IMPS Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz Detektion von Cherenkov-Strahlung in klinischen Photonen- und Elektronenfeldern mittels handelsüblicher Kamera Hardware Moderne Bestrahlungstechniken wie IMRT und VMAT stellen hohe Anforderung an eine engmaschige und patientennahe Qualitätssicherung in der Strahlentherapie. Nationale sowie internationale Fachgesellschaften empfehlen in-vivo Dosismessungen während der Bestrahlung am bzw. im Patienten. Diese Messungen beziehen sich jedoch nur auf den jeweiligen Messpunkt des Dosimeters, sind sehr aufwändig und erhöhen die Behandlungszeit für den Patienten. Ein neuer Ansatz für diese in-vivo Dosismessung, welcher die bei der Bestrahlung entstehende Cherenkov-Strahlung als Dosisindikator verwendet, ist Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten [1,2,3]. Es soll gezeigt werden, dass die in klinischen Photonen- und Elektronenfeldern entstehende Cherenkov-Strahlung mittels handelsüblicher Kamerahardware im Wasserphantom detektiert werden kann. Die aufgenommenen Bilder des Cherenkov-Lichtes sollen im weiteren für dosimetrische Zwecke aufbereitet und untersucht werden. 1 Rohdaten 18 MV Mediangefiltert 18 MV Intensitätsverteilung 18 MV 0.8 0.7 0.6 0 Rohdaten 6 MeV 20 40 60 80 100 120 Tiefe in mm 1 140 160 0.8 0.7 0.6 6 MeV Mediangefiltert Intensitätsverteilung 6 MeV 180 Institute Technische Hochschule Mittelhessen, Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz - IMPS, Gießen 1 Universitätsklinikum GiessenMarburg, Klinik für Strahlentherapie, Marburg, Germany 2 [1] Glaser, A.K. et al. Video-rate optical dosimetry and dynamic visualization of imrt and vmat treatment plans in water using cherenkov radiation. Med Phys, 41(6):062102, Jun 2014. [2] Glaser, A.K. et al. Optical dosimetry of radiotherapy beams using cherenkov radiation: the relationship between light emission and dose. Phys Med Biol, 59(14):3789–3811, Jul 2014. Kontakt Referenz 6 MeV Referenz 10 MeV Referenz 18 MeV Cherenkov 6 MeV Cherenkov 10 MeV Cherenkov 18 Mev 0.9 Jan Michael Burg1 Mathias Düsberg 1 Klemens Zink1,2 [3] Helo, Y. et al. Imaging cerenkov emission as a quality assurance tool in electron radiotherapy. Phys Med Biol, 59(8):1963–1978, Apr 2014. 0.5 0.4 Autoren Literatur Rohdaten 18 MeV 18 MeV Mediangefiltert 0.5 0.4 0.3 Elektronen normiertes Signal In Abbildung 2 sind die Schritte der Bildverarbeitung ausgehend vom Rohwertbild dargestellt. Abbildung 1 zeigt die Ergebnisse aus den Aufnahmen des Cherenkov-Signals im Vergleich zu den Referenzmessungen mittels Ionisationskammer. Für Photonen ergibt sich in normierter Darstellung ein qualitativ gleicher Verlauf. Für Elektronen zeigt sich auf der Eintrittsseite der Strahlung ein Verschub des Cherenkov-Signals in größere Tiefe. Am distalen Ende ist das Signal deutlich steiler abfallend als die gemessene Dosis. Dieser Effekt begründet sich durch die gerichtete Emission der Cherenkov-Photonen bei gleichzeitig begrenztem Aufnahmewinkel des Kameraobjektives. Referenz 6 MV Cherenkov 6 MV Referenz 18 MV Cherenkov 18 MV 0.9 normiertes Signal Ergebnisse Photonen Einleitung Jan Michael Burg [email protected] www.thm.de/imps Intensitätsverteilung 18 MeV Download by QR scan: 0.2 0.1 0 0 20 40 Tiefe in mm 60 80 100 Abbildung 1: Cherenkov-Signal im Vergleich zur Referenzmessung mittels Ionisationskammer für Photonen (oben) und Elektronen (unten). Methoden An einem typischen Linearbeschleuniger (Elekta Synergy) wurde bei einer Feldgröße von 10x10 cm² und variabler Energie die entstehende Cherenkov-Strahlung für Elektronen und Photonen im Wasserphantom aufgenommen. Die Detektion erfolgte mit einer handelsüblichen Spiegelreflexkamera mit CMOS Sensor (Canon Eos 450D) bei völlig abgedunkeltem Bestrahlungsraum. Die erzeugten Rohbilder wurden binarisiert und durch Filterung und Hintergrundsubtraktion nachverarbeitet. Anschließend wurde eine Tiefendosiskurve für die jeweilige Energie-Feldgrößen Kombination mittels einer Ionisationskammer (PTW Semiflex) als Referenzmessung erstellt und mit den Intensitätswerten aus den Cherenkov-Bildern verglichen. Abbildung 2: Rohwertbilder und Bildverarbeitungsschritte der aufgenommenen Bilder des Cherenkov-Signals Diskussion und Fazit Es zeigte sich das die Detektion von Cherenkov-Strahlung, entstehend in klinischen Photonen- und Elektronenfeldern, mittels handelsüblicher Kamera-Hardware möglich ist. Das Ergebnis für Photonen zeigt bereits ohne Korrektur eine gute Übereinstimmung mit der Referenzmessung. Die Sekundärelektronen welche das Cherenkov-Signal bei Photonenstrahlung erzeugen, sind spektral in jeder Tiefe nahezu konstant und erzeugen einen tiefenunabhängigen Cherenkov-Winkel. Für Elektronen zeigt sich ohne Korrektur keine Übereinstimmung mit der Referenzmessung. Um eine korrekte Detektion für Elektronen zu ermöglichen, müssen in weiteren Untersuchungen Korrekturen erstellt werden, welche die energiebedingte, tiefenabhängige Winkeländerung der Cherenkov-Photonen korrigiert. Technische Hochschule Mttelhessen Institut für Medizinische Physik und Strahlenschutz - IMPS Wiesenstrasse 14 35390 Gießen 46. Jahrestagung der Deutschen Gesellschaft für Medizinische Physik, 9. - 12. September 2015 in Marburg
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