Ramamoorthy Ravichandran

Backscattered dose perturbation effects at metallic interfaces irradiated by high-energy X- and gamma-ray therapeutic beams.

Purpose:To analyze backscattered dose enhancements near different metallic interfaces for cobalt-60 (60Co) gamma rays and 6- and 18-MV photon beams.Material and Methods:Measurements were carried out with a PTW thin-window, parallel-plate ionization chamber and an RDM-1F electrometer. Thin sheets of aluminum, mild steel, copper, cadmium and lead were used as inhomogeneities. The chamber was positioned below the inhomogenities with the gantry maintained under the couch.Results:It can be noticed that the backscatter dose factor (BSDF) reaches the saturation value within few millimeters of all inhomogeneities and the thickness at which the saturation value is reached depends on the atomic number of the inhomogeneity. The amount of backscattered radiation was noticed to be greater with lesser-energy photons (60Co) compared to the higherenergy photons. The BSDF varies across the beam when the inhomogeneity is present due to the change in beam quality. The backscattered electrons from lead inhomogeneity have a range in the order of 5–7 mm.Conclusion:Higher atomic number inhomogeneities result in an increase in BSDF, as they have higher scattering cross section for the secondary electrons. The increase in dose was noticed for few millimeters upstream from the metallic inhomogeneity, which suggests that the range of backscattered electrons is very small. Since the factors affecting the BSDF at the interface are energydependent, it is expected that the variation in BSDF will also be sensitive to the beam energy.Ziel:Analyse der Verstärkung der Rückstreudosis an unterschiedlichen metallischen Grenzflächen für Kobalt-60-(60Co-)Gamma-Strahlen sowie für 6- und 18MV-Photonen-Strahlung.Material und Methode:Die Messungen wurden in einer dünnwandigen PTW-Parallelplatten-Ionisationskammer mit einem RDM- 1F-Elektrometer durchgeführt. Dünne Platten aus Aluminium, Weichstahl, Kupfer, Cadmium und Blei dienten als Grenzflächen. Die Ionisationskammer wurde unterhalb der Grenzflächen platziert, wobei sich die Gantry unter der Liegefläche befand.Ergebnisse:Es wurde festgestellt, dass der Rückstreudosisfaktor (BSDF) seinen Sättigungswert innerhalb weniger Millimeter aller Grenzflächenmaterialien erreicht, wobei die Dicke, bei der der Sättigungswert erreicht wird, von der Kernladungszahl des Grenzflächenmaterials abhängt. Weiter wurde festgestellt, dass der Anteil rückgestreuter Strahlung bei weniger energiereichen Photonen (60Co) geringer ausfällt im Vergleich zu höherenergetischen Photonen. Der BSDF variiert in Gegenwart der Grenzfläche innerhalb des Strahlenbündels aufgrund von Veränderungen der Strahlenqualität. Die Elektronen, die von der Blei-Grenzfläche rückgestreut werden, haben eine Reichweite von 5–7 mm.Schlussfolgerung:Grenzflächenmaterialien mit höherer Kernladungszahl bewirken eine Zunahme des BSDF, da sie für die Sekundärelektronen einen höheren Streuquerschnitt aufweisen. Die Dosiszunahme wurde wenige Millimeter vor der metallischen Grenzfläche festgestellt, was auf eine sehr geringe Reichweite der rückgestreuten Elektronen hinweist. Da die Faktoren, die den BSDF an der Grenzfläche beeinflussen, energieabhängig sind, ist zu erwarten, dass die Variabilität des BSDF auch auf die Strahlungsenergie reagiert.

Dose Measurements in the Build-Up Region for the Photon Beams from Clinac-1800 Dual Energy Medical Linear Accelerator

