Qualitätssicherung Stereotaxie

Physik in der
Strahlentherapie
Medizinphysiker
als Partner
des Arztes
Med.Physik-Experte
als jurist. Forderung
(Strahlenschutzverordnung)
Physik in der Strahlentherapie
u
u
u
u
u
Y
Y
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Konstanz des Strahlverhaltens
Physikalische Bestrahlungsplanung
Qualitätssicherung
Schutz vor Strahlung
Optimierung von physikalisch-technischen Methoden
Entwicklung und Einführung neuer Technologien
Was ist Strahlung?
Strahlung
ist nicht an Materie,
ist immer an Energie gebunden.
1
E = m × v2
2
E = h× f
h- Plancksches
Wirkungsquantum
f - Frequenz
Strahlung
m - Masse
v - Geschwindigkeit
c - Lichtgeschwindigkeit
kann Materie durchdringen,
ist nicht an Medien gebundener Energietransport.
Entstehung / Erzeugung der Strahlung
•Photonen (Gammastrahlung):
Kobalt-Bestrahlungsgerät (radioaktive Quelle: Kobalt)
Gammamed (radioaktive Quelle: Iridium)
•Photonen (Röntgenstrahlung):
Linearbeschleuniger
Röntgentiefenund -oberflächengerät
•Elektronen (b-):
Linearbeschleuniger
Entstehung / Erzeugung der Strahlung
•Photonen (Gammastrahlung):
Kobalt-Bestrahlungsgerät (radioaktive Quelle: Kobalt)
Gammamed (radioaktive Quelle: Iridium)
•Photonen (Röntgenstrahlung):
Linearbeschleuniger
Röntgentiefenund -oberflächengerät
•Elektronen (b-):
Linearbeschleuniger
Energien
1,17 und 1,33 MeV
Entstehung / Erzeugung der Strahlung
•Photonen (Gammastrahlung):
Kobalt-Bestrahlungsgerät (radioaktive Quelle: Kobalt)
Gammamed (radioaktive Quelle: Iridium)
•Photonen (Röntgenstrahlung):
Linearbeschleuniger
Röntgentiefenund -oberflächengerät
•Elektronen (b-):
Linearbeschleuniger
Energie 360keV
Entstehung / Erzeugung der Strahlung
•Photonen (Gammastrahlung):
Kobalt-Bestrahlungsgerät (radioaktive Quelle: Kobalt)
Gammamed (radioaktive Quelle: Iridium)
•Photonen (Röntgenstrahlung):
Linearbeschleuniger
Röntgentiefenund -oberflächengerät
•Elektronen (b-):
Linearbeschleuniger
Nennenergien
20 bis 200 keV
Entstehung / Erzeugung der Strahlung
•Photonen (Gammastrahlung):
Kobalt-Bestrahlungsgerät (radioaktive Quelle: Kobalt)
Gammamed (radioaktiver Quelle: Iridium)
•Photonen (Röntgenstrahlung):
Linearbeschleuniger
Röntgentiefengerät
•Elektronen (b-):
Linearbeschleuniger
Nennenergien
4 bis 25 MeV
Aufbau des Strahlerkopfes eines Linearbeschleunigers
Elektronenumlenksystem
mit Elektronenblende
Beschleunigungsrohr
Target
oder Ausgleichsfolien
+
Ausgleichsfilter
Dosismeßsystem
Betriebsblenden u./o. Multileafkollimator
Keile
Individualabsorber
Patient
Einblendung bzw. Kollimierung
des Strahlenfeldes
Multilamellen- bzw. Multileafkollimator (meist aus Wolfram)
alternativ: Absorberblöcke aus Bleilegierung
Wiederholung: Ionisation + Anregung
Wiederholung: Ionisation
Mindestenergie der Strahlung entspricht dabei etwa der
Bindungsenergie der Elektronen in der Atomhülle (Bsp:
Wasser: 13,6 eV)
Wiederholung: Arten der Ionisation
Wiederholung: Strahlung im Gewebe
Strahlung wird im Gewebe gestreut und absorbiert
--> und es kommt zur Herausbildung von Sekundärstrahlung
--> ein Photon oder ein Elektron von einigen MeV bewirkt die
Freisetzung von mehreren 1000 Sekundärelektronen
Wiederholung: Schwächungsgesetz
I = I 0e
- mdx
0,08
0,07
lead
0,06
tungsten
0,05
I0
I
tin
0,04
zinc
copper
iron
0,03
aluminium
water
carbon
0,02
dx
0,01
0
2
4
6
8
10
12
Energy / MeV
14
16
18
20
Wiederholung: Abstandsquadratgesetz
2
2
2
1
I1 d
=
I2 d
radiation
source
distance d1
area A2 = 4 x area A1
area A1
width l1
distance d2
= 2 x distance d1
Energieerhaltung
A1
A1
A1
A1
width l2 = 2 x width l1
