Dosmätning med hjälp av ett integrerat bildtagningssystem

Transkript

1 Dosmätning med hjälp av ett HELENA BERGSMAN Examensarbete Stockholm, Sverige 2005 TRITA-NA-E05014

2 Numerisk analys och datalogi Department of Numerical Analysis KTH and Computer Science Stockholm Royal Institute of Technology SE Stockholm, Sweden Dosmätning med hjälp av ett HELENA BERGSMAN TRITA-NA-E05014 Examensarbete i biomedicinsk teknik om 20 poäng vid Programmet för elektroteknik, Kungliga Tekniska Högskolan år 2005 Handledare på Nada var Erik Fransén Examinator var Anders Lansner

3 Sammanfattning Syftet med examensarbetet är att undersöka om ett elektroniskt är lämpligt som stråldosmätare vid intensitetsmodulerad strålterapi (IMRT). Med IMRT-teknik kan man ge dynamiska behandlingar för strålterapi och på så sätt öka stråldosen till själva tumören, samtidigt som dosen till omkringliggande vävnad kan minskas. Problemet med sådana behandlingar är att det är svårt och tidskrävande att säkerställa att den planerade dosen stämmer överens med den givna dosen till patienten. Med ett bildtagningssystem som kan mäta stråldos öppnas nya vägar för att säkerställa dosen till patienten. Tiden för kontrollerna skulle därmed kunna minskas drastiskt. Grundläggande mätningar har gjorts för att säkerställa att systemet är följande: Linjärt med avseende på stråldos. Stabilt, på lång och kort sikt. Homogent dvs. att en korrekt dos fås oavsett vilken del av bildplattan som används. Oberoende av dosrat dvs. att bildplattan ger liknande signal för samma stråldos oavsett dosrat. Jämförbara tester har även gjorts för att undersöka om dosbilden som fås från bildtagningssystemet överrensstämmer med den faktiska dosen. Utifrån testerna som har gjorts kan det konstateras att bildtagningssystemet med de verktyg som finns tillgängliga idag inte uppfyller de krav som finns för noggrannhet och säkerhet avseende dosmätningar. Vid jämförelse med mätningar i vatten ser man att den verkliga dosen inom vissa områden är upp till 5 % högre än vad bildplattan visar, vilket inte är acceptabelt.

4 Dose measurement using an integrated imaging system Abstract The purpose of this study was to investigate whether an electronic portal imaging device is suitable as a dosimeter for intensity modulated radiotherapy (IMRT). IMRT technology can deliver dynamic treatments which can increase the dose to the tumour with lesser effect on surrounding areas. The main problems with this treatment method are ensuring that the planned dose agrees with the dose delivered to the patient and the large amount of time required to perform these pre-treatment checks. The electronic portal imaging device can measure the dose to the patient and decrease the time for the procedure. Tests have been made on the system to ensure it complies with the following: Linear with respect to dose. Stable, both short and long term. Homogeneous, i.e. a correct dose is received independent of the part of the electronic portal imaging device used. Independent of dose rate, i.e. the electronic portal imaging device gives a similar signal for the same dose of radiation despite the rate of dosage. Measurements have also been made to determine if the dose displayed by the system is the same as the real dose delivered by the accelerator. It has been concluded that the electronic imaging system does not satisfy the recommended requirements for accuracy and safety to serve as a dosimeter. When compared to measurements performed in water, the real dose within certain areas is up to 5 % greater than that shown by the electronic portal imaging device. This is unacceptable.

5 Innehållsförteckning 1 INLEDNING Bakgrund Syfte UTRUSTNING Linjäraccelerator PortalVision as Programvara Diodskanner/densitometer UTFÖRANDE Kalibrering Ghosting effect Linjäritet med avseende på dos Stabilitet Dosratberoende Homogenitet Kalibreringsrutiner Tester med bolus Mätningar i vatten IMRT RESULTAT Linjäritet med avseende på dos Stabilitet Dosratberoende Homogenitet Kalibreringsrutiner Tester med bolus Jämförelse: Mätningar i vatten och bildplattan IMRT DISKUSSION Linjäritet med avseende på dos Stabilitet Dosratberoende Homogenitet...21

6 5.5 Kalibreringsrutiner Mätningar med bolus Mätningar i vatten IMRT Vision SLUTSATS OCH REKOMMENDATIONER LITTERATURFÖRTECKNING ANNAN INTRESSANT LITTERATUR INOM OMRÅDET...26

7 1 Inledning 1 Inledning Denna rapport sammanfattar ett examensarbete inom biomedicinsk teknik på Kungliga Tekniska Högskolan i Stockholm. Arbetet är en del av Civilingenjörsutbildningen i Elektroteknik. Uppdragsgivare var Radiofysikavdelningen på Centrallasarettet i Västerås. 1.1 Bakgrund Strålbehandling principer och historik Joniserande strålning för att behandla cancer har använts i över 100 år. I början skedde detta med röntgenrör och jämfört med dagens behandlingar så var energin låg. I början studerade man reaktioner på huden och på tumören för att avgöra om ytterligare behandling var nödvändig. Så småningom utvecklades bättre apparater som kunde ge större stråldoser vid varje tillfälle. På 30-talet kom också jonkammaren och man kunde därmed mäta den absorberade dosen i patienten. På 50-talet utvecklades acceleratorerna som gjorde det möjligt att behandla mer djupliggande tumörer och minska dosen till huden. Idag behandlas % av alla cancerpatienter i Sverige med joniserande strålning och ofta sker det med en accelerator som strålkälla. 1 Cellerna i kroppen påverkas av strålningen genom olika växelverkansprocesser i form av direkt eller indirekt verkan. Vid direkt verkan så växelverkar strålningen med atomer i DNA-molekylen som kan leda till skador. Vid indirekt verkan så bildas först joner och fria radikaler som i sin tur ger skador på DNA. Fria radikaler är mycket reaktiva atomer eller molekyler som har ett udda antal elektroner i sitt yttersta skal. Dessa radikaler kan ändra en molekyls egenskaper genom kemiska reaktioner. 2 Cellerna är känsligast för strålning under tillväxtfasen. Tumörceller befinner sig oftare i tillväxtfasen och har också sämre reparationsförmåga än friska celler. Tumörceller är därmed känsligare för strålning, vilket är en förutsättning för att strålning ska kunna användas som behandlingsmetod vid tumörsjukdomar. För att öka effekten av strålningen fraktioneras behandlingen, dvs. man delar upp dosen till patienten på flera tillfällen. Då hinner alla tumörceller gå in i strålkänsliga faser och friska celler får tid att reparera sina skador. Man minskar också risken för sena skador hos patienten då en lägre dos ges vid varje tillfälle. 1 Vid strålbehandling läggs stor vikt på dosplaneringen. Efter att t ex en datortomografiundersökning gjorts så markerar onkologen targetvolymen och anger stråldos. Targetvolym är den volym som ska bestrålas och innefattar tumören med marginaler. Onkologen markerar också riskorgan som inte får bli bestrålade. Riskorgan är normal vävnad med hög strålkänslighet som man måste ta hänsyn till vid dosplaneringen. T ex så måste man vid prostatacancer ta hänsyn till rektum. Rektum är ett organ med hög cellomsättning och är därför mycket strålkänsligt. Det är alltså viktigt att själva tumören får den högsta dosen och att omkringliggande vävnad får så lite strålning som möjligt. 1 1

