Andreas Mack

Precision dosimetry for narrow photon beams used in radiosurgery-determination of Gamma Knife output factors.

Treatment units for radiosurgery, like Leksell Gamma Knife and adapted, or dedicated, linear accelerators use small circular beams of ionizing radiation down to 4 mm in diameter at the isocenter. By cross-firing, these beams generate a high dose region at the isocenter together with steep dose gradients of up to 30% per mm. These units are used to treat small complex shaped lesions, often located close to critical structures within the brain, by superimposing several single high dose regions. In order to commission such treatment units for stereotactic irradiations, to carry out quality assurance and to simulate treatment conditions, as well as to collect input data for treatment planning, a precise dosimetric system is necessary. Commercially available radiation dosimeters only partially meet the requirements for narrow photon beams and small field sizes as used in stereotactic treatment modalities. The aim of this study was the experimental determination of the output factors for the field defining collimators used in Gamma Knife radiosurgery, in particular for the smallest, the 4 mm collimator helmet. For output factor measurements a pin point air ionization chamber, a liquid ionization chamber, a diode detector, a diamond detector, TLD microcubes and microrods, alanine pellets, and radiochromic films were used. In total, more than 1000 measurements were performed with these different detection systems, at the sites in Munich and Zurich. Our results show a resultant output factor for the 4 mm collimator helmet of 0.8741 +/- 0.0202, which is in good agreement with recently published results and demonstrates the feasibility of such measurements. The measured output factors for the 8 mm and 14 mm collimator helmets are 0.9578 +/- 0.0057 and 0.9870 +/- 0.0086, respectively.

Quality assurance in stereotactic space. A system test for verifying the accuracy of aim in radiosurgery.

A detailed quality assurance (QA) program is essential for high precision single dose irradiations. The accuracy of stereotactic radiosurgery is limited by the errors of each step in the chain for optimal treatment beginning with the diagnostic imaging and target localization leading to the dose planning and ending up with the treatment of the patient. Two main goals were followed on the way to finding a concept for a suitable and sufficient quality assurance routine. First, the chain of items in terms of a complete patient simulation should be followed and second, the stereotactic MR image data should be verified against a reference in our case stereotactic radiographic projection images. Target point verifications were performed using the so-called, unknown target method based on MRI, CT, and stereotactic projection images. A marked radiochromic film, embedded between inserts of the phantom is fixed parallel to either the xy or the xz plane of the stereotactic coordinate system. After imaging and planning, the phantom is adjusted and irradiated. At the end, the film, dyed by the radiation field around the premarked cross, is evaluated. The measured distance between the unit center point (shadow) and the localization of the marked film leads to the deviation to be minimized. This is referred to as the displacement vector. The results, evaluating 170 system tests within 5 years. show that the mean displacement vector of the complete system is 0.48 mm +/-0.23 mm (mean+/- sd). Factors having a significant influence on the overall accuracy are associated with MRI parameters. Test results based on axial images (xy plane; 0.42 mm +/- 0.24 mm) are significantly superior to coronal images (xz plane; x = 0.60 mm +/- 0.02 mm). Further on, the 3D-mpr sequence (0.40 mm +/- 0.19 mm) is significantly superior to the T1 weighted SE sequences (0.66 mm +/- 0.24 mm). Given the high mechanical accuracy of the Leksell gamma knife, the most sensitive technical factor having an influence on the overall precision of radiosurgery is the MRI study. However, using the appropriate imaging sequences and parameters the dislocation error inferred by MRI can be kept very low and restricted to the rare patient inherent distortion factors. With these precautions in mind, MRI is recommended as the imaging method of choice in radiosurgery.

High precision film dosimetry with GAFCHROMIC films for quality assurance especially when using small fields.

Treatment units for radiosurgery, brachytherapy, implementation of seeds, and IMRT generate small high dose regions together with steep dose gradients of up to 30%-50% per mm. Such devices are used to treat small complex-shaped lesions, often located close to critical structures, by superimposing several single high dose regions. In order to test and verify these treatment techniques, to perform quality assurance tasks and to simulate treatment conditions as well as to collect input data for treatment planning, a GAFCHROMIC film based dosimetry system for measuring two-dimensional (2-D) and three-dimensional (3-D) dose distributions was developed. The nearly tissue-equivalent radiochromic GAFCHROMIC film was used to measure dose distributions. A drum scanner was investigated and modified. The spectral emission of the light source and the filters together with the efficiency of the CCD filters for the red color were matched and balanced with the absorption spectra of the film. Models based on refined studies have been developed to characterize theoretically the physics of film exposure and to calibrate the film. Mathematical descriptions are given to calculate optical densities from spectral data. The effect of darkening has been investigated and is described with a mathematical model. The influence of the scan temperature has been observed and described. In order to cope with the problem of individual film inhomogeneities, a double irradiation technique is introduced and implemented that yields dose accuracies as good as 2%-3%. Special software routines have been implemented for evaluating and handling the film data.