Strahlintensität I ist umgekehrt proportional zum Quadrat des Abstandes d
Begriffe: Dosis + Dosisleistung
Begriffe: RBW Faktor + Linearer Energietransfer
u
u
Relative biologische Wirksamkeit (RBW)
– biolog. Wirksamkeit resultierend aus der Ionisationsdichte
– ist umso größer, je dichter die Ionisationen erfolgen
– D(Gy)Co60 / D(Gy) d. untersuchten Strahlung bei gleichem
biolog.Effekt (z.B. Chromosomendoppelstrangbrüche)
Linearer Energietransfer (LET)
– indirektes Maß für die Zahl der Ionisationen pro
Wegstrecke
– dE / ds --> Festlegung eines Qualitätsfaktors
hoher LET
(„dicht ionisierend“)
niedriger LET
(„dünn ionisierend“)
Strahlenart
LET (keV/mm) Qualitätsfaktor
a-Strahlung
schnelle n
Röntgenstr.
Co60-Str.
Elektronenstr.
90
21
2,5
0,3
0,2
20
10
1
1
1
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Dosismessungen im Strahlenfeld
(im Wasserphantom)
u
u
u
Absolutmessung
--> Zahlenwerte
geeichte Detektoren
Werte für alle Energien,
Feldkonstellationen und
strahlbeeinflussende
Elemente
u
u
u
Relativmessung
--> Kurven
Detektoren mit guter
Ortsauflösung
Kurven für alle Energien,
Feldkonstellationen und
strahlbeeinflussende
Elemente
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Relativmessung
u
Tiefendosiskurven
– Definition: Unter einer
Tiefendosiskurve (TDK) versteht man
die auf einen Referenzpunkt normierte
relative Energiedosisverteilung längs
des Zentralstrahls des therapeutischen
Strahlenbündels.
u
Dosisquerverteilungen
– Definition: Unter Dosisquerverteilungen
(Profile) versteht man die Verteilung der
Energiedosis in Linien senkrecht zum
Zentralstrahl des therapeutischen
Strahlenbündels.
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Relativmessung
u
Tiefendosiskurven
– Kenngrößen:
t
t
t
t
Oberflächendosis
Tiefe des Dosismaximums
Halbwertstiefe
Austrittsdosis
dose / %
100
80
60
40
20
depth
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Relativmessung
u
Tiefendosiskurven
– abhängig von:
t
t
t
t
t
nominelle Photonenenergie
mittlere Photonenenergie und Aufhärtung der Photonen (Filterung)
Kontamination durch gestreute Photonen und Sekundärelektronen
Feldgröße (Streuung Ausgleichskörper und Kollimator,
Phantomstreuung)
Fokus-Haut-Abstand
Tiefendosiskurven verschiedener
Strahlenarten und -energien
protons
187MeV
X rays
8MV
X rays
50kV
Co60
electrons
10MeV
neutrons
10MeV
Tiefendosiskurven verschiedener
Photonenenergien
Tiefendosiskurven verschiedener
Elektronenenergien
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Relativmessung
Dosisquerverteilungen
– Kenngrößen:
t
t
t
t
Feldgröße
Feldsymmetrie
Feldhomogenität
Breite des
Halbschattens
(80%/20%)
120
100
80
Dosis / %
u
60
40
20
0
-80
-60
-40
-20
0
Breite
20
40
60
80
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Relativmessung
u
Dosisquerverteilungen
– abhängig von:
t
t
t
t
t
Streuung (Strahlenart, Energie)
Transmission
Kollimierung
Strahlführung
Fokusgröße
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Absolutmessung
u
Quellstärke
– abhängig in erster Linie von Entfernung Aufpunkt / Quelle und Feldgröße
– bestimmt mit geeichten Dosimetern für definierte Bedingungen
– bei Beschleunigern:
t
Kenndosisleistung z.B. 1Gy/min im Dosismaximum isozentrisch (100cm)
– bei Nukliden:
t
Aktivität z.B. Iridiumquelle f. Brachytherapie 10 Curie; 1Gy/min in 10cm Luft
z.B. Kobaltquelle f. Teletherapie ca.100 TBq; 0,6Gy/min in 10cm H2O (80cm)
Quantifizierung des Strahlverhaltens
Absolutmessung
u
Quellstärke
– Korrektur der Feldgrößenabhängigkeit über relative
Dosisleistungsfaktoren (sog. Outputfaktoren) hier Bsp.