Aim: Since the skin dose becomes the limiting factor while deciding the tumorcidal dose, the detailed analysis of dose distribution in the build-up region is necessary for high-energy photon beams. In this study the beam characteriwstics affecting the build-up and skin dose for 6- and 18-MV photons are analyzed. Materials and Methods: Measurements were made with 6- and 18-MV photons using a PTW parallel-plate ionization chamber (B23344-036) and a RDM-1F electrometer. Build-up ionization measurements were made with the chamber fitted into a 25 × 25 × 25 cm polystyrene phantom with a fixed SSD of 100 cm. The entrance and buildup dose measurements were made with a polycarbonate and a mesh type metallic shielding tray and a 45° wedge. Exit dose measurements were carried out for the graphite patient supporting assembly table top, 1.0 cm thick piece of wood and the 1.0 cm thick patient supporting perspex base frame for head and neck treatments. Results: It was observed that the dmax decreased slightly with field size as with other accelerators. For both photon energies the surface dose was observed to increase with increase in field size. It was also noticed that the dose in the build-up region increases slightly when the polycarbonate secondary blocking tray is introduced with the increase in surface dose. The data show that the tray pertubation factor (TPF) at surface decreases steadily with tray-surface distance for both photon beams for all field sizes. It was noted that the TPF was more when the polycarbonate tray was introduced at shorter tray-surface distances for both energies. At tray-surface distances above 60 cm the TPF almost remained close to unity for 6-MV photons for all field sizes, whereas the continuous decrease in TPF could be noted for 18-MV photon beams even after the TPF rewached unity. Conclusion: The increase in surface dose with field size for both photon energies is due to the electron scattering from the intervening materials. The use of wedge filters absorbs low-energy scattered electrons siginificantly and hence, the relative surface dose (RSD) is always less than unity. The increase in dose enhancement percentage with graphite compared to perspex supporting assembly indicates that the electron backscatter is proportional to the atomic number of the medium.Fragestellung: Die applizierte Dosis im Tumorzielvolumen wird entscheidend von der Hautdosis begrenzt. Daher ist für ultraharte Photonenstrahlung eine detaillierte Analyse der Dosisverteilung notwendig. In dieser Studie werden die Parameter der klinischen Photonenstrahlen, die die Hautdosis und die Aufbauregion bestimmen, für Photonenenergien von 6 MV und 18 MV vorgestellt und analysiert. Material und Methoden: Die Messungen wurden für Photonen der Energie von 6 MV und 18 MV unter Verwendung einer Ionisationskammer der PTW (Typ B 23344-036, Flachkammer) und eines Elektrometers (Typ RDM-1F) durchgeführt. Für die Dosismessung in der Aufbauregion wurde die Ionisationskammer in ein Polystyrenphantom mit einem definierten Volumen von 25 × 25 × 25 cm und einem festen Fokus-Oberflächen-Abstand von 100 cm eingepasst. Die Eintrittsdosis und die Dosis in der Aufbauregion wurden für zwei Blockträger gemessen, die aus Polycarbonat und aus einem Metallgitter bestanden. Die Messung der Austrittsdosis wurde an drei verschiedenen Materialien ausgeführt, bestehend aus einer Graphitunterlage für Patienten, aus einem 1 cm starken Stück Holz und aus einem 1 cm starken Rahmen aus Perspex für Kopf-Hals-Behandlungen. Ergebnisse: Der geometrische Abstand dmax (des Maximums der Tiefendosis) verringerte sich leicht mit der Feldgröße, wie das auch bei anderen Beschleunigern beobachtet wird. Die Oberflächendosis wurde mit wachsender Feldgröße für beide Photonenenergien größer. Weiterhin wurde festgestellt, dass die Dosis in der Aufbauregion und die Oberflächendosis beim Blockträger aus Polycarbonat gegenüber dem Blockträger aus einem Metallgitter und dem offenen Feld leicht anstieg. Die Analyse der Daten zeigt, dass der Trägerstreufaktor (tray perturbation factor, TPF) an der Oberfläche mit zunehmendem Träger-Oberflächen-Abstand für beide Photonenenergien und alle benutzten Feldgrößen kleiner wurde. Der TPF war auch, wiederum für beide Photonenenergien, im Fall des Blockträgers aus Polycarbonat bei geringerem Träger-Oberflächen-Abstand vergleichsweise größer. Für Abstände größer 60 cm blieb der TPF-Wert für 6 MV und für alle benutzten Feldgrößen nahe 1. Im Gegensatz dazuz nahm der TPF bei 18 MV sogar bis unterhalb einem Wert von 1 ab. Schlußfolgerung: Die Zunahme der Oberflächendosis mit zunehmender Feldgröße entsteht für beide Photonenenergien durch die (Compton-)Elektronenstreuung der im Strahlengang liegenden Materialien. Da die Keilfilter vornehmlich gestreute niederenergetische Elektronen absorbieren, nimmt in diesem Fall die relative Oberflächendosis immer Werte unter 1 an. Die relative Zunahme der Dosisverstärkung bei der Graphitunterlage gegenüber der Perspexunterlage deutet darauf hin, dass die Rückstreuung der Elektronen des jeweiligen Mediums proportional zur Ordnungszahl des Mediums ist.

