DE19606809C1

DE19606809C1 - Vorrichtung zur Bestimmung der 3-dimensionalen mittleren Energieverteilung im Photonenfeld von Linearbeschleunigern

Info

Publication number: DE19606809C1
Application number: DE19606809A
Authority: DE
Inventors: Tilo Wiezorek; Robert Dr Guenther
Original assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Current assignee: Friedrich Schiller Universtaet Jena FSU
Priority date: 1996-02-23
Filing date: 1996-02-23
Publication date: 1997-03-27
Anticipated expiration: 2016-02-24

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung der 3-dimensionalen mittleren Energieverteilung im Photonenfeld von Linearbeschleunigern, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einer im Strahlungsfeld befindlichen Empfängermatrix und einem Rechner als Ausgabe- und Zuordnungseinheit.

Die Erfindung findet in der physikalischen Meßtechnik, vorzugsweise in der Tumortherapie Anwendung. Sie ist bei der Verwendung ultraharter Strahlung in Therapiegeräten zur Konstanzprüfung der Qualität der ultraharten Bremsstrahlung vorgesehen.

Basierend auf der DIN 6847 Teil 5 erfolgt derzeitig die periodische Überprüfung der Qualität ultraharter Bremsstrahlung medizinischer Elektronenbeschleuniger auf der Basis verschiedener Qualitätsindizes, wie nominelles Beschleunigerpotential, Qualitätsindex D20/D10 oder Halbwertsschichtdicke (Kosunen A. et.al.). Die Ermittlung dieser Qualitäts indizes beruht in den meisten Fällen auf der Auswertung von Dosismessungen im Zentralstrahl. Aussagen über die Konstanz der Strahlenqualität außerhalb des Zentralstrahls können nicht getroffen werden.

Untersuchungen einer Reihe von Autoren weisen aus, daß es zu einer Veränderung der mittleren Energie bei einer seitlichen Abweichung vom Zentralstrahl kommt. Diese Ergebnisse ergaben sich aus analytischen Methoden (Desobry G.E. et.al.), der Kombination von indirekten Meß- und Rekonstruktionsverfahren (Huang P.H. et.al.) und der direkten Messung an einem speziell gefertigten Linearbeschleuniger mit wesentlich geringerer Intensität als an sonst in der Therapie üblichen Geräten (Faddegon B.A. et.al.). Es wurde nachgewiesen (Huang P.H. et.al.), daß auch Magnetronpower und Strahlenspektrum gekoppelt sind, und somit eine Übernahme der Ergebnisse für individuelle Fälle nicht ohne weiteres möglich ist.

Eine für die klinische Routine relevante Methode bzw. Vorrichtung zur Bestimmung und Überprüfung einer 3-D-abhängigen Veränderung der mittleren Energie hochenergetischer Bremsstrahlung erzeugt von medizinischen Linearbeschleunigern existiert nicht.

Eine 3-D-Überprüfung der Konstanz bzw. des Verlaufs der o.g. mittleren Energie unter Nutzung eines effektiven Verfahrens unter den "vor Ort"-Be dingungen in der strahlentherapeutischen Routine ist angesichts der immer stärker in die ständige Nutzung einfließende 3-D-Bestrahlungs planung erforderlich. Neue Erkenntnisse über den Einfluß von strahlmodifizierenden Elementen wie Absorberblöcken oder Keilfiltern auf die Qualität der Strahlung in verschiedenen Gewebstiefen würden eine weitere Optimierung der Bestrahlungsplanung für die Tumortherapie ermöglichen.

Die Vorrichtung soll die Bestimmung der mittleren Energieverteilung insbesondere in medizinisch relevanten Bremsstrahlenfeldern und Applikationstiefen ermöglichen. Der Einfluß von Absorbern im Strahlenfeld auf die Verteilung der mittleren Energie soll bestimmbar werden.

Die Lösung der Aufgabe gelingt mit Hilfe einer Vorrichtung mit dem Merkmalen des Oberbegriffs erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.