8 1 Inledning IMRT - metoder På senare år har det utvecklats en ny teknik, intensitetsmodulerad strålterapi (IMRT), som kan ge dynamiska behandlingar. Man använder då en multibladskollimator (MLC, se kapitel 2.1) som ändrar form samtidigt som strålning ges. Med denna teknik kan man öka och jämna ut stråldosen till själva tumören och i högre grad skona omkringliggande vävnad. De första IMRT-behandlingarna planerades och levererades för flera årtionden sedan, bl.a. i Japan. Där användes en kollimator som kan ha varit föregångaren till dagens multibladskollimatorer. Den hade ett mekaniskt kontrollsystem för att forma strålen, samtidigt som acceleratorn roterade runt patienten. Sedan dess har flera olika IMRT-tekniker utvecklats. En teknik utvecklades av Scanditronix. De använde datastyrda magneter för att rikta elektronstrålen mot röntgentarget. Genom att ändra vinkel och intensitet på elektronstrålen kunde röntgenstrålar skapas i olika riktningar och intensiteter. 3 En annan teknik som utvecklats är tomotherapy IMRT. Med denna teknik skapas strålar med olika intensiteter genom en multibladskollimator samtidigt som strålhuvudet roterar runt patienten. 3 I detta projekt används en teknik som kallas traditionell MLC IMRT. Här används en datastyrd dynamisk MLC (se figur 1). MLC-n sitter i strålhuvudet och ändrar form samtidigt som strålning ges. Strålhuvudet rör sig inte under sådan behandling. Ett av de största problemen med IMRT-behandlingar är att verifiera att den planerade dosen överensstämmer med den givna dosen till patienten. Med traditionell teknik är varje strålfält statiskt och homogent. Med IMRT-teknik ger den dynamiska MLC-n ett fält med inhomogen dosfördelning. Fälten måste därför kontrolleras, vilket är tidskrävande. Figur 1: Multibladskollimator Framtid och utveckling Nu finns en ny möjlighet att kontrollera strålfälten. På acceleratorn finns ett elektroniskt bildtagningssystem (Electronic Portal Imaging Device = EPID), med en bildplatta, som används för bestämning av patientens position. Idag finns möjligheten att använda detta bildtagningssystem för att beräkna dosen i bildplattans plan. Detta görs med en mjukvara, Transit Dose, som räknar om signalerna som detekteras till dos. Många kliniker i världen har redan implementerat IMRT. Problemen är att rutinerna för säkerhet och noggrannhet inte har utvecklats till fullo och att en behandling därför fortfarande tar lång tid. Med de nya elektroniska bildtagningssystemen som kan mäta dos öppnas nya vägar för dosverifikation. Jämfört med film så har EPID-n flera fördelar. En viktig fördel är att man snabbt får fram bilder utan framkallning eller inskanning av film. 2

9 1 Inledning Många tester har gjorts på olika elektroniska bildtagningssystem för att undersöka deras egenskaper. En viktig egenskap som bildplattan måste ha för att kunna fungera som en dosmätare är att signalen måste vara linjär med avseende på dos. Bildplattan måste också återspegla den verkliga dosen. Ursprungligen var bildplattan avsedd för att ta bilder för att verifiera patientens position och bildplattan kalibreras därför för att ge en jämn signal för att få den bästa bilden. Därför kan man inte veta säkert att stråldosen till patienten är densamma som den som visas i dosbilden från bildtagningssystemet, då ojämnheter i fältet kalibreras bort. 1.2 Syfte Syftet med examensarbetet är att undersöka om ett elektroniskt är lämpligt som stråldosmätare vid intensitetsmodulerad strålterapi. Systemet ska utvärderas genom att göra olika grundläggande mätningar. Några egenskaper som ska undersökas är följande: Linjäritet med avseende på stråldos. Stabilitet, på kort och lång sikt. Homogenitet dvs. att en korrekt dos fås oavsett vilken del av bildplattan som används. Dosratberoende. Dosen som bildplattan visar ska också jämföras med andra mätningar för att se att den överrensstämmer med verkligheten. Utifrån dessa resultat ska det sedan undersökas om systemet är lämpligt för dosmätning vid IMRT-behandlingar. Det ska även göras tester för att undersöka kalibreringsrutiner vid IMRT-behandlingar. Från början var det tänkt att jag skulle utvärdera programmet Predicted Dose. Detta program finns i dosplaneringsprogrammet Eclipse och den nya versionen skulle ha installerats på centrallasarettet i Västerås i maj Installationen av programmet blev försenat och har ännu inte installerats (oktober 2004). Istället har jag lagt större vikt på grundläggande mätningar av bildplattan samt gjort andra jämförbara mätningar för att utvärdera dosen i IMRT-fälten. 3