Forward Scatter Dose Effect at Metallic Interfaces Irradiated by X and Gamma Ray Therapy Beams

Aim: In this study forward scattering effects near different metallic interfaces are measured for Co-60 gamma and 6 and 18 MV photon beams. The studied effects are the transport of secondary electrons across the metallic interface and the scattering of photons by the metallic inhomogeneity. Materials and Methods: All measurements were carried out with a PTW thin-window, parallel plate ionisation chamber (B 23344-036) and an RDM-1F electrometer with digital readout. Thin sheets of aluminium, mild steel, copper, cadmium and lead were used as inhomogeneities. The inhomogeneities were placed between the polystyrene phantom and the front window of the chamber which was maintained at 100 cm SSD. Results: It was noticed that for a high energy photon beam (18 MV) the forward scatter dose factor (FSDF) increases rapidly as the thickness of the metallic inhomogeneity increases. For low energy photons, there is a sharp initial decrease of the FSDF until a minimum value is reached followed by a slow increase with increasing thickness of the inhomogeneity. It was also noted that the FSDF variation at off-axis distances has slightly mor slope compared with the ionization ratio (IR) curves for both 6 MV and 18 MV photons. However, the variation in slope is prominent for 18 MV compared with 6 MV photon beam. Conclusion: The sharp dose decrease observed downstream of a metallic inhomogeneity at relatively low photon energy (Co-60, 6 MV) is attributed to the internal scattering of secondary electrons within the metal. The dose enhancement observed for high energy photon beams is attributed to the domination of the pair production process, increasing with atomic number. Since FSDF is dependent on the photon beam spectra, it can be used as a measure of beam quality across the beam.Ziel: Messung der Vorwärtsstreueffekte von Co-60-Gamma- sowie 6- und 18-MV-Photonenstrahlen in der Umgebung unterschiedlicher Metallgrenzflächen. Untersuchung des Transports von Sekundärelektronen durch die Metallgrenzfläche und die Streuung von Photonen infolge der Metallinhomogenität. Material und Methode: Alle Messungen wurden mit einer PTW-Parallelplatten-Ionisationskammer (B 23344-036) und einem RDM-1F-Elektrometer mit Digitalanzeige durchgeführt. Es wurden als Grenzflächen dünne Platten aus Aluminium, Weicheisen, Kupfer, Kadmium und Blei eingesetzt. Die Metallplatten wurden platziert zwischen dem Polystyrolphantom und der Vorderwand der Ionisationskammer, die sich in einem Fokus-Haut-Abstand von 100 cm befand. Ergebnisse: Für 18-MV-Photonenstrahlen wurde ein mit der Dicke der Metallplatte stark zunehmender Vorwärtsstreudosisfaktor (FSDF) festgestellt. Bei Photonenstrahlen niedrigerer Energie kam es initial zu einem steilen Abfallen des Vorwärtsstreudosisfaktors bis zu einem Minimalwert, der mit zunehmender Stärke der Metallplatte langsam wieder anstieg. Außerdem zeigten sich sowohl für 6- als auch für 18-MV-Photonen bei lateralem Achsabstand (off-axis) für die FSDF-Variabilität geringfügig steilere Kurven im Vergleich zu dem Effekt im Zentralstrahl. Dabei war die Veränderung der Kurvensteigung ausgeprägter bei 18-MV- als beim 6-MV-Photonenstrahl. Schlussfolgerung: Der starke Abfall der Vorwärtsstreudosis infolge einer Metallgrenzfläche bei relativ niedriger Photonenenergie (Co-60, 6 MV) wird der Streuung von Sekundärelektronen innerhalb des Metalls zugeschrieben. Die beobachtete Steigung der Dosis bei hoher Photonenenergie wird mit der Zunahme des Paarbildungseffekts erklärt, der proportional zur Kernladungszahl steigt. Da der Vorwärtsstreudosisfaktor von den Photonenspektren abhängt, kann er als Maß der Photonenstrahlqualität in Abhängigkeit vom Divergenzwinkel betrachtet werden.

Measurement of Backscattered Radiation from Secondary Collimator Jaws into the Beam Monitor Chamber from a Dual Energy Linear Accelerator