In der Erfindung werden die Beziehungen zwischen den Massen energieabsorptionskoeffizienten bekannter Materialien und der mittleren Energie der ultraharten Bremsstrahlung ausgenutzt. Desweiteren wird die Änderung dieser Massenenergieabsorptionskoeffizienten zur Erzeugung eines "Kontrast"-Ausgangssignals K, welche auf dem unterschiedlichen Schwächungsverhalten von Stoffen basiert, genutzt, wie im Folgenden prinzipiell erläutert:
Der Kontrast K definiert sich im Allgemeinen als Quotient aus Amplitude A und Mittelwert M.

Die Schwächung der Strahlenintensität einer Strahlung mit eingestrahlter Intensität I₀ geschwächt durch einen Stoff mit einem Massenenergie absorptionskoeffizienten und einer bestimmten Dicke d₀ = d₁ + d₂ kann mittels einer Exponentialfunktion beschrieben werden, wobei die Intensität hinter dem Stoff mit I₁ bezeichnet werden soll.

I₁ = I₀_*exp(-µ₁(d₁+d₂)) (2)

Die Schwächung der Strahlenintensität einer Strahlung mit eingestrahlter Intensität I₀ geschwächt durch zwei Stoffe mit den Massenenergie absorptionskoeffizienten µ₁ und µ₂ und einer bestimmten Dicke d₁ und d₂ kann mittels einer Exponentialfunktion beschrieben werden, wobei die Intensität hinter dem Stoff mit I₂ bezeichnet werden soll.

I₂ = I₀_*exp(-µ₁d₁-µ₂d₂) (3)

Setzt man die Amplitude zwischen beiden Intensitäten und den Mittelwert in eine Beziehung lt. (1) so erhält man den Kontrast:

Aus Gleichung (4) ist zu erkennen, daß der Kontrast nur von den beiden Massenenergieabsorptionskoeffizienten und der Dicke d₂, für die sich das Absorptionsverhalten unterscheidet, abhängt und daß die Intensität der einfallenden Strahlung und die Dicke d₁ keinen Einfluß auf den Kontrast haben. Die Abhängigkeit beider Massenenergieabsorptionskoeffizienten ist wie folgt zu beschreiben:

µ = f(Z, ρ, E) (5)

Für ein konstantes d₂ ist der Kontrast also nur von der Dichte und Ordnungszahl der Materialien und gleichzeitig von der Energie der einfallenden Strahlung abhängig.

Somit ist dieser Kontrast (Primärkontrast) bei der Verwendung von Materialien bekannter Dichte und Ordnungszahl nur noch von der Energie der zu untersuchenden Strahlung abhängig.

K = g ( E) mit Z₁, Z₂, r₁, r₂ = konst. (6)

µ₂-µ₁ = h(E) (6′)

Diese Energieabhängigkeit ist bekannt und in früheren Arbeiten nachgewiesen, sowie in Standards tabelliert (Hubbell J.H.).

Der Primärkontrast wird "in-plane" und "cross-plane" sowie in verschiedenen indizierten Gewebsäquivalenttiefen gemessen. Im weiteren wird die Vorrichtung so gestaltet, daß eine Beeinflussung des Meßergebnisses durch Fremdgrößen verhindert wird und/oder eine gesonderte Erfassung derselben eine Fehlerkorrektur ermöglicht. Die Strahlungsdetektoren sollten einen möglichst linearen Zusammenhang zwischen Signalantwort (Detektorkontrast) und Dosisleistung bzw. Dosis bezogen auf die üblichen Intensitäten aufweisen. Das heißt, eine günstige Wahl des Arbeitspunktes ist sinnvoll und wirkt vereinfachend.

Die Erstkalibrierung erfolgt mit Strahlern bekannter Energien bzw. Energiespektren.