10 Dosmätning med hjälp av ett 2 Utrustning 2 Utrustning 2.1 Linjäraccelerator Linjäracceleratorerna som används är en Clinac 2100 och en Clinac 2300 (Varian Medical System). De kan leverera både fotoner och elektroner med energier på 6 MV respektive 15 MV. I det här projektet används endast fotoner. Acceleratorerna har dynamiska multibladskollimatorer (MLC) (se figur 1, kapitel 1.1.2) som sitter i strålhuvudet ns MLC består av 120 blad, 60 på vardera sidan. De yttersta tio bladen på vardera sidan är 10 mm breda och i mitten är det 40 stycken blad som är 5 mm breda ns MLC har 40 blad på vardera sidan som alla är 10 mm breda. Acceleratorerna kan rotera 360 grader, så att man kan stråla från alla vinklar runt patienten n har en teknik som gör att den kan ge intensitetsmodulerad strålbehandling. Båda acceleratorerna har ett inbyggt bildtagningssystem PortalVision as500 Bildtagningssystemet som används vid undersökningarna i detta projekt är ett PortalVision as500 (amorphous silicon) Electronic Portal Imaging Device (EPID). Det sitter fast på acceleratorn med en infällbar arm och går att ställa in horisontellt och vertikalt. Figur2: Bildplattan utfälld, de nedre bilderna visar hur dosbilden visas på en datorskärm.6 Bildtagningssystemet består av en bildplatta, ett bildinsamlingssystem IAS2 (Image Acquisition System) samt olika elektronikenheter för överföring av signaler. Bildplattan består av en 1 mm tjock kopparplåt, en fosforskärm och en kiselpanel.6 4

11 2 Utrustning Koordinat Rad Kolumn A 1 1 B C Tabell 1: Lokalisering på bildplattan. 6 I kiselpanelen finns 512 x 384 fotodioder som var för sig utgör en pixel. Bildplattan är 400 x 300 mm 2. Med detta följer att en pixel är 0,784 x 0,784 mm 2. Figur 2 visar hur en dosbild kommer upp på en dataskärm och tabell 1 visar hur rader och kolumner är lokaliserade på bildplattan. 6 T ex så blir kolumn 256 en vertikal linje mittemellan A och B om man ser på bilden som den kommer upp på dataskärmen. Kopparplåten har till uppgift att rensa bort fotoner och elektroner med låg energi (se figur 3). Den fungerar också som en build-up så att maximala dosen detekteras. Med build-up menas den sträcka där den absorberade dosen ökar på grund av att fler och fler elektroner frigörs. Varje fotonenergi har ett specifikt djup i vatten där den absorberade dosen är maximal. 1 mm metall motsvarar ungefär 10 mm djup i vatten. 7 Fotoner med låg energi Strålfält Elektroner med låg energi Cu P Si Build-up Synliga fotoner Laddningar i fotodioderna Signal Figur 3: Schema över bildplattan. I fosforplattan omvandlas strålarna till synliga fotoner. Dessa synliga fotoner sparas som laddningar i fotodioderna i kiselpanelen. Varje fotodiod har en tunnfilmstransistor som snabbt kan föra vidare signalerna till andra elektronikkomponenter. Bildplattan läses av rad för rad och när varje rad blivit avläst så har en bildruta bildats, som skickas vidare till IAS2. 6 I IAS2 (Image Acquisition System) finns drivenheter och insamlingselektronik för bildplattan. Det fungerar också som en länk mellan PortalVision-stationen, den infällbara armen, detektorenheten samt acceleratorn och kontrollerar hela bildbehandlingsprocessen. IAS2 har också till uppgift att förbättra bildkvaliteten och ge 5

12 2 Utrustning snabb bildinsamling. Den slutliga signalen är ett medelvärde av alla bildrutor som har samlats in Programvara Programmet för bildtagningssystemet heter PortalVision 6.2 och utvecklades av Varian Medical System, samma företag som är tillverkare av acceleratorerna som används. Dosplaneringsprogrammet som används heter Eclipse. 2.4 Diodskanner/densitometer För att göra mätningar i vatten användes ett vattenfantom och en diodskanner (se figur 4). Diodskannern kan förflyttas i vattenfantomet i x- och y-led. Den skannar in ett antal värden på en rad antingen inline eller crossline. Inline sammanfaller med x-axeln och crossline sammanfaller med y-axeln (se figur 5). Figur 4: Vattenfantom och accelerator. 8 Accelerator x y - z 0 Inline + Crossline Figur 5: Schema över inskanning. 6

13 2 Utrustning Diodskannern kan även förflyttas i z-led för att mäta i olika djup. Z-axeln sammanfaller med centralaxeln (Central Beam Axis). Vattenfantomet är kopplat till en datastation, där man sköter hela inskanningsproceduren och sparar alla värden. En densitometer användes för att mäta svärtningen på röntgenfilm. Densitometern sitter fast på en lång arm som monteras fast på vattenfantomet, utan vatten, med en glasskiva emellan. Filmen läggs direkt på glasskivan och sedan kan man skanna in profiler i x- eller y-led. Signalen man får motsvarar en viss dos. När man använder densitometern är man inte beroende av acceleratorn. 7

14 3 Utförande 3 Utförande SDD (Source to Detector Distance) var 150 cm och fältstorleken var cirka 20 x 27 cm 2 i isocenter, vilket ger ett fält på cirka 30 x 40 cm 2 i bildplattans plan, om inget annat anges. Isocenter är den punkt som ligger 100 cm från strålkällan och som strålhuvudet roterar runt. Bildplattan justerades i horisontalplanet så att endast den aktiva bildytan och inte känsliga delar runtomkring bestrålades. 6 MV fotoner och dosraten 300 MU/min användes om inget annat anges. För fältstorleken 10 x 10 cm 2 och fokus-hudavståndet 100 cm motsvarar 100 MU (Monitor Units) en högsta absorberad dos i centralaxeln av 1 Gy. 1 Båda acceleratorerna användes för grundläggande mätningar n användes för mätningar i vatten och IMRT-fält. Mätningarna utförde jag delvis tillsammans med Sture Eklund och delvis själv. 3.1 Kalibrering Kalibrering gjordes före varje serie av mätningar som påbörjades. Vid kalibrering tas en dark field (DF) och en flood field (FF) på hela plattan. Kalibreringen gjordes i IMRT-mod med dosraten 300 MU/min och för 6 MV eller 15 MV beroende på vad som skulle användas vid mätningarna. Cirka 100 bildrutor samlades in för respektive bild Dark field bild Innehållet i en dark field bild används för att definiera bildens nollnivå genom att utan strålning avläsa varje pixels signal. Bilden är därmed oberoende av linjäracceleratorn Flood field bild En flood field bild tas med strålning och öppet fält. Den korrigerar för känsligheten hos olika pixlar samt skillnader i strålfältet för att ge en homogen bild. Flood field bilden är beroende av acceleratorn och variationer i dosrat under insamling av bildrutor ger en felaktig bild. 6 Kliniska bilder justeras genom att värdet i varje pixel subtraheras med motsvarande pixel i flood field bilden Ghosting effect Med ghosting effect menas att man kan få en signal i bildplattan på grund av en bestrålning som gjorts tidigare. Ghosting effect undersöktes inte närmare i detta projekt. Istället hänvisas till mätningar av bl.a. A. Van Esch The use of an asibased EPID for routine absolute dosimetric pretreatment verification of dynamic IMRT fields, som visar att ghosting effect endast har betydelse under extrema förhållande som t ex temperaturhöjning, men inte har någon klinisk relevans. 10 I det här projektet förutsätts det att temperaturen i behandlingsrummen på Centrallasarettet hålls konstant. 8

