Obiekt

Tytuł odmienny:

Multichannel in vivo dosimetry by means of Gafchromic EBT3 films for patients treated with radiotherapy in the head and neck area using the VMAT technique

Abstrakt:

Głównym celem radioterapii jest dostarczenie przepisanej dawki promieniowania jonizującego do tkanek objętych chorobą nowotworową w sposób skuteczny, dokładny i bezpieczny, jednocześnie starając się jak najbardziej oszczędzić tkanki i narządy zdrowe. Dlatego jednym z ważnych elementów przygotowania i realizacji leczenia jest zapewnienie wysokiej jakości radioterapii. Współcześnie, dzięki ciągłemu rozwojowi urządzeń do napromieniania i komputerowych systemów planowania leczenia, techniki radioterapii stają się coraz bardziej zaawansowane. Możliwe jest napromienianie technikami obrotowymi z modulowaną intensywnością wiązki, takimi jak VMAT (volumetric modulated arc therapy). Stosowanie coraz bardziej skomplikowanych technik terapii sprawia, że weryfikacja dokładności terapii jest coraz trudniejsza. Jedną z metod, która pozwala uniknąć błędów powstałych na etapie przygotowania leczenia, jest dozymetria in vivo. Polega ona na pomiarze dawki w czasie napromieniania pacjenta. Porównanie zmierzonej dawki z wartością odniesienia, przy uwzględnieniu określonych progów reagowania, pozwala ocenić, czy napromienianie realizowane jest prawidłowo. Stosowana na początku napromieniania pozwala zapobiec błędom systematycznym, których popełnienie mogłoby prowadzić do zmniejszenia szansy na wyleczenie i zwiększenia ryzyka uszkodzenia tkanek/narządów prawidłowych. Najczęściej stosowanymi detektorami do pomiarów in vivo w teleradioterapii konformalnej 3D (3D-CRT, three-dimensional conformal radiation therapy) są detektory półprzewodnikowe, które umieszcza się na skórze pacjenta. Tego typu pomiary umożliwiają wykryć błędy takie jak nieprawidłowa kalibracja wiązki terapeutycznej, zastosowanie niewłaściwej energii, niestabilność wydajności akceleratora czy nieprawidłowe ułożenie pacjenta. Diody półprzewodnikowe mają ograniczone zastosowanie w technikach leczenia takich jak VMAT. Wynika to stąd, że posiadają zależność sygnału od mocy dawki i od energii. Ponieważ w przypadku techniki VMAT niemożliwe jest określenie osi wiązki i wielkości pola promieniowania (technika VMAT realizowana jest przy użyciu łuków, a nie pojedynczych pól), to korekcja mierzonego sygnału na zmieniającą się moc dawki jest bardzo trudna. Takich wad nie posiadają detektory filmowe Gafchromic EBT3. Dlatego celem tej pracy jest zbadanie, czy małe detektory wykonane z filmu radiochromowego typu Gafchromic EBT3 nadają się do dozymetrii in vivo podczas napromieniania przy użyciu techniki VMAT.
Celem pracy jest zbadanie przydatności małych detektorów wykonanych z filmu radiochromowego typu Gafchromic EBT3 do dozymetrii in vivo podczas napromieniania pacjentów przy użyciu techniki VMAT dla przypadków nowotworów w obszarze głowy i szyi. Materiały i metody: Do pomiarów przygotowane zostały detektory filmowe o wymiarach 1,0 cm x 1,5 cm, wykonane z arkuszy radiochromowych filmów typu Gafchromic EBT3 firmy Ashland. Są to bardzo cienkie (~278 μm), samowywołujące się filmy, które nie wymagają chemicznego procesu wywoływania jak w przypadku klasycznych filmów rentgenowskich. Zaciemnienie filmu jest monotonicznie rosnącą funkcją dawki. Stopień zaciemnienia wyrażony jako gęstość optyczna można zmierzyć bezpośrednio densytometrem lub wyznaczyć na podstawie obrazów po zeskanowaniu filmu przy użyciu odpowiedniego skanera. Próbki filmów zostały wykalibrowane do pomiarów w zakresie dawki frakcyjnej dla typowej teleradioterapii (0 cGy do 250 cGy) oraz w zakresie dawki całkowitej (0 cGy do około 6600 cGy). W tym celu próbki filmów umieszczone zostały w stałym fantomie płytowym RW3 firmy PTW-Freiburg i napromieniane w ściśle określonych warunkach, przy użyciu wiązki 6 MV wytwarzanej w akceleratorze Versa HD firmy Elekta. Dawka dostarczana do filmów była