Analyzing 3-tesla magnetic resonance imaging units for implementation in radiosurgery

OBJECT The limiting factor affecting accuracy during gamma knife surgery is image quality. The new generation of magnetic resonance (MR) imaging units with field strength up to 3 teslas promise superior image quality for anatomical resolution and contrast. There are, however, questions about chemical shifts or susceptibility effects, which are the subject of this paper. METHODS The 3-tesla MR imaging unit (Siemens Trio) was analyzed and compared with a 1-tesla unit (Siemens Magnetom Expert) and to a 1.5-tesla unit (Philips Gyroscan). Evaluation of the magnitude of error was performed within transverse slices in two orientations (axial/coronal) by using a cylindrical phantom with an embedded grid. Deviations were determined for 21 targets in a slab phantom with known geometrical positions within the stereotactic frame. Distortions caused by chemical shift and/or susceptibility effects were analyzed in a head phantom. Inhouse software was used for data analyses. The mean deviation was less than 0.3 mm in axial and less than 0.4 mm in coronal orientations. For the known targets the maximum deviation was 1.16 mm. By optimizing these parameters in the protocol these inaccuracies could be reduced to less than 1.1 mm. Due to inhomogeneities a shift in the z direction of up to 1.5 mm was observed for a dataset, which was shown to be compressed by 1.2 mm. CONCLUSIONS The 3-tesla imaging unit showed superior anatomical contrast and resolution in comparison with the established 1-tesla and 1.5-tesla units; however, due to the high field strength the field within the head coil is very sensitive to inhomogeneities and therefore 3-tesla imaging data will have be handled with care.

Ambulante Radiochirurgie bei zerebral metastasiertem NierenzellkarzinomFünfjahresergebnisse von 58 Patienten

ZusammenfassungHirnmetastasen (HM) beim Nierenzellkarzinom (NZK) werden zunehmend häufiger diagnostiziert und bedeuten daher auch für den behandelnden Urologen ein wichtiges Erkrankungsbild. Die mittlere Überlebenszeit unbehandelter, oft neurologisch auffälliger Patienten beträgt durchschnittlich 3 Monate. Durch die Entwicklung des “Gamma-Knife” (GK), eines Präzisions-60Co-Bestrahlungssystems, kann man neuerdings HM effektiv und minimal-invasiv behandeln. An einem Patientenkollektiv mit zerebral metastasiertem NZK wurde die klinische Wirksamkeit dieser stereotaktischen Bestrahlungsmethode untersucht.Zwischen 1994–1999 wurden 58 NZK-Patienten mit insgesamt 277 HM radiochirurgisch mit dem GK behandelt. 23 (40%) der Patienten wurden wegen neuer HM mehrfach GK-behandelt. Im Median wurden 3,0 (1–19) HM/Patient bestrahlt. Die mediane Tumormasse betrug 3,4 (0,1–19,1) cm3. Das Intervall zwischen der Erstdiagnose NZK und der GK-Therapie betrug im Median 2,2 (0,1–17,2) Jahre. Symptomatische Nebenwirkungen der GK-Therapie wurden in 9 von 58 Fällen (16%) beobachtet. Das mediane Überleben betrug 9,9 Monate. Die GK-Therapie erzielte eine hohe Rate lokaler Tumorkontrolle (95%) und führte in 70% zu einer Besserung oder Beseitigung der neurologischen Symptomatik.Gegenüber der fraktionierten Strahlentherapie hat die Radiochirurgie den Vorteil, wiederholbar und wirksamer zu sein. Der Zeitbedarf ist zudem wesentlich geringer. Gegenüber operativen Therapieverfahren ist die GK-Behandlung weniger invasiv und besser geeignet, multiple HM lokal kurativ zu behandeln. Die radiochirurgisch behandelbare Metastasengröße bzw. Tumormasse ist jedoch gegenüber der Operation eingeschränkt. Beide lokalen Therapieverfahren ergänzen sich vorteilhaft, sodass die relativ wenig wirksame fraktionierte Ganzhirnbestrahlung bei multiplen HM des NZK als nachrangig eingestuft werden kann.AbstractBrain metastases (BM) indicate an advanced stage of renal cell cancer (RCC). They pose an increasing challenge to urologists as a result of improved survival due to modern therapy. Median survival of untreated patients with BM who often suffer from neurological deficits is 3 months. Radiosurgery with the Gamma Knife (GK) has increased in use as an alternative to whole brain radiation therapy (WBRT) and/or surgery. This study reports the results of a consecutive series of RCC patients treated for BM by GK radiosurgery during a 5-year period.Between 1994 and 1999, 58 patients with a total of 277 BM and 3.0 (1–19) BM/patient were treated. Because of recurrent BM, 23 (40%) patients received repeated (multiple) GK sessions. The median tumor volume was 3.4 cm3 (0.1–19.1). The median interval between diagnosis of RCC and GK treatment was 2.2 years (0.1–17.2). Symptomatic side effects were detected in 9 (16%) of 58 patients. The median actuarial survival time was 9.9 months. Local tumor control could be achieved in 95% of patients.The GK therapy induced a significant tumor remission accompanied by rapid neurological improvement in 70% of patients. Compared to standard radiotherapy, GK radiosurgery is more effective, less time consuming, and can be repeated. Compared to surgery, radiosurgery is less invasive and better suited to treat multiple metastases in one single session. Surgery and radiosurgery, however, are supplementary methods that are highly effective to control intracerebral metastasizing RCC.