15 3 Utförande 3.3 Linjäritet med avseende på dos Bildplattans linjäritet med avseende på olika stråldoser testades. Bildplattan kalibrerades innan bildinsamlingen påbörjades. Serier togs på 5, 10, 25, 50, 100, 150 MU och sedan med 50 MU:s intervall upp till 400 MU. För varje serie gjordes 3 mätningar. Medelsignalen för varje mätning multiplicerades sedan med antal insamlade bildrutor för att få totala signalen från EPID. Därefter togs medelvärdet för de tre mätningarna inom samma serie. Linjäriteten testades för hela bildplattan och för ett Region of Interest (RoI) 129 x 129 pixlar i mitten på bildplattan. 3.4 Stabilitet Långtidsstabilitet För undersökning av långtidsstabiliteten hos bildplattan gjordes 3 mätningar med 200 MU 1-2 gånger i veckan under 6 veckor. Kalibrering gjordes före varje serie av de tre mätningarna. Medelvärdet av de tre mätningarna togs. Totalt insamlades 30 bilder vid tio olika tillfällen. Mätningarna utfördes på 2100-n Korttidsstabilitet För att undersöka korttidsstabiliteten hos bildplattan gjordes ett försök likt en klinisk situation. En dosbild togs var 15:e minut under drygt två timmar. Bildplattan kalibrerades innan första bilden togs. Totalt inhämtades 10 bilder. Hela bildplattan bestrålades och dosen var 200 MU. Mätningarna utfördes på 2300-n. 3.5 Dosratberoende Tester gjordes för att undersöka om bildplattan ger liknande signal för en viss stråldos med olika dosrat. Två bilder med 200 MU togs för 100, 200, 300, 400 respektive 500 MU/min. Medelvärdet av de två bilderna togs sedan. Mätningarna utfördes på 2100-n. 3.6 Homogenitet I dessa försök gjordes tester för att undersöka hur kalibreringen påverkar homogeniteten i bildplattan. Vid kalibreringen insamlades 36, 106 samt 393 bildrutor för dark field samt flood field bilderna. Sedan togs dosbilder med cirka 395 bildrutor (200 MU) för vardera kalibrering. Ytterligare tester gjordes senare för att undersöka vad som händer om man samlar in fler bildrutor vid kalibrering än vid dosbild. Vid kalibrering insamlades då 34, 95, 192, 399 samt 663 bildrutor för dark field respektive flood field. Efter varje kalibrering togs bilder med cirka 35 bildrutor (17 MU), 96 bildrutor (50 MU), 193 bildrutor (100 MU), 392 bildrutor (200 MU). Hela bildplattan bestrålades. Mätningarna utfördes på 2300-n. 9

16 3 Utförande 3.7 Kalibreringsrutiner För att undersöka kalibreringsrutiner för bildplattan gjordes tester med olika fältstorlekar och strålhuvudsvinklar. Bildplattan kalibrerades först med strålhuvudsvinkeln 0º. Fältet var 19,5 x 26,5 cm 2 i isocenter. Sedan fälldes bildplattan tillbaka intill acceleratorn och sedan ut igen. Därefter togs två bilder med öppet fält och bildplattan fälldes in och ut emellan. Testet upprepades med fältstorleken 6,6 x 6,6 cm 2 i isocenter. Kalibrering gjordes före som vanligt för hela bildplattan. Tester gjordes också för att undersöka vilken effekt olika strålhuvudsvinklar har. Efter kalibrering togs en bild med strålhuvudsvinkeln 0º. Sedan roterades strålhuvudet till 90º där två nya bilder togs. Kalibrering gjordes sedan med strålhuvudet kvar i 90º och därefter togs en bild. Försöket gjordes för fältstorlekarna i isocenter 19,5 x 26,5 cm 2 respektive 6,6 x 6,6 cm 2. Testerna utfördes på 2300-n. På 2100-n gjordes liknande tester. Först kalibrerades bildplattan. Sedan togs bilder med ett fält på 6,6 x 6,6 cm 2 i isocenter för strålhuvudsvinklarna 0º, 90º respektive 180º. Försöket upprepades även för ett fält på 18,5 x 26,5 cm 2. Slutligen togs också en bild efter att bildplattan fällts in och ut. 3.8 Tester med bolus Tester gjordes för att undersöka vilken tjocklek på bolus som behövs för att få maximala dosen i bildplattan. Bolus är ett vattenekvivalent material som används för att öka dosen då man får en build-up effekt (se kapitel 2.2). Fältstorleken var 6,6 x 6,6 cm 2 i isocenter och dosen var 200 MU. Den första bilden togs utan bolus och sedan lades 5 mm bolus direkt på bildplattan för varje mätning, så att den sista mätningen hade ett bolus på totalt 40 mm. Totalt insamlades 9 bilder. Tester gjordes för både 6 MV och 15 MV. För 6 MV fotoner lades bolus på upp till 30 mm. Sammanlagt togs 7 bilder. Mätningarna utfördes på 2300-n. 3.9 Mätningar i vatten För att kunna jämföra dosen i bildplattan med den faktiska dosen genomfördes mätningar i vatten med en diodskanner (se kapitel 2.4). Fältstorleken var 20,7 x 27,4 cm 2 i isocenter, liknande som när bildplattan används, och SDD var 150 cm. Mätningarna utfördes på 14 mm djup för 6 MV fotoner och på 27 mm djup för 15 MV fotoner, för att mäta i dosmaximum 11. Dosraten var densamma som för testerna med bildplattan, 300 MU/min. Mätningar utfördes för 0, ±75 och ±150 mm inline, samt vid 0 och ±100 mm crossline (se kapitel 2.4). Diodskannern var inställd att mäta ett värde varannan millimeter. Diodmätningarna är normerade till 100 % i centralaxeln. På samma sätt normerades också dosen i bildplattan. 10