kontrolowana za pomocą komory jonizacyjnej typu 0,6 cm3 Farmer firmy PTW-Freiburg. Aby obliczyć gęstość optyczną filmów, napromienione próbki skanowane były płaskim skanerem EPSON EXPRESSION 10000XL, rekomendowanym przez producenta filmów Gafchromic EBT3. Analiza obrazów filmów i obliczenia wykonywane były z zastosowaniem oprogramowania ImageJ, za pomocą własnoręcznie napisanego skryptu. Do obliczenia dawki na podstawie obrazów zeskanowanych filmów wykorzystana została trzykanałowa metoda dozymetrii filmowej. Dla przedstawionej metodyki obliczona została niepewność standardowa pomiaru dawki. Przed zastosowaniem próbek filmów do pomiarów na pacjentach metoda została zweryfikowana w fantomie płytowym RW3 oraz na fantomie antropomorficznym (the Alderson Rando phantom, Radiology Support Devices). Fantomy zostały przygotowane w taki sam sposób jak typowy pacjent. Najpierw zrobiono tomografię komputerową, a następnie wykonano plan leczenia przy użyciu systemu planowania Pinnacle firmy Philips (algorytm obliczeniowy CC Convolution). Aby zmniejszyć niepewność, pomiary wykonywane były jednocześnie przy użyciu dwóch kawałków filmów zawiniętych w cienką nieprzezroczystą folię. Do oceny uzyskanych wyników wykorzystano test zgodności metrologicznej uwzględniający niepewności standardowe pomiarów. Zbadano również osłabienie wiązki przez filmy oraz sprawdzono powtarzalność pomiarów z wykorzystaniem filmów. Następnie wykonano pomiary dawki dla 23 pacjentów napromienianych w obszarze głowy i szyi przy użyciu techniki VMAT. Dla każdego pacjenta wykonano pomiary dawki frakcyjnej oraz dawki całkowitej detektorami umieszczonymi w trzech miejscach (od przodu pacjenta, po lewej i prawej stronie). Filmy przyklejane były pod bolusem o grubości 0,5 cm, który umieszczany był na masce unieruchamiającej pacjenta. Do odczytania wartości dawki odniesienia z systemu planowania leczenia niezbędna była dokładna znajomość położenia próbek filmów.
W tym celu do dwóch przeciwległych rogów filmu przyklejane były małe markery widoczne na obrazach tomografii komputerowej wykonywanej pacjentowi do planowania leczenia. Łącznie wykonano 69 pomiarów dawki frakcyjnej oraz 69 pomiarów dawki całkowitej. Wyniki: Dla metody pomiaru detektorami filmowymi opisanej w tej pracy względna niepewność standardowa pomiaru dawki wyniosła 2,9% i 3,5% odpowiednio dla pomiarów w czasie jednej frakcji napromieniania oraz dla pomiarów dawki całkowitej. Wskaźnik testu zgodności metrologicznej, dla walidacji metody w fantomie płytowym RW3, potwierdził zgodność pomiarów pomiędzy próbkami filmów i komorą jonizacyjną oraz dawką obliczoną w systemie planowania leczenia (wartość wskaźnika dla wszystkich pomiarów ζ < 2). Walidacja pomiarów wykonana na fantomie antropomorficznym potwierdziła zgodność pomiędzy dawką mierzoną próbkami filmów a dawką obliczoną w systemie planowania leczenia (wartość wskaźnika dla wszystkich pomiarów ζ < 2). Pomiary osłabienia wiązki terapeutycznej przez filmy wykazały, że różnica pomiędzy dawką zmierzoną komorą jonizacyjną bez pakietu dwóch filmów i z pakietem wynosi maksymalnie 0,7%. Powtarzalność pomiarów, wyrażona jako iloraz odchylenia standardowego i wartości średniej, w fantomie płytowym dla warunków referencyjnych, dla 10 pomiarów, wyniosła 0,7%. Dla pomiarów na pacjentach średnia różnica pomiędzy dawką zmierzoną próbkami filmów a dawką w punkcie (obliczoną w systemie planowania leczenia), dla pomiarów dawki frakcyjnej i dawki całkowitej, wyniosły odpowiednio 4,1% oraz 19,0%. Średnia różnica pomiędzy wynikami pomiarów detektorami filmowymi a dawką obliczaną przez system planowania leczenia w małej objętości, dla pomiarów dawki frakcyjnej i dawki całkowitej, wyniosły odpowiednio 4,3% oraz 19,2%. W przypadku pomiarów dawki frakcyjnej okazało się, że uzyskane średnie różnice wynoszące 4,1% i 4,3% wynikają z niedokładności obliczeń modelu wiązki fotonów 6 MV (wprowadzonego do systemu planowania leczenia