Quality assurance in stereotactic space. Determination of the accuracy of aim and dose in single dose radiosurgery

Hintergrund:Ein-Zeit-Bestrahlungen in der Stereotaxie erfordern Methoden der Qualitätssicherung von hoher Präzision. Der komplette Ablauf einer Behandlung von der Bildgebung über die Bestrahlungsplanung bis zur Patientenbestrahlung muss kontrollierbar sein und im Phantom nachgebildet werden können. Diese Forderungen erhalten besondere Aktualität durch die E-DIN 6875-1 [38], die in Kürze erscheinen wird.Material und Methoden:Ein Qualitätssicherungspaket wurde entwickelt, das den Anforderungen der E-DIN 6875-1 [38] genügt. Es besteht aus einem vielseitig verwendbaren Präzisionsphantom, einem Dosismesssystem für den gewebeäquivalenten Radiochrom- Film GAFCHROMIC™ Typ MD 55 mit hochwertigem Scanner und vielseitiger, nutzerfreundlicher Software für standardisierte Testroutinen. Korrekturroutinen für Filmschleier, Nachdunkelung, Temperatureffekt sowie für Filminhomogenitäten (Doppelbelichtungstechnik) sind integriert.Ergebnisse:Das Messsystem erlaubt routinemäßige Dosimetrie mit Ungenauigkeiten typisch < 5%, im Doppelbelichtungsverfahren typisch < 3% mit Ortsauflösungen von ca. 1/100 mm in der Filmebene, senkrecht dazu sind die Filmstapeldichte und die Filmdicke (0,3 mm) bestimmend. Das Messsystem ermöglicht die komplette dreidimensionale Simulation einer Patientenbehandlung.Schlussfolgerungen:Das Verfahren erreicht einen hohen Qualitätsstandard für sämtliche Schritte der Radiochirurgie. Die einfache Handhabung erlaubt den Einsatz für die tägliche Routine (nach E-DIN 6875-1 [38]), aber auch für die Modellierung komplizierter dreidimsionaler Streuverhältnisse, z. B. nahe an Risikostrukturen.Background:Single dose irradiation techniques require methods of quality assurance of high precision. The complete operational sequence of a treatment from imaging over irradiation planning up to the patient irradiation has to be controlled and verified in a phantom (Figure 2). These demands receive special topicality by the E-DIN 6875-1 [38], which will appear soon.Material and Methods:A quality assurance package was developed to meet the requirements of the E-DIN 6875-1 [38]. It consists of versatile usable precision phantom (Figure 1), a dose measuring system for the tissue equivalent radiochromic film GAFCHROMIC™ type MD 55 II using a high-quality scanner, and a software for standardized test routines (Figures 2 to 4). Correction routines for film fog, darkening, temperature effect as well as for film inhomogeneities (double exposure technology) are implemented.Results:The measuring system permits routine dosimetry with inaccuracies typically < 5%, for the double exposure procedure typically < 3% with local dissolutions of approx. 1/100 mm in film plane, perpendicularly to it the film stack density and the film thickness (0.3 mm) are determining. The measuring system is designed to simulate the complete three-dimensional treatment of a patient (Figure 4).Conclusions:The procedure achieves a high quality standard for all steps in radiosurgery. The simple handling permits the employment for the daily routine (according to E-DIN 6875-1 [38]), in addition, for the modelling of complicated 3-d of scattering conditions, e. g. close to risk structures.