17 3 Utförande 3.10 IMRT En IMRT-behandling simulerades med hjälp av ett patientliknande fantom. Behandlingen bestod av fyra fält med strålhuvudsvinklarna 0º (fält 1), 90º (fält 4), 180º (fält 2) samt 270º (fält 3) Reproducerbarhet hos IMRT-fälten För att undersöka om acceleratorn levererar samma dos för ett specifikt fält vid olika tillfällen togs tre dosbilder för varje fält. Bildplattan fälldes in mellan varje behandling utan att kalibreras. Ytterligare en behandling togs sedan efter att bildplattan fällts in och kalibrerats på nytt Jämförelse: PortalVision och film Dosen som bildplattan visar jämfördes också med film. Filmen lades direkt på bildplattan vid SDD 150 cm. För att mäta i dosmaximum lades ett 10 mm tjockt bolus ovanpå filmen. För enkelhetens skull så ändrades fälten med strålhuvudsvinklarna 90º, 180º samt 270º så att strålhuvudet hade vinkeln 0º. Detsamma gjordes även för motsvarande PortalVision bilder. För att senare kunna lokalisera sig på filmen så ritades ett kryss på filmkuvertet som synkroniserades med strålfältets fältkryss. Innan framkallningen gjordes sedan två små hål med en synål på vardera linjen, för att på så sätt få en x- och en y-axel. Filmen framkallades och skannades sedan in med hjälp av en densitometer. Mitten på filmen synkroniserades då så att origo hamnade i mitten. För att kunna jämföra filmen med motsvarande dosbild från EPID togs en bild med en blykula i mitten på fältkrysset. Med hjälp av krysset på filmen kunde då filmen och bilden från EPID synkroniseras vid jämförelse. En densitometer mäter svärtningen i filmen och ger en signal därefter. Man mäter också slöjan, dvs. bakgrunden på en oexponerad film, som sedan subtraheras från signalen. Det går att ställa in olika parametrar för densitometern. Här användes 2 mm skanning med 5 mm mellan varje rad. En kalibrering gjordes också för filmen, då svärtning gentemot dos har en logaritmisk form. Fyra filmer bestrålades med 50, 100, 150 respektive 200 MU, som det senare mättes svärtningen på. Ett diagram gjordes med de olika värdena och en logaritmisk kurva anpassades. Ekvationen för kurvan användes sedan för att justera signalen från filmen. 11

18 4 Resultat 4 Resultat 4.1 Linjäritet med avseende på dos Diagrammen visar totala signalen från EPID med avseende på stråldos, dvs. för olika MU. Figur 5A visar linjäriteten i hela bildplattan och figur 5B visar linjäriteten inom ett RoI (Region of Interest) på 129 x 129 pixlar, vilket motsvarar en storlek på cirka 10 x 10 cm 2. Figur 5: Linjäritet med avseende på dos. A. Medelsignalen från hela bildplattan. B. Medelsignalen för ett RoI 129 x 129 pixlar. I båda diagrammen har en kurva anpassats. Ser man på hela bildplattan så är den linjär inom ±0,5 % från MU. Signalen vid 5 MU skiljer sig med -1,9 % från kurvan. Även då man ser på ett RoI 129 x 129 pixlar så ligger differensen från kurvan på ±0,5 %. Där skiljer sig signalen vid 5 MU med -3,5 %. 12

19 4 Resultat 4.2 Stabilitet Långtidsstabilitet För att mäta långtidsstabiliteten togs bilder med 200 MU vid olika tillfällen under en 6-veckors period. I figur 6 ses mätningar för hela bildplattan samt ett RoI 129 x 129 pixlar. Mätningarna för långtidsstabiliteten ligger inom ±1,2 % från medelvärdet av signalen vid varje tillfälle. Figur 6: Medelsignalen mätt vid olika tider under en 6-veckors period för hela bildplattan samt för ett RoI 129 x 129 pixlar Korttidsstabilitet I detta försök för att mäta korttidsstabiliteten togs bilder med 200 MU varje kvart under två timmar. Figur 7 visar att totala signalen från EPID minskar med tiden. Minskningen från första till sista mätningen är 0,2 %. Figur 7: Korttidsstabilitet, skillnad i procent från medelsignalen från bildplattan. Signalen mättes varje kvart under två timmar för hela bildplattan och ett RoI 129 x 129 pixlar. 13

20 4 Resultat 4.3 Dosratberoende Här testades signalen med avseende på olika dosrat. Figur 8 visar resultatet från hela bildplattan. Skillnaden mellan högsta och minsta värdet är 1,2 %. Resultatet för ett RoI på 129 x 129 pixlar ger ingen märkbar skillnad och visas därför inte här. Figur 8: Total signal från bildplattan med avseende på dosrat. 4.4 Homogenitet Figur 9 visar en typisk PortalVision bild. I diagrammen på följande sida kan man se linjeprofiler från en sådan bild. Skillnader i gråskala visar skillnader i relativ dos. Mörkare ton motsvarar högre dos Rader 384 Kolumner Figur 9: PortalVision bild för dosen 200 MU. I figur 10A visas en linjeprofil från topp till botten (kolumn 256) med cirka 392 bildrutor för olika antal insamlade bildrutor vid kalibrering. Man får en lutning i responskurvan som blir mindre ju fler bildrutor som samlats in vid kalibrering, dvs. vid dark field bild (DF) och flood field bild (FF). I figur 10B ses motsvarande diagram från vänster till höger (rad 192). 14

