11 IAEA/AAPM Working Group on Small and Composite Field Dosimetry

12 AAPM Task Group No. 155

13 IPEM Report 103 Small Field MV Photon Dosimetry Publication Date 01/12/2010 Edited by: Maria M Aspradakis Preview alcuni contenuti

14 Small fields challenges

15 Small fields challenges

16 Small fields challenges

17 Small fields challenges Dosimetria relativa (OF, OAF e PDD) Detector di piccole dimensioni Necessaria una tecnica di posizionamento accurato Detector non deve perturbare eccessivamente la distribuzione di dose (acqua-equivalente) Camere a ionizzazione mini o micro? Possono essere piccole ma non troppo (es cc) Acqua-equivalenza? Complicata! Pareti (wall) + cavità sensibile + elettrodo centrale

18 Small fields challenges Dosimetria relativa (OF, OAF e PDD) Detector di piccole dimensioni Necessaria una tecnica di posizionamento accurato Detector non deve perturbare eccessivamente la distribuzione di dose (acqua-equivalente) Camere a ionizzazione mini o micro Diodi? Molto piccoli Acqua-equivalenza? NO perchè sono High-Z, ma in pratica...

19 Small fields challenges Dosimetria relativa (OF, OAF e PDD) Detector di piccole dimensioni Necessaria una tecnica di posizionamento accurato Detector non deve perturbare eccessivamente la distribuzione di dose (acqua-equivalente) Camere a ionizzazione mini o micro Diodi MOSFET? Molto piccoli Acqua-equivalenza? Come diodi Ripetibilità? Inoltre richiedono un ciclo di lettura

20 Small fields challenges Dosimetria relativa (OF, OAF e PDD) Detector di piccole dimensioni Necessaria una tecnica di posizionamento accurato Detector non deve perturbare eccessivamente la distribuzione di dose (acqua-equivalente) Camere a ionizzazione mini o micro Diodi MOSFET Pellicole radiocromiche? Altissima risoluzione Acqua-equivalenti Richiedono lettura con scanner dopo un periodo di sviluppo

21 Small fields challenges Dosimetria relativa (OF, OAF e PDD) Detector di piccole dimensioni Necessaria una tecnica di posizionamento accurato Detector non deve perturbare eccessivamente la distribuzione di dose (acqua-equivalente) Camere a ionizzazione mini o micro Diodi MOSFET Pellicole radiocromiche Altri? Rivelatori a diamante, dosimetri a GEL, Montecarlo?

22 Small fields challenges

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24 Small fields challenges Dosimetria assoluta (oggi) Detector piccolo in modo che l intero volume cada in una zona omogenea del campo di irradiazione Camera a ionizzazione mini o micro con cavità ad aria di cui la letteratura abbia valutato le caratteristiche Da considerare (piccola carica raccolta): Leakage Effetto del cavo Effetto polarità Dosimetria assoluta (domani) Protocollo IAEA modificato secondo Alfonso et al.? Microcamere a ionizzazione con cavità liquida? Altri detector? Es. mini-alanina o mini-scintillatori

25 Camera PTW PinPoint PinPoint Introdotta da PTW nel 1997 Microcamera a ionizzazione ad aria di tipo thimble Volume sensibile cc = 2 mm / L = 5 mm Elettrodo centrale in acciaio

26 PinPoint 31006: Martens et al. Martens C, De Wagter C, De Neve W. The value of the PinPoint ion chamber for characterization of small field segments used in intensity-modulated radiotherapy.pmb : Ottima risoluzione spaziale ( < 1 mm vs diamante) Output camera diamante fino a campi cm Sovrarisposta energetica ( elettrodo in acciaio) output aumenta all aumentare della dimensione del campo output aumenta all aumentare della profondità Stem effect fino al 2 %

27 PinPoint 31006: Martens et al. 6 MV PinPoint output vs reference chamber

28 PinPoint 31006: Martens et al. PinPoint output vs reference chamber

29 Camera PTW PinPoint (oggi) Tutte con elettrodo centrale in alluminio 3 differenti modelli introdotti nel (3D chamber): cc = 2.9 mm Lunghezza = 2.9 mm 31015: 0.03 cc = 2.9 mm Lunghezza = 5 mm Modello ad alta risoluzione

30 PinPoint Identica alla ma con elettrodo in Al Volume cc = 2 mm Lunghezza = 5 mm

31 PinPoint Sánchez-Doblado F, Hartmann G H, Pena J, Roselló J V, Russiello G, Gonzalez-Castaño D M. A new method for output factor determination in MLC shaped narrow beams. Physica Medica : th Biennial ESTRO Meeting, Barcelona September

32 Scopo della nostra ricerca Utilizzo della camera per dosimetria assoluta Fattori K s e K pol al variare del campo nel range 2 40 cm Importanza dello stem effect in diverse condizioni di irradiazione Utilizzo della camera per dosimetria relativa Output Factor (2 40 cm) al variare della profondità di misura Profili di dose Curve di dose in profondità (PDD)

33 Materiali e Metodi Acceleratore Varian 2100 C/D Fasci X utilizzati: 6 e 15 MV Fantoccio ad acqua MP3 (SSD = 100 cm) Elettrometri PTW Unidos E e Multidos Camere a ionizzazione PTW PinPoint PTW Semiflex Pellicole Kodak EDR2 lette (risoluzione 172 m) con scanner Vidar a 16 bit