Die vorteilhaften Eigenschaften der Anordnung ergeben sich wie folgt

- Bei Verwendung von Strahlungsdetektoren, die den Fluoreszenzeffekt nutzen, ist eine Ortsdetektion mittels CCD-Kamera und die Bildung eines digitalen Ausgangssignals möglich.
- Die Verwendung von weiteren Strahlungsdetektoren (z. B. Ionisations kammern, HL-Detektoren) ist möglich.
- Eine periodische Überprüfung der Strahlenqualität in Feldern ultraharter Bremsstrahlung und damit eine indirekte Überprüfung der Strahlen feldgröße im Strahlenfeld medizinischer Linearbeschleuniger (Energie fluenz) ist möglich.
- Die Überprüfung kann mit geringem Aufwand und hoher Effizienz durchgeführt werden. Damit ist eine Erhöhung der Verfügbarkeit der kostenintensiven Beschleuniger möglich.
- Eventuell nötige zwischenzeitliche Kalibrierungen können in der Klinik mit Strahlern bekannter Energie oder in Standardlaboratorien erfolgen.
- Die periodische Nutzung einer solchen Vorrichtung hat eine Steigerung der Patientensicherheit beruhend auf dem Zusammenhang zwischen physikalischen Ergebnis der Bestrahlung und der strahlenbiologischen Wirkung zur Folge.
- Neue Erkenntnisse über den Einfluß von medizinisch relevanten Absorbern auf die Veränderung der mittleren Energie tragen zur Optimierung der Bestrahlungsplanung bei.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Figuren beschrieben werden. Es zeigen:

Fig. 1 Feldsegment des Schwächungsmatrixkörpers und Verlauf zweier Kontrastparameter verschiedener Materialien in Abhängigkeit von der mittleren Energie der einfallenden Strahlung,

Fig. 2 Schwächungsmatrix, bestehend aus 49 Feldsegmenten,

Fig. 3 Schwächungsmatrix, bestehend aus einem Aluminium-Körper mit ausgefrästen Bahnen, die mit Blei ausgegossen wurden,

Fig. 4 Schwächungsmatrix, bestehend aus einem Aluminium-Guß körper mit Hohlräumen, die mit Blei ausgegossen wurden,

Fig. 5a Querschnittsdarstellung der Vorrichtung mit Spiegel und Linse zum Messen einer "in-plane und cross-plane"-Verteilung der mittleren Energie ohne Auswerteeinheit (PC),

Fig. 5b Querschnittdarstellung der Vorrichtung mit Glasfaseroptik zum Messen einer "in-plane und cross-plane"-Verteilung der mittleren Energie ohne Auswerteeinheit (PC),

Fig. 6: Signalplan mit Fluoreszenzfilter als Wandler,

Fig. 7 Querschnittsdarstellung der Vorrichtung zum Messen der mittleren Energie in verschiedenen Tiefen bzw. hinter verschiedenen Wasserschichten,

Fig. 8 Schwächungsmatrix mit Streustrahlungsraster zur Verminderung des Streustrahlungsanteils,

Fig. 9 Signalplan mit Halbleiterdetektoren als direkte Wandler.

Die Erfindung basiert auf der im vorangegangenen Abschnitt dargestellten Grundidee einschließlich der folgenden Ausführungen zur Umsetzung.

Zur besseren Veranschaulichung der Grundidee sind in Fig. 1 eine Prinzipskizze a) eines Feldsegmentes 1 des Schwächungsmatrixkörpers und ein Diagramm b), das den Verlauf zweier Kontrastparameter der Materialien Blei (Pb) und Aluminium (Al) in Abhängigkeit von der Energie der einfallenden Strahlung zeigt, dargestellt.

In einen Materialblock 2 mit der Dicke d₀ aus dem Material Aluminium mit dem Schwächungskoeffizienten µ₁ ist ein Materialstreifen 3 aus Blei mit der Dicke d₂ aus einem Material mit dem Schwächungskoeffizienten µ₂ von einer Oberfläche her eingebracht, so daß der Materialblock 3 an dieser Stelle nur noch eine gleichmäßige Dicke von d₁ hat.

Mit dieser Anordnung wird aus der Intensität I₀ ein Kontrast aus den zwei verschieden geschwächten Intensitäten I₁ und I₂ erzeugt. Zur Berechnung des Kontrastes für eine bestimmte Energie, die für das Schwächungs verhalten bestimmend ist, können bekannte, tabellierte Werte genutzt werden.