21 4 Resultat Figur10: Linjeprofiler för PortalVision bilder som tagits efter kalibreringar med olika antal insamlade bildrutor. A. Totala signalen från EPID i kolumn 256. B. Totala signalen från EPID i rad 192. Bildplattans homogenitet beror alltså på hur många bildrutor som samlas in vid kalibrering. 4.5 Kalibreringsrutiner De första försöken på 2300-n där bildplattan kalibrerades och sedan fälldes in och ut visar inga förändringar i PortalVision bilden. När hela bildplattan bestrålades vid 90º ses ojämnheter som inte finns vid strålhuvudsvinkeln 0º(se figur 11A). Detta syns både om man studerar en linjeprofil från topp till botten samt från sida till sida. Vid vinkeln 90º gav bildplattan en relativ dos på cirka 25 %. När dessa jämfördes normerades de därför till 100 % i dosmaximum. Figur 11: Bilder efter kalibrering vid olika vinklar, tester utförda på 2300-n. A. Kolumn 256 vid två olika strålhuvudsvinklar för hela plattan. B. Kolumn 256 för fältstorleken 6,6 x 6,6 cm 2 vid olika strålhuvudsvinklar. Vid motsvarande kurvor för fältet 6,6 x 6,6 cm 2 ser man inga ojämnheter (se figur 11B). Däremot ser man att kurvan är förskjuten något vilket även syns om man studerar bildplattan i andra ledden. I höjdledd är förskjutningen cirka 3,9 mm och i sidled är förskjutningen cirka 2,4 mm. 15

22 4 Resultat Bildplattan kalibrerades sedan vid strålhuvudsvinkeln 90 och därefter blev dosbilden jämn. Figur12: Bilder efter kalibrering vid olika vinklar, tester utförda på 2100-n. A. Hela bildplattan, kolumn 256. B. Fält 6,6 x 6,6 cm 2, kolumn 256. C. Fält 6,6 x 6,6 cm 2, rad 192. Testerna på 2100-n ger liknande resultat som testerna på 2300-n. Att bildplattan fälldes in och ut mellan två PortalVision bilder påverkade inte resultatet. Ojämnheterna i fältet syns både vid strålhuvudsvinkeln 90º samt 180º (se figur 12A). Skillnaden är dock inte lika tydlig som testerna på 2300-n. Testerna med ett fält på 6,6 x 6,6 cm 2 visar liksom testerna på 2300-n inga ojämnheter i fältet. Ser man på figur 12C som visar en linjeprofil i rad 192 så är förskjutningen minimal för båda vinklarna. Från topp till botten, kolumn 256, ses en förskjutning (se figur 12B). Förskjutningen för kurvan vid 90º är 2,4 mm gentemot 0º, motsvarande för 180º är 5,5 mm. 16

23 4 Resultat 4.6 Tester med bolus Figur 13 visar totala signalen från EPID, med olika tjocklek på bolus, vid 15 MV respektive 6 MV fotoner. För 15 MV fotoner fås dosmaximum då 20 mm bolus används. Signalen är då 8 % större jämfört med inget bolus. Vid 6 MV fotoner fås dosmaximum utan bolus. Figur 13: Totala signalen från EPID då bolus med olika tjocklek lagts direkt på bildplattan. A. Tester med 15 MV fotoner. B. Tester med 6 MV fotoner. 4.7 Jämförelse: Mätningar i vatten och bildplattan Mätningar med en diodskanner gjordes i vatten för ett område lika stort som bildplattan. Jämför man bildplattan med kurvorna i vatten så har bildplattan inte de karakteristiska hornen som blir av utjämningskroppen. Utjämningskroppen finns i strålhuvudet för att jämna ut fältet. Det gör att man får en ring med något högre dos runt centralaxeln. Mätningarna i vatten visar upp till 5 % högre relativ dos i vissa områden (se figur 14). Figur 14: Mätningar med diodskanner i vatten samt PortalVision. A. 0 mm crossline. B. 0 mm inline. 17

24 4 Resultat 4.8 IMRT Reproducerbarhet hos fälten Figur15: Dosbild från PortalVision. Figur16: Fyra IMRT-fält detekterade av EPID. A. Fält 1, 0 º, kolumn 256. B. Fält 2, 180 º, kolumn 256. C. Fält 3, 270 º, kolumn 200. D. Fält 4, 90 º, kolumn 312. I detta test togs fyra bilder för varje IMRT-fält för att undersöka reproducerbarheten hos acceleratorn. Figur 15 visar en PortalVision bild på fält 1 och det vertikala strecket visar hur linjeprofilen är lokaliserad. Figur 16 visar IMRT-fälten vid fyra 18

25 4 Resultat olika strålhuvudsvinklar. Varje diagram visar samma fält vid fyra tillfällen varav en då bildplattan kalibrerats på nytt innan strålning. Skillnaderna mellan samma fält vid olika tillfällen är så liten att de är svåra att urskilja från varandra Jämförelse: PortalVision och film I nästa försök med IMRT-fält jämfördes PortalVision bilder med IMRT-fält tagna på röntgenfilm. Figur 17 visar tre olika IMRT-fält jämfört med motsvarande fält på film. Då osäkerheten vid inskanningen kan vara flera millimeter har viss justering gjorts för att synkronisera bilderna så noggrant som möjligt. D Figur17: Diagrammen visar PortalVision bilder av ett IMRT-fält jämfört med motsvarande fält på film. A. Fält 1, 0 º, kolumn 256. B. Fält 2, 180 º, kolumn 256. C. Fält 3, 270 º, kolumn 168. D. Två bilder på fält 1, den vänstra visar IMRT-fältet på film och den högra visar IMRT-fältet som en PortalVision bild. Figur 17D visar till vänster en bild från en röntgenfilm och till höger en bild från PortalVision. Båda bilderna visar fält 1. Resultaten från de här försöken visar att acceleratorn levererar samma fält flera gånger med stor noggrannhet. Jämförelserna med röntgenfilm visar att fälten skiljer sig något. 19