Photonen
1,15
1,1
1,05
1
0,95
OF
0,9
OF MapCHECK
OF Diamant
OF PTW array
OF IC04
0,85
0,8
0,75
0,7
1
6
11
Feldgröße / cm
16
21
Physikalische Bestrahlungsplanung
•Es ist Aufgabe der physikalischen Bestrahlungsplanung die in
Phantomen ermittelten Dosisverteilungen auf die individuellen
anatomischen Verhältnisse im Patienten
(Form, Dichte, eff. Ordnungszahl)
anhand von Rechenalgorithmen anzupassen und durch zweckmäßige
Kombination und geometrische Anordnung zu optimieren.
•Als Basis dienen meistens die CT-Daten des Patienten
(Verteilung der Elekronendichte im Körper)
und die als Basisdaten gemessenen und im Planungsrechner
implementierten Dosisverteilungen
(aller Energien, Referenztiefen, Feldgrößen,
Modifikatoren, Kollimationen e.t.c.)
Physikalische Bestrahlungsplanung
Simulation
Bestrahlung
Planungssystem
V & R - System
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung I
Festlegung der Lagerung und ggfs. Fixation des Patienten
--> Reproduzierbarkeit, Bestrahlbarkeit !!
je nach Körperregion verschiedene Techniken Bsp. HNO-Bereich --> Maske
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung II
CT als Planungsbasis
(in Bestrahlungslage !!)
Export als 3D-Datensatz
zum Planungssystem
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung III a
u
u
Erstellung eines Bestrahlungsplanes
d.h. Modellierung von Bestrahlungsfeldern im
Planungsrechner
Kombination verschiedener Bestrahlungsfelder hinsichtlich
Strahlenart, Energie, Einstrahlrichtung, Feldgröße, Keile
e.t.c
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung III b
Elektronen
hohe Dosis an
der Oberfläche
Energie 12MeV
Photonen
10cm
%
107
100
95
90
80
70
60
50
30
10
geringe Dosis an
der Oberfläche
Nennenergie 15MV
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung III c
Elektronen
hohe Dosis an
der Oberfläche
steiler Dosisabfall
in bestimmter Tiefe
therapeutische
Reichweite = 80%:
Energie 12 MeV
==> Tiefe 4cm
Energie 12MeV
Photonen
10cm
%
107
100
95
90
80
70
60
50
30
10
geringe Dosis an
der Oberfläche
allmählicher
Dosisabfall
Nennenergie 15MV
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung III d
Erstellung eines optimalen Bestrahlungsplanes
unter Erfüllung definierter Randbedingungen
Bsp.
Nonkoplanare
Photonenfelde
r mit Keilen
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung IV a
Simulation des Bestrahlungsplanes zur Dokumentation und
Verifikation
u
u
u
u
u
Aufsuchen des Isozentrums
Isozentrumsverifikation relativ zu anatomischen Landmarken
Simulation der Bestrahlungsfelder einschließlich irregulärer
Silhouetten (Abdeckung von Risikoorganen durch
Einzelfelder)
Anfertigen von Feldaufnahmen (feldbezogen, orthogonal)
Anbringen von Hautmarkierungen
Durchführung der physikalischen
Bestrahlungsplanung IV b
Bsp. Simulation im Kopfbereich
Ersteinstellung des Planes am Beschleuniger
Sicherstellung
der Reproduzierbarkeit
Lasersystem
Portal Imaging system
Optimierung physikalisch-technischer Methoden
Bsp. Basis für quantitativen Vergleich zwischen
Bestrahlungsplan, Simulation, Bestrahlung
Beams eye view
Planungssituation
Simulationsbild
Portal Image
Bestrahlungssituation
Optimierung physikalisch-technischer Methoden
HELAX-TMS
IMCON
Export von Bilddateien
AGFA-Speicherfoliensystem
Export von Bilddateien
Export von Bilddateien
Ethernet
Netzwerk-
Ausgangsbilder vom
verzeichnisse,
Netzwerkserver
Import der
und Export der
Fusionsbilder zum
Netzwerkserver
zur Speicherung der Bild-
Matlab-Fusionsstation
dateien
Netzwerkserver
Messungen zur Konstanz des Strahlverhaltens
u
u
u
u
u
basierend auf Gesetzgebung (DIN)
orientiert an internationalen Empfehlungen (ICRU)
detailliert festgelegte Fehlergrenzen
detailliert festgelegte zeitliche Intervalle
(tgl., wöchentl., monatl., viertel-, halbjährl.)