Qualitätssicherung im stereotaktischen Raum

Hintergrund:Ein-Zeit-Bestrahlungen in der Stereotaxie erfordern Methoden der Qualitätssicherung von hoher Präzision. Der komplette Ablauf einer Behandlung von der Bildgebung über die Bestrahlungsplanung bis zur Patientenbestrahlung muss kontrollierbar sein und im Phantom nachgebildet werden können. Diese Forderungen erhalten besondere Aktualität durch die E-DIN 6875-1 [38], die in Kürze erscheinen wird.Material und Methoden:Ein Qualitätssicherungspaket wurde entwickelt, das den Anforderungen der E-DIN 6875-1 [38] genügt. Es besteht aus einem vielseitig verwendbaren Präzisionsphantom, einem Dosismesssystem für den gewebeäquivalenten Radiochrom- Film GAFCHROMIC™ Typ MD 55 mit hochwertigem Scanner und vielseitiger, nutzerfreundlicher Software für standardisierte Testroutinen. Korrekturroutinen für Filmschleier, Nachdunkelung, Temperatureffekt sowie für Filminhomogenitäten (Doppelbelichtungstechnik) sind integriert.Ergebnisse:Das Messsystem erlaubt routinemäßige Dosimetrie mit Ungenauigkeiten typisch < 5%, im Doppelbelichtungsverfahren typisch < 3% mit Ortsauflösungen von ca. 1/100 mm in der Filmebene, senkrecht dazu sind die Filmstapeldichte und die Filmdicke (0,3 mm) bestimmend. Das Messsystem ermöglicht die komplette dreidimensionale Simulation einer Patientenbehandlung.Schlussfolgerungen:Das Verfahren erreicht einen hohen Qualitätsstandard für sämtliche Schritte der Radiochirurgie. Die einfache Handhabung erlaubt den Einsatz für die tägliche Routine (nach E-DIN 6875-1 [38]), aber auch für die Modellierung komplizierter dreidimsionaler Streuverhältnisse, z. B. nahe an Risikostrukturen.Background:Single dose irradiation techniques require methods of quality assurance of high precision. The complete operational sequence of a treatment from imaging over irradiation planning up to the patient irradiation has to be controlled and verified in a phantom (Figure 2). These demands receive special topicality by the E-DIN 6875-1 [38], which will appear soon.Material and Methods:A quality assurance package was developed to meet the requirements of the E-DIN 6875-1 [38]. It consists of versatile usable precision phantom (Figure 1), a dose measuring system for the tissue equivalent radiochromic film GAFCHROMIC™ type MD 55 II using a high-quality scanner, and a software for standardized test routines (Figures 2 to 4). Correction routines for film fog, darkening, temperature effect as well as for film inhomogeneities (double exposure technology) are implemented.Results:The measuring system permits routine dosimetry with inaccuracies typically < 5%, for the double exposure procedure typically < 3% with local dissolutions of approx. 1/100 mm in film plane, perpendicularly to it the film stack density and the film thickness (0.3 mm) are determining. The measuring system is designed to simulate the complete three-dimensional treatment of a patient (Figure 4).Conclusions:The procedure achieves a high quality standard for all steps in radiosurgery. The simple handling permits the employment for the daily routine (according to E-DIN 6875-1 [38]), in addition, for the modelling of complicated 3-d of scattering conditions, e. g. close to risk structures.