Pinnacle) w obszarze narastania dawki, czyli na głębokości, na której wykonywane były pomiary. W przypadku pomiarów dawki całkowitej na średnie różnice wynoszące 19,0% i 19,2% miał również wpływ ograniczony zakres dynamiczny filmu i duży spadek czułości dla wysokich dawek promieniowania. W związku z tym nie jest możliwe wykonanie dokładnych pomiarów wysokich dawek przekraczających optymalny zakres pomiarowy filmów. Celem dozymetrii in vivo jest wykrycie błędu w aplikowanej dawce pacjentowi. Uzyskany wynik pomiaru jest porównywany z wartością obliczoną z użyciem systemu planowania leczenia. Niezbędne jest zatem określenie, jaka różnica pomiędzy wynikiem dozymetrii in vivo i wynikiem obliczeń zobowiązuje użytkownika do podjęcia kroków w celu wyjaśnienia uzyskanej rozbieżności, czyli tzw. poziomu reagowania.
W tej pracy poziom reagowania został określony metodą zaproponowaną w raporcie JCGM 100:2008. Przy jego określaniu została uwzględniona niepewność standardowa metody pomiaru pakietami filmów przedstawiona w tej pracy, niepewność obliczeń systemu planowania leczenia oraz niepewność związana z dokładnością pozycjonowania pakietów filmów powiązana ze zmiennością rozkładu dawki. Dla „średniego pacjenta” poziom tolerancji dla pomiaru dawki w czasie pojedynczej sesji terapeutycznej wyniósł 5,6%. Przyjmując, że przedstawiona metoda pomiaru podlega rozkładowi normalnemu, to z prawdopodobieństwem 95,4% możliwe jest uzyskanie różnicy w przedziale ±11,1% dawki obliczonej z użyciem systemu planowania leczenia. Jest to wartość wyższa niż proponowane w międzynarodowych zalecaniach poziomy tolerancji, wynoszące 5% dla prostych technik oraz 7% dla sytuacji bardziej skomplikowanych (IAEA Human Health Reports No. 8). Jednakże zalecane poziomy były opracowane dla techniki radioterapii konformalnej 3D (3D-CRT), gdzie napromienianie odbywa się statycznymi, dużymi polami, a pomiary wykonywane są w warunkach przejściowej równowagi elektronowej. Gdyby zastosować przedstawioną metodę pomiaru małymi detektorami filmowymi do techniki napromieniania 3D-CRT, to poziom reagowania wyniósłby 4,5% dawki obliczonej. Należy podkreślić, że rekomendowana przez IAEA wartość poziomu reagowania została określona na podstawie założeń klinicznych. Wyznaczony w tej pracy poziom reagowania ma bardzo silne umocowanie metrologiczne. Wnioski: Próbki filmu typu Gafchromic EBT3 są dobrymi detektorami do pomiarów dawki in vivo. Umożliwiają bezpośredni pomiar dawki nawet w obszarze braku równowagi elektronowej i w obszarze wysokiego gradientu dawki. Powodują one nieistotne osłabienie dawki terapeutycznej dla pacjenta, więc można je stosować do wielu frakcji napromieniania. Możliwość ich zastosowania w dozymetrii in vivo do pomiarów dawki całkowitej jest ograniczona z powodu dużego spadku czułości filmu dla wysokich dawek. Jest zasadne natomiast stosowanie ich do pomiaru dawki całkowitej dla wielu sesji terapeutycznych, o ile wartość dawki całkowitej nie przekracza 10 Gy. Mogą stanowić dobre narzędzie do monitorowania przebiegu leczenia. Mają dobrą powtarzalność. Niepewność standardowa pomiaru dawki pakietami filmów jest na poziomie niepewności innych komercyjnie dostępnych detektorów do dozymetrii in vivo. Pomiary na głębokości 0,5 cm wymagają indywidualnego określania progów reagowania dla każdego pacjenta ze względu na dużą zmienność rozkładu dawki. Detektory filmowe okazały się dobrym narzędziem do walidacji obliczeń systemu planowania leczenia. Dozymetria in vivo przy użyciu detektorów wykonanych z arkuszy filmów Gafchromic EBT3 nigdy wcześniej nie została zastosowana do pomiarów dla techniki napromieniania VMAT. Sposób określania położenia detektorów na obrazach tomografii komputerowej przy użyciu markerów jest unikatowy. Jednoczesny pomiar dwoma detektorami (dwie próbki, jedna nad drugą) nigdy wcześniej nie był wykonywany. Dozymetria in vivo w czasie całego leczenia pacjenta nigdy wcześniej nie była wykonywana.

