Dozymetria i kontrola jakości skanującej wiązki protonowej na stanowisku gantry

Abstract

Zastosowanie ołówkowych wiązek skanujących (ang. Pencil Beam Scanning, PBS) umożliwiło praktyczną realizację radioterapii protonowej o modulowanej intensywności, co znacznie rozszerzyło możliwości leczenia wiązkami protonowymi. Wprowadzenie nowej techniki pociągnęło za sobą konieczność zastosowania nowych metod dozymetrii i kontroli jakości. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki prac eksperymentalnych i obliczeniowych obejmujących w szczególności pomiary dawki głębokiej wiązki ołówkowej, kontrolę zasięgu wiązki oraz opracowanie fantomu dla kompleksowej kontroli jakości stanowiska terapii. Systemy planowania leczenia (TPS), bazujące na modelach analitycznych wiązki ołówkowej, wymagają wprowadzenia w fazie konfiguracji wartości integralnych dawek głębokich (ang. Integral Depth Dose, IDD), które reprezentują całkowitą energię deponowaną przez wiązkę ołówkową i produkty jej oddziaływań w wodzie. Dedykowane do pomiaru IDD płasko-równoległe komory jonizacyjne Bragg Peak Chamber (BPC, r = 4 cm) i Stingray (r = 6 cm) nie obejmują całego przekroju rozproszonej wiązki. Za pomocą symulacji Monte Carlo transportu wiązki ołówkowej dla energii w zakresie 70 – 226 MeV wyznaczono wydajność geometryczną komór jonizacyjnych (εg), która reprezentuje frakcję całkowitej energii przekazanej komorze o promieniu r w stosunku do energii przekazanej hipotetycznej komorze o nieskończonym promienieniu. Wykazano, że wartości εg zmieniają się wraz z energią wiązki protonowej i z głębokością. Najmniejsze wartości εg = 93,2% i εg = 96,2% wyznaczono dla energii 226 MeV na głębokości odpowiadającej połowie zasięgu wiązki, odpowiednio dla komór BPC i Stingray. Komory te mogą zostać wykorzystane do pomiaru IDD wiązki o energiach odpowiednio do 160 MeV i do 190 MeV, bez konieczności dodatkowej korekty. Do kontroli jakości zasięgu wiązek protonowych zastosowanie znalazły wielowarstwowe komory jonizacyjne (MLIC), które umożliwiają jednoczesny pomiar IDD na całej głębokości penetracji wiązki. Celem badań było wyznaczenie własności dozymetrycznych komercyjnego detektora MLIC Giraffe (IBA Dosimetry). Wykazano, że detektor ten jest czuły na zmiany zasięgu wiązki protonowej mniejsze niż 0,2 mm. Dodatkowo pokazano, że pomiar IDD jest możliwy na obszarze 25 mm wokół środka komór detektora Giraffe. Wartości zasięgu zmierzone za pomocą detektora Giraffe wykazują dobrą zgodność z pomiarami wykonywanymi w fantomie wodnym za pomocą BPC. Detektor Giraffe zastosowano do weryfikacji zasięgu obliczonego przez system TPS dla punktów przechodzących przez różną konfigurację tkanek fantomu antropomorficznego. Zgodność zmierzonego zasięgu z wartościami obliczonymi za pomocą systemu TPS wynosi od -0,4 mm do 1,8 mm i zawiera się w przyjętej w praktyce klinicznej niepewności zasięgu równej 3,5% +1 mm. Dzienna kontrola jakości wiązek ołówkowych w Centrum Cyklotronowym Bronowice wykonywana jest za pomocą cylindrycznej komory jonizacyjnej Semiflex (PTW, Freiburg), dwuwymiarowego detektora scyntylacyjnego Lynx (IBA Dosimetry, Schwarzenbruck) oraz fantomu ISO Cube (CIRS Inc., Norfolk). W celu rozszerzenia zakresu testów kontroli jakości i ich przyspieszenia zaprojektowano, wykonano i przetestowano fantom PelicanQA. Zawiera on zestaw klinów PMMA do pomiaru zasięgu wiązki protonowej, fantom do pomiarów dawki oraz znacznik do testów zbieżności wiązki z izocentrum obrazowania. Wykazano, że fantom PelicanQA wraz z detektorem Lynx odwzorowuje zmiany zasięgu wiązki z dokładnością do 0,4 mm. Fantom PelicanQA umożliwia wykonanie dotychczasowych testów bez konieczności zmiany konfiguracji pomiarowej, co skróciło czas potrzebny na przeprowadzenie dziennych testów kontroli jakości wiązki z 35 do 25 minut.