26 5 Diskussion 5 Diskussion Resultaten visar att bildplattan är linjär inom 0,5 % från MU. Totala signalen från bildplattan varierar inom ±1,2 % från medelvärden i mätningar gjorda under en 6-veckors period. Ser man på en kortare period, en mätning var 15:e minut under två timmar, sjunker totala signalen från bildplattan med 0,2 % från första till sista mätningen. Bildplattan ger liknande signal vid olika dosrat för samma stråldos. Homogeniteten i bildplattan beror på kalibreringen. Man får en lutning i respons från bildplattan som blir mindre ju fler bildrutor som samlas in vid kalibrering. Tester för kalibrering visar att man får en förskjutning i planet vid andra strålhuvudsvinklar än 0. Vid större fält fås ojämnheter i dosbilden. Testerna då bildplattan fälls in och ut igen tyder inte på några förskjutningar eller ojämnheter. Då PortalVision bilder togs med bolus fås den högsta signalen vid 20 mm bolus för 15 MV fotoner samt högsta signalen då inget bolus används för 6 MV fotoner. Mätningar i vatten ger områden som visar att den faktiska dosen är upp till 5 % högre än dosen som bildplattan visar. Testerna som gjordes för att undersöka reproducerbarheten hos acceleratorn för IMRT-fält visar god noggrannhet. IMRT-fält detekterade av bildplattan avviker något från motsvarande fält på röntgenfilm. 5.1 Linjäritet med avseende på dos Resultaten visar att bildplattan är linjär med avseende på dos. Det stämmer väl överens med både A. Van Esch s 10, P.W. Chin s 12 och C. Adestams 13 tester. A. Van Esch fann att den totala signalen från bildplattan är linjär från 2 MU och uppåt och P.W. Chin fann att signalen är linjär inom 1 % från MU. Även C. Adestams tester visade att linjäriteten med avseende på dos är utmärkt. Eftersom bildplattan ger en integrerad signal så har linjäriteten stor betydelse för noggrannheten då man mäter dos. Om bildplattan inte var linjär så skulle man få ett fel som ökar med ökad dos. 5.2 Stabilitet Långtidsstabilitet Våra tester visar att bildplattan är stabil inom ±1,2 % från medelvärdet av signalerna. C. Adestams 13 resultat gav en skillnad från medelvärdet med ±0,45 % vid 400 MU, på tester gjorda under tre månader. Det är dock svårt att säga någonting om stabiliteten på lång sikt då mätningarna endast utfördes under drygt en månad. Att våra mätningar har sämre reproducerbarhet än C. Adestams kan även bero på att vi har strålat med 200 MU. Då signalen från EPID är ett medelvärde av alla insamlade bildrutor blir noggrannheten större för fler MU. Om man bortser från det värde som skiljer sig mest, +1,2 %, så ligger de andra inom ±0,7 %. 20

27 5 Diskussion Korttidsstabilitet Signalen från bildplattan minskar en aning i tiden. Minskningen från första till sista mätningen är dock endast 0,2 %, vilket är av liten betydelse. Att korttidsstabiliteten är god visar också C. Adestams 13 tester där reproducerbarheten ligger inom ±0,5 % vid 20 MU och ±0,1 % vid 400 MU. 5.3 Dosratberoende Testerna visar att bildplattan ger liknande signal för en viss stråldos även om dosraten ändras, vilket är bra. 5.4 Homogenitet I figur 9 (se kapitel 4.4) ser man att bildplattan inte återspeglar en homogen bild. P.W. Chin 12 fann att man kan påverka denna effekt genom att variera hur många bildrutor som samlas in vid kalibrering. Testerna här visar att bilden blir jämnare ju fler bildrutor som samlas in vid kalibrering. P.W. Chin s försök visar att dosen är mindre ut mot kanterna, vilket skiljer sig från våra mätningar, där ingen märkbar skillnad syns i sidled. Detta kan bero på att bildplattorna skiljer sig något. Varian rekommenderar en insamling vid kalibrering på cirka 30 bildrutor. 6 Då får man en skillnad i relativ dos på cirka 2,5 % mellan högsta och minsta värdet. Redan vid kalibrering med cirka 100 bildrutor fås en skillnad på cirka 1 %. Vid kalibrering med cirka 400 bildrutor är skillnaden knappt 0,3 %. Vill man ha större noggrannhet bör man alltså kalibrera med flera bildrutor. Att bildplattan har en lutning i respons är ett känt problem som inte bara avser Varians bildplattor på centrallasarettet i Västerås. Det tros vara ett mjukvaruproblem och ska enligt Varian vara åtgärdat i kommande version av PortalVision. 5.5 Kalibreringsrutiner Om bildplattans position ändras från ett tillfälle till ett annat så fås ojämnheter i bilden. Detta syns tydligt då hela bildplattan bestrålas. Vid kliniska situationer är det troligare att mindre områden bestrålas och då fås inte dessa ojämnheter. Kalibreringen är också känslig för variationer i dosrat under insamlingen av flood field bilder. Innan vidare undersökningar har gjorts rekommenderas det att bildplattan kalibreras före varje användning. Testerna i detta projekt där bildplattan fällts in och ut visar att det inte verkar ha någon påverkan på kvaliteten i bilden så länge den inte justeras i horisontalplanet och samma SDD (Source to Detector Distance) används. Att man får en förskjutning i sidled vid andra strålhuvudsvinklar än 0 tyder på att bildplattan inte är helt fast utan hänger något. Att detta är mindre tydligt på 2100-n kan bero på att den är nyare och att mekaniken har förbättras. 21

28 5 Diskussion 5.6 Mätningar med bolus Högsta dosen för 15 MV fotoner fås då ett bolus med totala tjockleken 20 mm används. Eftersom bildplattan i sig ger en build-up på cirka 10 mm så blir det tillsammans cirka 30 mm. Det stämmer ganska bra överens med 15 MV fotoners dosmaximum i vatten, som är cirka 27 mm beroende på fältstorlek och SDD. 11 Enligt mätningarna i de här försöken skulle ett 20 mm bolus ge en cirka 8 % högre signal jämfört med inget bolus. Signalen från bildplattan vid 20 mm bolus är inte heller mycket högre än vid 15 mm eller 25 mm. Det är svårt att säga vilken tjocklek på bolus som är det optimala om man räknar in felkällor, men det kan konstateras att ett bolus på mellan mm höjer signalen nämnvärt. Detta kan dock vara opraktiskt i kliniska situationer, speciellt vid andra strålhuvudsvinklar än 0º. Resultatet för mätningar med bolus för 6 MV visar att högsta dosen fås då inget bolus används. Man hade kanske kunnat förväntat sig att även ett bolus på 5 mm skulle öka dosen, då bildplattan i sig ger en build-up på cirka 10 mm och 6 MV fotoner har ett maximum på 14 mm djup i vatten. 11 Det kan dock konstateras att inget bolus är nödvändigt för mätningar med 6 MV fotoner. 5.7 Mätningar i vatten Mätningar i vatten visar att dosen inte är homogen över fältet. Man får de karakteristiska hornen som uppkommer på grund av utjämningskroppen som finns i strålhuvudet. På vissa områden i plattan skiljer sig den relativa dosen i bildplattan jämfört med mätningar i vatten upp till 5 %. 5.8 IMRT Reproducerbarhet hos fälten De första försöken där samma IMRT-fält jämfördes fyra gånger tyder på att reproducerbarheten från acceleratorn är utmärkt. De fyra olika fälten visade alla minimal skillnad från ett tillfälle till ett annat Jämförelse: PortalVision och film Kurvorna från försöken där IMRT-fält detekterade av EPID jämfördes med motsvarande fält på film visar likhet, men med en viss skillnad i dos. Om man jämför bildplattan med mätningar i vatten (se kapitel 4.7), så skiljer sig också den faktiska dosen med den som bildplattan visar. Man borde därmed inte få kurvor som helt stämmer överens. 5.9 Vision 7.0 I Vision ingår PortalVision och i Vision 7.0 kommer också dosplaneringsprogrammet Eclipse att integreras. I Eclipse utlovas av Varian att det kommer att finnas en modul, Predicted Dose, som kan göra en dosbild av det planerade IMRT-fältet. Genom att jämföra denna bild med dosen som bildplattan detekterar, Transit Dose, kan man jämföra den planerade dosen med den givna dosen. 22