The main goal of radiotherapy is to deliver the prescribed dose of ionizing radiation to the cancer tissues in an efficient, accurate and safe manner while trying to save healthy tissues and organs as much as possible. Therefore, one of the important elements in the preparation and realization of treatment is the high-quality assurance of radiotherapy. Nowadays, thanks to the continuous development of irradiation devices and computerized treatment planning systems, radiotherapy techniques become more and more advanced. Irradiation using rotational techniques with beam intensity modulation, such as VMAT (volumetric modulated arc therapy), is possible. The use of increasingly complex radiotherapy techniques makes it more and more difficult to verify the accuracy of the treatment. In vivo dosimetry is one of the methods that allows avoiding errors that can arise at the stage of treatment preparation. It is based on a dose measurement during the irradiation of the patient. Comparison of the measured dose with the reference value, taking into account defined tolerance levels, allows assessing whether the irradiation treatment is carried out correctly. Applied at the beginning of the irradiation, it helps to prevent systematic errors, which - if committed, could reduce the chances of recovery and increase the risk of tissue/organs damage. The most commonly used detectors for in vivo measurements in three-dimensional conformal radiation therapy (3D-CRT) are semiconductor detectors, which are placed on the patient’s skin. These type of measurements allow detecting errors such as incorrect calibration of the therapeutic beam, application of incorrect beam energy, instability of accelerator dose output or incorrect patient positioning. Semiconductor diodes have limited use in treatment techniques such as VMAT. This is due to the fact that they have a dose rate and energy dependency of the signal. For the reason that in case of the VMAT technique it is impossible to determine the central axis of the beam and the size of the radiation field (the VMAT technique is implemented using arcs, not single fields), the correction of the measured signal on the dose rate changes is very difficult. Gafchromic EBT3 film detectors do not have such disadvantages. Therefore, the aim of this work is to investigate whether small detectors made of Gafchromic EBT3 radiochromic film are suitable for in vivo dosimetry during irradiation using the VMAT technique. The aim of this work is to investigate the suitability of small detectors made of Gafchromic EBT radiochromic film for in vivo dosimetry during irradiation of patients using the VMAT technique for cases of tumours located in the head and neck area. Materials and methods: Film detectors with the size of 1,0 cm x 1,5 cm were prepared for measurements, made of sheets of Gafchromic EBT3 radiochromic films by Ashland. They are very thin (~278 μm), self-developing films that do not require a chemical development process as in case of classic X-ray films. Film darkening is a monotonically increasing the dose function. The degree of darkening expressed as optical density can be measured directly with a densitometer or can be determined from a film image after scanning the film with a suitable scanner. The film samples were calibrated for measurements in the fractional dose range for typical teleradiotherapy (0 cGy to 250 cGy) and the total dose range (0 cGy to approximately 6600 cGy). For this purpose, the film samples were placed in the RW3 solid slab phantom by PTW-Freiburg and irradiated under strictly defined conditions, using a 6 MV beam generated in the Versa HD linear accelerator by Elekta.