The pencil beam scanning (PBS) technique is applied to Modulated Proton Therapy (IMPT), the most advanced form of proton cancer radiotherapy. Highly conformal dose delivery to the tumour volume is achieved while sparing neighbouring healthy tissues. PBS has significantly expanded the clinical applications of proton therapy. However, it requires that new dosimetry and quality assurance procedures be developed. In this work, the research concerning depth dose distributions measurements for commissioning of the treatment planning system, testing beam range monitoring instruments and developing a dedicated phantom for daily quality assurance, is presented. To commission a treatment planning system (TPS) which uses an analytical beam model, a set of integral depth dose distributions (IDD) in water for different proton energies is required as input. In IDD measurements the gold standard is to apply large-area plane-parallel ionization chambers (IC): the PTW Bragg Peak Chamber (BPC) or the IBA Stingray (of effective radii 4 cm and 6 cm respectively). However, these chambers are too small to entirely cover the scattered proton beam. Therefore, the FLUKA Monte Carlo (MC) transport code was applied to calculate the geometrical efficiency (εg) of these chambers which represents the fraction of total beam energy measured by the IC, as compared to the output of an IC of an infinitely large radius. MC calculations were performed for pencil beams of energies ranging between 70 MeV and 226 MeV. It was shown that the value of the MC-determined εg depends on the proton beam depth in water and on its initial energy. The lowest εg values of 93.2% and 96.2%, at 226 MeV proton energy, were obtained for the BPC and the Stingray, respectively. For pencil beams available in our Cyclotron Centre Bronowice (CCB), it was verified that the commercial Bragg Peak Chamber (PTW Freiburg) and the Stingray Chamber (IBA Dosimetry) may be used in IDD measurements up to 160 MeV and 190 MeV beam energy without any correction. For quality assurance of the proton range, multi–layer ionization chambers (MLIC) are used, allowing simultaneous measurements at all beam depths to be performed. The ability of the commercial MLIC detector Giraffe (IBA Dosimetry) to perform dosimetry tests was investigated. The Giraffe detector was found to be sensitive to range changes below 0.2 mm, thus being an accurate tool in WET measurements. It was verified that a 25 mm area around the centres of the Giraffe multi-chamber layers could be used for IDD measurements. The Giraffe detector was applied to verify TPS-calculated ranges in an anthropomorphic head phantom. A number of beam directions was chosen, traversing tissues of different densities. The obtained differences between measured and TPS-calculated ranges were between -0.4 mm and +1.8 mm and remained within clinically accepted range uncertainty 3.5% +1 mm. To perform the daily pencil beam quality assurance (QA) procedure at our CCB, the Semiflex (PTW, Freiburg) cylindrical IC, the Lynx (IBA Dosimetry, Schwarzenbruck) 2D scintillation detector, and the ISO Cube (CIRS Inc., Norfolk) phantom are used. In an effort to improve and speed-up this procedure and to extend the number of verified parameters of the PBS gantry treatment unit, the PelicanQA phantom was in-house designed, built and tested. The PelicanQA instrument consists of a dosimetry phantom, a set of plastic wedges and a metal marker to test beam collinearity. The Lynx detector equipped with plastic wedges is able to detect range shifts with an accuracy of 0.4 mm. Moreover, use of the developed phantom makes it possible to perform all QA tests in one configuration. This significantly reduces the time required to perform routine morning QA tests (from 35 minutes to 25 minutes).