Der Zusammenhang zwischen den Massenenergieabsorptionskoeffizienten ist zum besseren Verständnis als Kurve dargestellt, so daß die starke Abhängigkeit der Schwächungskoeffizienten von der Energie augenfällig wird.

Da diese tabellierten Angaben für monoenergetische Photonen gelten, kann in Abhängigkeit von der jeweils erforderlichen Genauigkeit eine zusätzliche Kalibrierung des Gesamtsystems mit Photonenstrahlern mit bekannten Spektren erfolgen.

Da der gezeigte Kontrast für das menschliche Auge nicht sichtbar und als Meßgröße nicht direkt verwertbar ist, muß der Strahlendetektor gleichzeitig die Funktion eines Übertragungsgliedes mit Wandlereigenschaften einnehmen.

Dies soll über die Erläuterung des Verfahrens anhand eines Ausführungsbeispiels (Fluoreszenzfolie als Wandler) geschehen.

Fig. 2 zeigt einen Schwächungsmatrixkörper 4, der aus einzelnen Feldsegmenten 1 zusammengesetzt ist. Im Beispiel hat die Matrix k Zeilen und 1 Spalten, wobei jede Zeile zur Hälfte mit den Materialstreifen 3 aus Blei versehen ist.

Die Fig. 3 zeigt einen Schwächungsmatrixkörper 4, der aus einem Aluminium-Körper mit ausgefrästen Bahnen besteht, die anschließend mit Blei ausgegossen wurden und den Materialstreifen 3 bilden.

Nachfolgend erfolgt eine Bearbeitung der Oberfläche, so daß gleichmäßige Dicken der Materialien erzielt werden.

Fig. 4 zeigt einen Schwächungsmatrixkörper 4, der aus einem Aluminium-Guß körper besteht, welcher mit längslaufenden Kammern ausgestattet ist, deren Querschnitt rechteckförmig ist. Die Hohlräume sind mit Blei ausgegossen und bilden den Materialstreifen 3.

Fig. 5a zeigt die Anordnung im Querschnitt. Die Schwächungskörper matrix 4 ist an ihrer der Strahlungsquelle 6 abgewandten Seite ganzflächig mit einer Fluoreszenzschicht 10 bedeckt. Im Winkel von 45° zur Fluoreszenzschicht 10 ist ein Spiegel 8 angeordnet, der das fluoreszierende Licht über eine Linse 5 auf die Empfängermatrix einer CCD-Kamera 7 abbildet. Die Fluoreszenzschicht 10, der Spiegel 8, die Linse 5 und die CCD-Kamera 7 sind von einem lichtdichten Gehäuse 9 umgeben. Wird diese Anordnung mit ultraharter Bremsstrahlung I₀ bestrahlt, so kommt es unter der Schwächungskörpermatrix zu einem Kontrast von Leuchtereignissen, die ein Maß für die Energie der einfallenden Strahlung sind, so lange sich der Arbeitspunkt auf dem linearen Teil der Kennlinie Leuchtdichte-Dosisleistung befindet.

Ist das nicht der Fall, so ist die Kenntnis der Abhängigkeit zwischen Leuchtdichte und Dosisleistung für eine Korrektur nötig. Durch die Anordnung der Schwächungskörper auf einer Matrix ist eine räumliche Zuordnung möglich. Über den Spiegel 8 werden die Leuchtereignisse on-line mit einer CCD-Kamera beobachtet und als digitales Signal zur Verarbeitung zur Verfügung gestellt.

Es ist auch möglich, eine integrierende Verarbeitung mit Verzicht auf die Information über die Änderung nach der Zeit durchzuführen.

Da die CCD-Kamera 7 ein weiteres Übertragungsglied darstellt, muß hierfür ebenfalls die Übertragungsfunktion bekannt sein, um eine sinnvolle Zuordnung des erhaltenen Ausgangssignals zum Primärkontrast zu ermöglichen.