Aim: The photons and electrons backscattered from the upper and lower secondary collimator jaws give rise to a significant increase in the ion charge measured by the monitor chamber, and this increase varies between different accelerators. We have studied the effect of backscatter into the monitor chamber at 6 MV and 18 MV photon energies for the linear accelerator Clinac-1800. Materials and Methods: The variation of the output factor was first studied for variable asymmetric fields of fixed field size defined by variable right upper collimator jaw together with a variable Cerrobend block low melting point alloy, with constant lower jaw position. Output measurements were carried out at Dmax in a polystyrene phantom at the geometric center of the asymmetric field. The backscatter radiation effect was also analyzed applying a pair of 20 × 20 × 7.5 cm Cerrobend alloy blocks with 6.0 mm diameter pin-holes in the center aligned telescopically with the field defining light beam. The ion chamber with build-up cap was placed at 25 cm behind the second pin-hole. The in air measurements were made varying upper and lower collimators individually and together. For comparison, a similar study was conducted in a Theratron-780C cobalt-60 beam. Results: In the asymmetric field experiment it was noticed that till the collimator jaw crosses the midline, the output factor is almost constant for 6 and 18 MV photon beams. For extreme field asymmetry, the decreases in output factor were 3.2% and 4.3% for 6 and 18 MV, respectively. The telescopic experiment demonstrated 4.0% and 3.9% reduction in output factor for 6 and 18 MV beams when only the upper jaws were varied. Field definition by the lower jaws only reduced the output factor by 3.3% and 3% for 6 and 18 MV photon beams. For square fields achieved by both the jaws, the output factor variation was similar to that achieved with the upper collimator for both energies. Cobalt-60 measurements with the telescopic arrangement did not show significant dependency of output with field variation, provided that the field-dependent scatter from source capsule and collimator jaws is excluded. Conclusion: From this study a maximum reduction of 4% and 4.3% in dose delivery was observed for 6 MV and 18 MV photon beams due to backscattered radiation originating mainly from upper collimator reaching the beam monitor chamber. For asymmetric fields it is felt that direct output measurement is more reliable in order to avoid errors in output factor due to radiation backscattered from the collimator jaws into beam monitor chamber.Ziel: Die von den oberen und unteren Kollimatorblöcken rückgestreuten Photonen und Elektronen führen zu einer – bei den verschiedenen Akzeleratoren unterschiedlichen – bedeutenden Zunahme der messbaren Ionenladung. Wir haben den Effekt dieser Rückstrahlung für den Linearbeschleuniger Clinac-1800 bei 6-MV- und bei 18-MV-Photonenenergie untersucht. Material und Methode: Die Variabilität des Austrittfaktors wurde zunächst an unterschiedlichen asymmetrischen Feldern definierter Größe untersucht, die bei konstanter Position des unteren Kollimatorblockes festgelegt war durch den verschiebbaren oberen rechten Kollimatorblock sowie einen verschiebbaren Block aus Cerrobend, einer bei niedriger Temperatur schmelzenden Legierung. Die austretende Strahlung wurde bei Dmax an einem Polysterolphantom im geometrischen Zentrum des asymmetrischen Feldes gemessen. Der Rückstreueffekt wurde außerdem mit einem Paar 20 × 20 × 7,5 cm großer Cerrobend-Blöcke untersucht, deren Lochung (ø 6 mm) teleskopartig mit den das Feld begrenzenden Lichtstrahlen eine Linie bildete. Die Ionisierungskammer befand sich 25 cm hinter der zweiten Lochung. Bei den Messungen in Luft wurden die oberen und unteren Kollimatorblöcke einzeln oder zusammen verändert. Zum Vergleich wurden ähnliche Untersuchungen für Theratron-780C-Kobalt-60-Strahlen durchgeführt. Ergebnisse: Im asymmetrischen Feld wurde festgestellt, dass, solange der Kollimatorblock die Mittellinie nicht überquert, der Austrittfaktor für 6- und für 18-MV-Photonenstrahlen fast konstant ist. Bei extremer Feldasymmetrie nahm der Austrittfaktoren für 6- und für 18-MV-Photonen um 3,2 bzw. 4,3% ab. Die teleskopische Analyse unter Verwendung der gelochten Cerrobend-Blöcke ergab für 6- und für 18-MV-Photonenstrahlung eine Verminderung des Austrittfaktors um 4,0 bzw. 3,9% wenn nur die oberen Blöcke verschoben wurden. Eine Felddefinition allein durch die unteren Blöcke verminderte den Austrittfaktor für 6 und 18 MV um 3,3 bzw. 2,0%. Wurden mit beiden Kollimatorblöcken quadratische Felder erzeugt, so veränderte sich der Austrittfaktor für beide Photonenenergiewerte in ähnlicher Weise wie durch Verschieben des oberen Blockes. Kobalt-60-Messungen mit der teleskopartigen Anordnung ergaben für die Austrittstrahlung keine signifikante Abhängigkeit von den Feldveränderungen, falls feldabhängige Streuung am Gehäuse der Strahlungsquelle und an den Kollimatorblöcken ausgeschlossen wird. Schlussfolgerung: In diese Untersuchung wurde für 6- und für 18-MV-Photonen eine maximale Dosisreduktion um 4 bzw. 4,3% beobachtet, die vor allem der Rückstreuung am oberen Kollimatorblock zuzuschreiben ist. Für asymmetrische Felder scheint die direkte Messung der Austrittstrahlung zuverlässiger, um Fehler beim Ermitteln des Austrittfaktors zu vermeiden.