29 5 Diskussion Vidare så kommer också program finnas i PortalVision för att jämföra isodoskurvor och göra dosprofilkurvor med absolut dos. En viktig del i denna version av PortalVision är att man tar hänsyn till dosprofilkurvor i vatten, så att en dos mer lik den faktiska fås. Idag kalibreras ojämnheter bort för att ge en homogen bild. Dosbilderna kommer också att kunna flyttas i sidled för att kunna korrigera för eventuella förskjutningar 14. Enligt Patrick Sommer, Using PortalVision for IMRT verification, så kan förarbetet till en IMRT-behandling med dessa verktyg förkortas ned till cirka 30 minuter istället för flera timmar

30 6 Slutsats och rekommendationer 6 Slutsats och rekommendationer Med de verktyg som finns idag kan det konstateras att PortalVision as500 inte uppfyller de krav som finns för att utgöra en användbar stråldosmätare. Bildplattan kalibreras för att ge en homogen bild och eftersom strålfältet i sig inte är homogent får man inte den faktiska dosen. Testerna i detta projekt visar dock att bildplattan är linjär och stabil och att den med den rätta mjukvaran skulle kunna fungera utmärkt som stråldosmätare. Vidare rekommenderas det att kalibrera före varje behandling. Vid insamling av cirka 100 bilder för flood field respektive dark field fås en homogen bild där dosen bara skiljer i någon procent på olika delar av bildplattan. Om dosraten varierar kraftigt under kalibreringen bör kalibreringen göras om. Testerna visar att acceleratorn levererar samma IMRT-fält med små marginaler vid olika tillfällen. Resultatet är dock baserat på några få tester. Det återstår att undersöka om den planerade dosen överrensstämmer med dosen som levereras av acceleratorn och detekteras av bildplattan. Innan IMRT implementeras på kliniken rekommenderas därför ytterligare undersökningar med de nya verktygen som kommer samt utvärdering av Vision

31 7 Litteraturförteckning 7 Litteraturförteckning [13] C. Adestam Portal dose image prediction by means of an amorphous silicon (as500) electronic portal image device. Göteborgs universitet. [3] A. L. Boyer m.fl Intensity-modulated radiotherapy: Current status and issues of interest. Int. J. Radiation Oncology, Volume 51, Number 4. [11] A. Brahme, A. Kerek, B. Nilsson. Kompendium från kurs läst 2003, Karolinska Institutet, Stockholm. Radiation physics for course in Medical Bioengineering. [12] P.W. Chin The Varian as500 as a dosemeter: preliminary investigations. The 8 th International Workshop on Electronic Portal Imaging, Brighton, UK. [1] J. Degerfält Strålbehandling. Studentlitteratur. ISBN [9] K. Eilertsen Image Processing and Image Registration. The 8 th International Workshop on Electronic Portal Imaging, Brighton, UK. [10] A. Van Esch The use of an asi-based EPID for routine absolute dosmetric pre-treatment verification of dynamic IMRT fields. The 8 th International Workshop on Electronic Portal Imaging, Brighton, UK. [2] M. Isaksson Grundläggande strålningsfysik. Studentlitteratur. ISBN [7] H. Parsaei The use of an electronic portal imaging system to measure portal dose and portal dose profiles. Med. Phys, oktober [15] Patrick Sommer Using PortalVision for IMRT verification. Proceedings 9 th Varian European Users Meeting, June [5] Varian Medical System Clinac 2100C/D, 2300C/D, 21EX, 23EX. Systems manual [6] PortalVision TM as500, Rel. 6, System Manual, [8] Scanditronix AB RFA-300, Operation Manual, Software Version 4.2. [4] [ ]. [14] Uppgifter från The 8 th International Workshop on Electronic Portal Imaging, Brighton, UK,

32 8 Annan intressant litteratur inom området 8 Annan intressant litteratur inom området A. Van Esch m.fl.. QA of IMRT and dmlc by means of the liquid filled PortalVision: the clinical implementation. Proceedings 9 th Varian European Users Meeting, June H. Kellerm, M. Fix, P. Rüegsegger.. Calibration of a portal imaging device for highprecision dosimetry: A Monte Carlo study. Med. Phys. 25 (10), October D. A. Low, W. B. Harms, S. Mutic, J. A. Purdy. A technique for the quantitative evalutation of dose distributions. Med. Phys. 25 (5), May L. N. McDermott, R. J. W. Louwe, J.-J. Sonke, M. B. van Herk, B. J. Mijnheer. Dose-response and ghosting effects of an amorphous silicon electronic portal imaging device. Med. Phys. 31 (2), February P. Munro. X-ray quantum limited portal imaging using amorphous silicon flat-panel arrays. Med. Phys. 25 (25), May M. Partridge, P. M. Evans, A. Mosleh-Shirazi, D. Convey. Independent verification using portal imaging of intensity-modulated beam delivery by the dynamic MLC technique. Med. Phys. 25 (10), October K. L. Pasma, B. J. M. Heijmen, M. Kroonwijk, A. G. Visser. Portal dose image (PDI) prediction for dosimetric treatment verification in radiotherapy. I. An algorithm for open beams. Med. Phys. 25 (6), June D. Vetterli m.fl.. Electronic portal imaging: a useful tool in patient related QA for IMRT. Proceedings 9 th Varian European Users Meeting, June B. Warkentin, S. Steciw, S. Rathee, B. G. Fallone. Dosimetric IMRT verification with a flat-panel EPID. Med. Phys. 30 (12), December