The dose delivered to film samples was monitored with 0,6 ccm Farmer type ionization chamber by PTW-Freiburg. To calculate the optical density of the films, the irradiated samples were scanned with the EPSON EXPRESSION 10000XL flatbed scanner, recommended by the Gafchromic EBT3 film producer. Film images analysis and calculations were performed using ImageJ software, using a user-written script. The three-channel film dosimetry method was applied to dose calculations based on the scanned films' images. For the presented methodology, the standard uncertainty of the dose measurement was calculated. Before using the film samples for measurements on patients, the method was verified on the RW3 slab phantom and the anthropomorphic phantom (the Alderson Rando phantom, Radiology Support Devices). The phantoms were prepared in the same way as a typical patient. First, a CT scan was done and then there was introduced a treatment plan using the Pinnacle, Philips treatment planning system (CC Convolution calculation algorithm). To reduce the uncertainty, measurements were made simultaneously using two film samples wrapped in a thin, opaque foil. In order to evaluate the obtained results, a metrological compatibility test was used, taking into account standard uncertainties of measurements. The attenuation of the beam by films and measurements reproducibility by means of film samples were also investigated. After that, dose measurements for 23 patients irradiated in the head and neck area using VMAT technique were conducted. For each patient, fractional and total dose measurements were made with detectors placed in three positions (from the front of the patient, on the left and right side). Films were stuck under a 0,5 cm thick bolus, which was placed on the patient immobilization mask. To read the dose reference value from the treatment planning system, a precise location of the film samples was required. For this purpose, small markers were stuck to the two opposite corners of the film, visible on the CT images performed on the patient for treatment planning. A total of 69 fractional dose measurements and 69 total dose measurements were made. Results: For the method of measurement with film detectors described in this work, the relative standard uncertainty of dose measurements was 2,9% and 3,5% respectively for dose measurements during one irradiation fraction and for total dose measurements. The metrological compatibility test for method validation in the RW3 slab phantom confirmed the compliance of the film samples measurements, ionization chamber measurements and the doses calculated in the treatment planning system (for all measurements ζ < 2). Measurements validation conducted on anthropomorphic phantom confirmed the agreement between the dose measured with film samples and the dose calculated in the treatment planning system (for all measurements ζ < 2). Measurements of the therapeutic beam attenuation by the films showed that the difference between the dose measured using ionization chamber with or without the presence of the two films packet is a maximum of 0,7%. The measurements reproducibility, expressed as the quotient of the standard deviation and the mean value, in the slab phantom for the reference conditions, for 10 measurements, was 0,7%. For measurements on patients, the mean difference between the dose measured using the film samples and the dose at point (calculated in the treatment planning system), for the fractional dose and total dose measurements, was 4,1% and 19,0% respectively.
The main difference between the film detectors measurements and the dose calculated in the treatment planning system in the small volume, for the fractional dose and total dose measurements, was 4,3% and 19,2% respectively. In case of the fractional dose measurements, it turned out that the obtained mean differences of 4,1% and 4,3% result from inaccuracies in the calculations of the 6 MV photon beam model (implemented to the Pinnacle treatment planning system) in the dose buildup region, that is at the depth at which measurements were made. In the case of total dose measurements, the mean differences of 19,0% and 19,2% were also influenced by the limited dynamic range of the film and the large decrease in sensitivity at high radiation doses. Therefore, it is not possible to make accurate measurements of high doses beyond the optimal measuring range of the films. The purpose of in vivo dosimetry is to detect an error in the dose administered to the patient. The obtained measurement result is compared with the reference value calculated in the treatment planning system. It is, therefore, necessary to determine what difference between the result