regelmäßig überprüft durch Sachverständige
(gem.SSV)
Phantom fixed to
coordinates
(stereotactical or non-)
CT scanning
Qualitätssicherung
bei speziellen Indikationen
- Prinzipieller Ablauf
Treatment plan
export to the
phantom data set
Expose the film
equipped phantom
with the treatment plan
+ absolute dose meas.
Comparison of
measured and
calculated dose
distribution
Optical density
--> dose
Filmprocessing
Qualitätssicherung
bei speziellen Indikationen
Phantome I
- bestückt mit Spezialfilmen
- reproduzierbar
- CT gescannt
- Relativ- und Absolutmessung
Qualitätssicherung bei speziellen Indikationen
Phantome II
Qualitätssicherung bei speziellen Indikationen
Dosisverteilung im Patienten
Qualitätssicherung bei speziellen Indikationen
Dosisverteilung im Phantom
Qualitätssicherung bei speziellen Indikationen
bestrahlte Filmebene,
Verteilung der optischen Dichte
Qualitätssicherung bei speziellen Indikationen
Verteilung der gemessenen
Dosisverteilung mit der
berechneten Dosisverteilung
Schutz vor Strahlung I
•gesetzliche Grundlagen:
Atomgesetz, Röntgenverordnung, Strahlenschutzverordnung (neu 2001)
•Zweckbestimmung:
Schutz der Menschen und der Umwelt (§1)
•Strahlenschutzgrundsätze:
Vermeidung unnötiger Strahlenexposition und Dosisreduzierung (§ 6):
• Unnötige Strahlenexposition oder Kontamination von Mensch und Umwelt ist
zu vermeiden.
• Jede Strahlenexposition oder Kontamination von Mensch und Umwelt unter
Beachtung des Standes von Wissenschaft und Technik und unter Berücksichtigung aller Umstände des Einzelfalls auch unterhalb der Grenzwerte ist
so gering wie möglich zu halten.
Schutz vor Strahlung II
Strahlenschutzbereiche (§36) (Zutritt ist reglementiert):
• Sperrbereich: > 3mSv/h
• Kontrollbereich: > 6 mSv /a
• Überwachungsbereich: > 1 mSv/a
Strahlenschutzverantwortliche und -beauftragte (§31-33):
Strahlenschutzverantwortliche sind die Betreiber
(Bsp. Uniklinik: Kanzler, Privatklinik: Chefarzt)
• zusätzliche Bestellung von Strahlenschutzbeauftragten
(in Medizin: Medizinphysik-Experten)
Fachkunde (§30):
Fachkunde = Strahlenschutzkurse + Sachkunde (prakt. Tätigkeit)
• Strahlenschutzkurse sind alle 5 Jahre zu aktualisieren
Entwicklung und Einführung neuer Technologien
Bsp. IMRT (intensitätsmodulierte Strahlentherapie)
behandeltes
Volumen
Zielvolumen
Tumor
homogene
Strahlenfelder
Modulationsmatrix
Risikoorgan
intensitätsmodulierte
Strahlenfelder
Fräsprofil
Speicherfolienaufnahme
Entwicklung und Einführung neuer Technologien
Bsp. IMRT bei speziellen Indikationen
Modulationsmatrix
Entwicklung und Einführung neuer Technologien
Bsp. Stereotakt.Bestrahlung
Modulationsmatrix
Literaturempfehlung
u
Strahlenphysik für die Radioonkologie
Hrsg. Richter / Flentje
Georg Thieme Verlag Stuttgart New York
Modulationsmatrix
Viel Spaß beim weiteren Studieren!
Jena 1800
Modulationsmatrix
Jena 2004