Über ein entsprechendes Rechnerprogramm werden die digitalen Signale zu Ausgangswerten mittlere Energie der Bremsstrahlung als Funktion zweier Ortskoordinaten, die damit die Position des Meßfeldes auf der Matrix beschreiben, verarbeitet (siehe dazu die Beschreibung zum Signalplan nach Fig. 6).

Gemäß Fig. 5b ist die Kombination Spiegel/Linse durch eine Glasfaseroptik ersetzt. Zum Beispiel werden 30×30 Fasern pro Segment eingesetzt. Das entspricht 210×210 Fasern bezüglich des Schwächungs matrixkörpers.

Im Übrigen ist der Aufbau so wie in Fig. 5a beschrieben.

Fig. 6 zeigt einen Signalflußplan, der die Gewinnung der Meßdaten, die Verarbeitung der anfallenden Daten und ihre Auswertung verdeutlicht. Eine Strahlung mit der Eingangsintensität I₀, die von einer Strahlungsquelle 6 ausgeht, gelangt auf den Schwächungsmatrixkörper 4, durchdringt diesen in Abhängigkeit von der Verteilung der Materialien 2 und 3 und regt die Fluoreszenzschicht zur Strahlung an.

Die Strahlung wird auf die Empfängermatrix einer CCD-Kamera 7 abgebildet und die gewonnenen Meßwerte der Pixel einem Rechner Auswerte- und Zuordnungseinheft 12 zugeführt. Die Ausgabe des Rechners liefert als Ausgangssignal die flächenhafte Verteilung der Energie (x, y).

Das für die Ausgabe im PC erstellte on-line-Signal, das in Abhängigkeit von der mittleren Energie als ortsabhängiger Wert entsteht, muß durch Verarbeitung aller Intensitäten I(x, y, t) in mehreren Verarbeitungsstufen über die Leuchtdichtewerte L(x, y, t) durch den Wandler 1 und über Digitalwerte D(x, y, t) durch den Wandler 2 erst zur Verarbeitung vorbereitet werden. Der Wert, welcher das Maß für die mittlere Energie unter einem Segment darstellt, ergibt sich aus der Verarbeitung der zwei Intensitäten unter den zwei verschiedenen Schwächungsschichten. Diese Intensitäten werden durch Integration aller Digitalwerte unter der jeweiligen Schwächungsschicht generiert:

Zur Ermittlung der Energieverteilung im Volumen (x, y, z) werden nacheinander mehrere Messungen mit verschieden starken Wasserschichten durchgeführt und ausgewertet.

Fig. 7 zeigt die erfindungsgemäße Anordnung, die um einen Behälter 11 zur Simulation der Gewebetiefe ergänzt ist. Mittels unterschiedlich hoher Wasserstände werden Gewebsäquivalentschichten simuliert. Damit wird eine Aussage über den Verlauf der mittleren Energie auch in der dritten Dimension in medizinisch relevanten Gewebstiefen erhalten. Die beschriebene Messung ist dementsprechend für jede Gewebsäquivalent schicht durchzuführen.

Zusätzlich können Untersuchungen zum Einfluß von strahlbeeinflussenden Elementen, wie Absorberblöcken oder Keilfiltern, angestellt werden, indem diese oberhalb der Gewebsäquivalentschichten plaziert werden.

Fig. 8 zeigt einen Schwächungsmatrixkörper 4 mit einem Streustrahlungsraster 14 zur Verringerung des Strahlungsanteils, der auf die Schwächungsmatrix fallenden Strahlung, der oberhalb des Schwächungsmatrixkörpers 4 angeordnet ist. Die wabenförmig angeordneten Lamellen des Streustrahlungsrasters 14 sind nach den Divergenzstrahlen der Strahlungsquelle ausgerichtet und sind auf einen Abstand zwischen Quelle und Oberfläche SSD = 100 cm normiert.

Mit Hilfe des Streustrahlungsrasters 14 kann der Meßfehler, der durch Streustrahlung bedingt ist, reduziert werden.