34 Camera di riferimento PTW Semiflex Thimble chamber Elettrodo in alluminio Volume sensibile cc = 5.5 mm Lunghezza = 6.5 mm L output della camera era stato precedentemente validato tramite camera PTW di tipo Farmer

35 Camere a ionizzazione 5.5 mm 2 mm PTW

36 Fattore di ricombinazione Moltiplicazione di cariche

37 Fattore di ricombinazione Moltiplicazione di cariche

38 Fattore di ion collection efficiency Introduciamo il fattore J s (ion collection efficiency), valutato tramite curva di saturazione, che tiene conto sia della ricombinazione sia della moltiplicazione di cariche : Nostri risultati Fascio 6 MV J s = ± Fascio 15 MV J s = ± J s =Q sat / Q 400

39 Fattore di polarità 1,020 1,015 Risultato simile a quanto ottenuto per la Stasi M et al. The behavior of several microionization chambers in small intensity modulated radiotherapy fields. Med. Phys (10): MV 15 MV 1,010 1,005 1,000 K pol 0,995 0,990 0,985 0,980 0,975 0, campo (cm) PinPoint K 10 cm al variare del campo

40 Stem effect 31002: N D,w = Gy/C 31014: N D,w = Gy/C Cable leakage (PTW) C/(Gy cm) Irradiazione del cavo per PinPoint è 10 Importante minimizzare lunghezza cavo irraggiato? Nostra esperienza Effetto importante per 6 MV molto meno per 15 MV Per campi medio-piccoli ( 10 cm) no problem Per campi medio-grandi (> 10 cm) porre attenzione a minimizzare la lunghezza di cavo Se cavo eccessivamente irraggiato errori fino a ~ 5 % per 6 MV

41 Stem effect 6 MV Profili CR campi 5, 10 e 10 cm profondità

42 Stem effect 6 MV ~ 2% < 1 % < 1 % Profili CR campi 5, 10 e 10 cm profondità

43 Stem effect 15 MV Profili CR campi 5, 10 e 10 cm profondità

44 Stem effect 15 MV ~ 1% < 0.5 % Profili CR campi 5, 10 e 10 cm profondità

45 Penumbra improvement Penumbra improvement 1 1,5 mm ~ 1% Profili CR campi 5, 10 e 10 cm profondità

46 Penumbra improvement

47 Penumbra improvement

48 Penumbra improvement

49 Misura di PDD

50 Misura di PDD

51 Misura di Output Factor Esaminati campi quadrati: c: 2, 3, 4, 5, 6, 8, 10, 12, 15, 20, 25, 30, 35 e 40 cm campi collimati da collimatori principali 4 profondità esaminate p: D max, 5, 10 e 20 cm Output Factor (OF) OF(c;p) = lettura(c;p)/lettura(c rif ;p rif ) Normalizzazione Rif: campo 10 a 10 cm di profondità Campo di riferimento rimisurato periodicamente

52 Misura di Output Factor Confronto OF OF PinPoint vs OF Semiflex Relative Response PinPoint RR (c;p) = OF PinPoint (c;p) OF Semiflex (c;p)

53 Fattori di campo 6 MV

54 Fattori di campo 15 MV Equilibrio elettronico. Risultati simili per la ottenuti da: Sauer O A, Wilbert J. Measurement of output factors for small photon beams. Med. Phys (6):

55 31014 vs Sovra-risposta (vs Martens et al.) nettamente diminuita Sovra-risposta dovuta (almeno in parte) allo stem effect

56 Conclusioni Camera PinPoint Alta risoluzione spaziale (0.6 mm vs EDR2) Accurata misura di campi medio-piccoli ( cm) profili e PDD misure di dose assoluta e OF Per campi di medie dimensioni ( 20 cm) Accuratezza entro ~ 1% se si minimizza lo stem effect Per campi grandi (> 20 cm) Porre attenzione allo stem effect (problema minore per 15 MV)

57 Conclusioni Sovra-risposta (vs 31006) nettamente diminuita Elettrodo in alluminio Sovra-risposta almeno in parte dovuta allo stem effect Da valutare connessione con K pol Per un punto sul CAX a 10 cm di profondità per mantenere un livello di accuratezza dello 0.5% 6 MV : campi fino a ~ 15 cm 15 MV: campi fino a ~ 25 cm

58 Conclusioni In generale occorre porre attenzione a Stem effect e irraggiamento del cavo Da valutare soprattutto per campi grandi Fattore di polarizzazione Da valutare la sua dipendenza dalle dimensioni campo e la sua connessione con lo stem effect Fattore di ricombinazione Da valutare perchè vista l alta tensione di polarizzazione e le piccole dimensioni del volume di raccolta si può verificare il fenomeno della moltiplicazione di cariche

59 Conclusioni Stem effect Importante minimizzare sempre la lunghezza di cavo irraggiato Più importante per 6 MV che per 15 MV Per campi 10 cm in genere nessun problema Per campi cm errore ~1% SRT/IMRT in genere campi piccoli OK

60 Grazie per l attenzione! GR Liguria