Bestrahlungsplanung bei kleinen komplex-geformten Läsionen und ihre experimentelle Verifikation

Zusammenfassung Das Gamma Knife wird als stereotaktische Bestrahlungseinrichtung benutzt, um kleine, komplex-geformte Lasionen im Gehirn konformal zu behandeln. Dabei ermoglicht sowohl das Behandlungsgerat als auch die zugehorige Planungssoftware Einstellungen und Bestrahlungen mit hoher Genauigkeit. Ziel der Arbeit ist es, die tatsachlich erreichbare Genauigkeit bei extrem irregularen, kleinen Zielvolumina experimentell festzustellen. Hierzu wird mit einem Phantom, in dessen Inneren ein speziell entwickelter Einsatz ein L-formiges Zielvolumen darstellt, die der Patientenbehandlung entsprechende standardisierte Prozedur durchgefuhrt. Die raumliche Genauigkeit der Bestrahlung wird mit Hilfe der hochauflosenden Filmdosimetrie mit GafChromicTM-Filmen dokumentiert. Die Analyse der Filme ergibt fur den Film in der Mittelebene eine exzellente Konformitat der zur Umschreibung des Zielvolumens in der Planung benutzten 75%-Isodosenkurve. Auch fur die auserhalb des Zielvolumens liegenden Isodosenkurven besteht eine sehr gute Ubereinstimmung zwischen Planung und Messung.

Qualitätssicherung im stereotaktischen Raum@@@Quality Assurance in Stereotactic Space. Determination of the Accuracy of Aim and Dose in Single Dose Radiosurgery: Bestimmung der Genauigkeit von Ort und Dosis bei Ein-Zeit-Bestrahlungen

Hintergrund:Ein-Zeit-Bestrahlungen in der Stereotaxie erfordern Methoden der Qualitätssicherung von hoher Präzision. Der komplette Ablauf einer Behandlung von der Bildgebung über die Bestrahlungsplanung bis zur Patientenbestrahlung muss kontrollierbar sein und im Phantom nachgebildet werden können. Diese Forderungen erhalten besondere Aktualität durch die E-DIN 6875-1 [38], die in Kürze erscheinen wird.Material und Methoden:Ein Qualitätssicherungspaket wurde entwickelt, das den Anforderungen der E-DIN 6875-1 [38] genügt. Es besteht aus einem vielseitig verwendbaren Präzisionsphantom, einem Dosismesssystem für den gewebeäquivalenten Radiochrom- Film GAFCHROMIC™ Typ MD 55 mit hochwertigem Scanner und vielseitiger, nutzerfreundlicher Software für standardisierte Testroutinen. Korrekturroutinen für Filmschleier, Nachdunkelung, Temperatureffekt sowie für Filminhomogenitäten (Doppelbelichtungstechnik) sind integriert.Ergebnisse:Das Messsystem erlaubt routinemäßige Dosimetrie mit Ungenauigkeiten typisch < 5%, im Doppelbelichtungsverfahren typisch < 3% mit Ortsauflösungen von ca. 1/100 mm in der Filmebene, senkrecht dazu sind die Filmstapeldichte und die Filmdicke (0,3 mm) bestimmend. Das Messsystem ermöglicht die komplette dreidimensionale Simulation einer Patientenbehandlung.Schlussfolgerungen:Das Verfahren erreicht einen hohen Qualitätsstandard für sämtliche Schritte der Radiochirurgie. Die einfache Handhabung erlaubt den Einsatz für die tägliche Routine (nach E-DIN 6875-1 [38]), aber auch für die Modellierung komplizierter dreidimsionaler Streuverhältnisse, z. B. nahe an Risikostrukturen.Background:Single dose irradiation techniques require methods of quality assurance of high precision. The complete operational sequence of a treatment from imaging over irradiation planning up to the patient irradiation has to be controlled and verified in a phantom (Figure 2). These demands receive special topicality by the E-DIN 6875-1 [38], which will appear soon.Material and Methods:A quality assurance package was developed to meet the requirements of the E-DIN 6875-1 [38]. It consists of versatile usable precision phantom (Figure 1), a dose measuring system for the tissue equivalent radiochromic film GAFCHROMIC™ type MD 55 II using a high-quality scanner, and a software for standardized test routines (Figures 2 to 4). Correction routines for film fog, darkening, temperature effect as well as for film inhomogeneities (double exposure technology) are implemented.Results:The measuring system permits routine dosimetry with inaccuracies typically < 5%, for the double exposure procedure typically < 3% with local dissolutions of approx. 1/100 mm in film plane, perpendicularly to it the film stack density and the film thickness (0.3 mm) are determining. The measuring system is designed to simulate the complete three-dimensional treatment of a patient (Figure 4).Conclusions:The procedure achieves a high quality standard for all steps in radiosurgery. The simple handling permits the employment for the daily routine (according to E-DIN 6875-1 [38]), in addition, for the modelling of complicated 3-d of scattering conditions, e. g. close to risk structures.