Bezugszeichenliste

1 Feldsegment
2 Materialblock
3 Materialstreifen
4 Schwächungsmatrixkörper
5 Linse
6 Strahlungsquelle
7 CCD-Kamera
8 Spiegel
9 lichtdichtes Gehäuse
10 Fluoreszenzschicht
11 Behälter
12 Ausgabe- und Zuordnungseinheit
13 Glasfaseroptik
14 Streustrahlungsraster
SSD Abstand Quelle-Haut

Claims

1. Vorrichtung zur Bestimmung der 3-dimensionalen mittleren Energieverteilung im Photonenfeld von Linearbeschleunigern, bestehend aus einer Strahlungsquelle, einer im Strahlungsfeld befindlichen Empfängermatrix und einem Rechner als Ausgabe- und Zuordnungseinheit, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Strahlungsquelle (6) und der Empfängermatrix (7) ein Schwächungsmatrixkörper (4) angeordnet ist, wobei der Schwächungsmatrixkörper (4) aus einem Materialblock (2) mit der Dicke d₀ aus einem ersten Material mit dem Schwächungskoeffizienten µ₁ hergestellt ist, in dem ein Materialstreifen (3) mit der Dicke d₂ aus einem zweiten Material mit dem Schwächungskoeffizienten µ₂ eingebracht ist, so daß der Materialblock (2) an dieser Stelle nur noch eine gleichmäßige Dicke von d₁ hat, daß im Strahlungsfeld nach dem Schwächungsmatrixkörper (4) ein Detektor angeordnet ist, der die Strahlung erfaßt, und daß die flächenhafte Verteilung der Energie nach folgendem Algorithmus bezogen auf ein Matrixelement x, y: berechnet wird und dementsprechend für die gesamte Matrix gilt:K_{D, x, y} = f(_{x, y}),mit
I₀ Intensität der einfallenden Strahlung
I₁ Intensitäten der durch das erste Material geschwächten Strahlung
I₂ Intensitäten der durch das zweite Material geschwächten Strahlung
µ₁ Schwächungskoeffizient für das erste Material
µ₂ Schwächungskoeffizient für das zweite Material
d₁ Materialdicke des ersten Materials
d₂ Materialdicke des zweiten Materials
d₀ Gesamtdicke
mittlere Energie der einfallenden Strahlung
y_E Energiefluenz
j_E Teilchenfluenz
E Energie des betrachteten Teilchens
I(x, y, t) Intensitätsverteilung
L(x, y, t) Leuchtdichteverteilung
D(x, y, t) Digitalwertverteilung
I_1ÿ Flächenintegral über n_i, m_j im ersten Material gemessen
I_2ÿ Flächenintegral über n_i, m_j im zweiten Material gemessen
(x, y) 2D-Verteilung der mittleren Energie
(X, y, z) 3D-Verteilung der mittleren Energie
Dosisleistung
K_D Digitalkontrast
h₁ Funktion zur Beschreibung des Übertragungsverhaltens des optisch-digitalen Wandlers
g₁ Funktion zur Beschreibung des Übertragungsverhaltens des Wandlers Strahlung zu Licht

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß entweder zwischen der Strahlungsquelle (6) und dem Detektor eine Fluoreszenzschicht (10) als Strahlungswandler angeordnet ist und der Detektor eine ein CCD-Kamera (7) ist oder der Detektor ein die Strahlung direkt messender Halbleiterdetektor ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwächungsmatrixkörper (4) in Richtung der Strahlungsquelle (6) mit einem Behälter umgeben ist, in dem zur Gewebesimulation verschiedene Wasserstände einfüllbar sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwächungsmatrixkörper (4) aus einem Materialblock (2) aus Aluminium besteht, bei dem entweder von einer Oberfläche her hälftig zeilenweise Ausfräsungen oder Hohlräume eingebracht sind, die mit Blei ausgefüllt sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung über ein Spiegel- und Linsensystem erfolgt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung über eine Glasfaseroptik erfolgt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Schwächungsmatrixkörper (4) auf der der Strahlungsquelle zugewandten Seite ein Streustrahlungsraster (14) angeordnet ist, die eine wabenförmige Anordnung von Bleiblechen darstellt, deren Seitenwände nach der Richtung der Diverganzstrahlen der Strahlungsquelle ausgerichtet sind.