of the in vivo dosimetry and the calculation result makes it necessary for the user to take steps in order to explain obtained discrepancy, that is so-called tolerance level. In this work, the tolerance level was determined by the method proposed in the JCGM 100:2008 report. When determining it, the standard uncertainty of the measurement method with film packages presented in this paper, the uncertainty of the treatment planning system calculations and the uncertainty related to the accuracy of films package positioning related to the variability of the dose distribution were taken into account. For an “average patient”, the tolerance level for dose measurement during a single treatment session was 5,6%. Assuming that the presented measurement method is subject to a normal distribution, it is possible to obtain a difference in the range of ±11,1% of the dose calculated in the treatment planning system with a probability of 95,4%. This is a higher value than the tolerance levels proposed in the international recommendations, which are 5% for simple techniques and 7% for more complex situations (IAEA Human Health Reports No. 8). However, the recommended levels were developed for the 3D conformal radiation therapy technique (3D-CRT), where the irradiation is implemented with static, large fields and measurements are made under transient charged-particle equilibrium. If the presented measurement method using small film detectors was applied to the 3D-CRT irradiation technique, the tolerance level would be 4,5% of the calculated dose. It should be emphasized that the value of the tolerance level recommended by the IAEA was determined based on clinical assumptions. The tolerance level determined in this work has a very strong metrological basis. Conclusions: Gafchromic EBT3 films are good detectors for in vivo dose measurements. They allow a direct dose measurement, even in the area with the absence of charged-particle equilibrium and in the area of high dose gradient. They cause a negligible reduction of the therapeutic dose for the patient, so they can be used for many fractions of irradiation. Their applicability in in vivo dosimetry for total dose measurements is limited due to the large decrease in film sensitivity for high doses. However, it is reasonable to use them for total dose measurements throughout many therapeutic sessions, as long as the total dose does not exceed 10 Gy. They can be a good tool for monitoring the course of treatment. They have good reproducibility. The standard uncertainty of dose measurement by means of films packets is at the level of uncertainty of other commercially available detectors for in vivo dosimetry. Measurements at a depth of 0,5 cm require individual tolerance levels for each patient due to the large variability of the dose distribution. Film detectors proved to be a good tool for validation of the treatment planning system calculations. In vivo dosimetry using detectors made of Gafchromic EBT3 film sheets has never been applied before to measurements for the VMAT irradiation technique. A method of determining the location of film detectors on CT images using markers is unique. The simultaneous measurement with two detectors (two samples, one above the other) has never been performed before. In vivo dosimetry during the whole patient treatment has never been done before.

Uwagi:

Rozprawa doktorska przygotowana w Zakładzie Fizyki Medycznej Świętokrzyskiego Centrum Onkologii w Kielcach ; Zawiera bibliografię ; Zawiera ilustracje

Identyfikator:

oai:bibliotekacyfrowa.ujk.edu.pl:4746

Katalog komputerowy:

kliknij tutaj, żeby przejść

Język:

pol

Uzyskany tytuł:

doktor

Data uzyskania stopnia:

19.05.2021

Instytucja nadająca tytuł:

Uniwersytet Jana Kochanowskiego w Kielcach

Promotor:

Kukołowicz, Paweł F. ; Braziewicz, Janusz Mikołaj (1951- )

Recenzent:

Bulski, Wojciech ; Olko, Paweł Marcin ; Piotrowski, Tomasz Grzegorz

Dziedzina nauki:

Dziedzina nauk ścisłych i przyrodniczych

Dyscyplina naukowa:

Nauki fizyczne

Wydział:

Wydział Nauk Ścisłych i Przyrodniczych

Typ:

rozprawa doktorska

Prawa dostępu:

tylko w Oddziale Informacji Naukowej

Stan publikacji:

niepublikowana