Tilo Wiezorek

Flattening filter free beams in SBRT and IMRT: Dosimetric assessment of peripheral doses

PURPOSE Recently, there has been a growing interest in operating medical linear accelerators without a flattening filter. Due to reduced scatter, leaf transmission and radiation head leakage a reduction of out-of-field dose is expected for flattening filter free beams. The aim of the present study was to determine the impact of unflattened beams on peripheral dose for advanced treatment techniques with a large number of MUs. MATERIAL AND METHODS An Elekta Precise linac was modified to provide 6 and 10 MV photon beams without a flattening filter. Basic beam data were collected and implemented into the TPS Oncentra Masterplan (Nucletron). Leakage radiation, which predominantly contributes to peripheral dose at larger distances from the field edge, was measured using a Farmer type ionisation chamber. SBRT (lung) and IMRT (prostate, head&neck) treatment plans were generated for 6 and 10 MV for both flattened and unflattened beams. All treatment plans were delivered to the relevant anatomic region of an anthropomorphic phantom which was extended by a solid water slab phantom. Dosimetric measurements were performed with TLD-700 rods, radiochromic films and a Farmer type ionisation chamber. The detectors were placed within the slab phantom and positioned along the isocentric longitudinal axis. RESULTS Using unflattened beams results in a reduction of treatment head leakage by 52% for 6 and 65% for 10 MV. Thus, peripheral doses were in general smaller for treatment plans calculated with unflattened beams. At about 20 cm distance from the field edge the dose was on average reduced by 23 and 31% for the 6 and 10 MV SBRT plans. For the IMRT plans (10 MV) the average reduction was 16% for the prostate and 18% for the head&neck case, respectively. For all examined cases, the relative deviation between peripheral doses of flattened and unflattened beams was found to increase with increasing distance from the field. CONCLUSIONS Removing the flattening filter lead to reduced peripheral doses for advanced treatment techniques. The relative difference between peripheral doses of flattened and unflattened beams was more pronounced when the nominal beam energy was increased. Patients may benefit by decreased exposure of normal tissue to scattered dose outside the field.

Rotational IMRT techniques compared to fixed gantry IMRT and tomotherapy: multi-institutional planning study for head-and-neck cases.

BackgroundRecent developments enable to deliver rotational IMRT with standard C-arm gantry based linear accelerators. This upcoming treatment technique was benchmarked in a multi-center treatment planning study against static gantry IMRT and rotational IMRT based on a ring gantry for a complex parotid gland sparing head-and-neck technique.MethodsTreatment plans were created for 10 patients with head-and-neck tumours (oropharynx, hypopharynx, larynx) using the following treatment planning systems (TPS) for rotational IMRT: Monaco (ELEKTA VMAT solution), Eclipse (Varian RapidArc solution) and HiArt for the helical tomotherapy (Tomotherapy). Planning of static gantry IMRT was performed with KonRad, Pinnacle and Panther DAO based on step&shoot IMRT delivery and Eclipse for sliding window IMRT. The prescribed doses for the high dose PTVs were 65.1Gy or 60.9Gy and for the low dose PTVs 55.8Gy or 52.5Gy dependend on resection status. Plan evaluation was based on target coverage, conformity and homogeneity, DVHs of OARs and the volume of normal tissue receiving more than 5Gy (V5Gy). Additionally, the cumulative monitor units (MUs) and treatment times of the different technologies were compared. All evaluation parameters were averaged over all 10 patients for each technique and planning modality.ResultsDepending on IMRT technique and TPS, the mean CI values of all patients ranged from 1.17 to 2.82; and mean HI values varied from 0.05 to 0.10. The mean values of the median doses of the spared parotid were 26.5Gy for RapidArc and 23Gy for VMAT, 14.1Gy for Tomo. For fixed gantry techniques 21Gy was achieved for step&shoot+KonRad, 17.0Gy for step&shoot+Panther DAO, 23.3Gy for step&shoot+Pinnacle and 18.6Gy for sliding window.V5Gy values were lowest for the sliding window IMRT technique (3499 ccm) and largest for RapidArc (5480 ccm). The lowest mean MU value of 408 was achieved by Panther DAO, compared to 1140 for sliding window IMRT.ConclusionsAll IMRT delivery technologies with their associated TPS provide plans with satisfying target coverage while at the same time respecting the defined OAR criteria. Sliding window IMRT, RapidArc and Tomo techniques resulted in better target dose homogeneity compared to VMAT and step&shoot IMRT. Rotational IMRT based on C-arm linacs and Tomotherapy seem to be advantageous with respect to OAR sparing and treatment delivery efficiency, at the cost of higher dose delivered to normal tissues. The overall treatment plan quality using Tomo seems to be better than the other TPS technology combinations.

Dosimetric quality assurance for intensity-modulated radiotherapy feasibility study for a filmless approach.

Purpose:Test and comparison of various 2–D real–time detectors for dosimetric quality assurance (QA) of intensity–modulated radiotherapy (IMRT) with the vision to replace radiographic films for 2–D dosimetry.Material and Methods:All IMRT treatment plans were created with the Konrad software (Siemens OCS). The final dose calculation was also carried out in Konrad. A Mevatron Primus (Siemens OCS) linear accelerator which provides 6–MV and 15–MV highenergy photon beams was used for the delivery of segmented multileaf–modulated IMRT. Three different 2–D detectors, each based on a different physical (interaction) principle, were tested for the field–related IMRT verification: (1) the MapCheck diode system (Sun Nuclear), (2) the I’mRT QA scintillation detector (Scanditronix/Wellhöfer), and the Seven29 ionization chamber array (PTW). The performance of these detector arrays was evaluated against IMRT dose distributions created and calculated with Konrad and the results obtained were compared with film measurements performed with radiographic films (EDR2, Kodak). Additionally, measurements were performed with point detectors, such as diamond, diodes (PTW) and ionization chambers (PTW, Scanditronics/ Wellhöfer) and radiochromic films (GafChromic film MD55, ISP).Results:The results obtained with all three 2–D detector systems were in good agreement with calculations performed with the treatment–planning system and with the standard dosimetric tools, i.e., films or various point dose detectors. It could be shown that all three systems offer dosimetric characteristics required for performing field–related IMRT QA with relative dose measurements. The accuracy of the 2–D detectors was mostly ± 3% normalized to dose maximum for a wide dynamic range. The maximum deviations did not exceed ± 5% even in regions with a steep dose gradient. The main differences between the detector systems were the spatial resolution, the maximal field size, and the ability to perform absolute dosimetric measurements.Conclusion:Commercial 2–D detectors have the potential to replace films as an “area detector” for field–related verification of IMRT. The on–line information provided by the respective systems can even improve the efficiency of the QA procedures.Ziel:Verschiedene 2–D–Echtzeitdetektoren wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur dosimetrischen Verifikation der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) untersucht und getestet – mit der Vision, zukünftig radiographische Filme abzulösen.Material und Methodik:Die Erzeugung der IMRT–Bestrahlungspläne erfolgte mit Konrad (Siemens OCS). Die abschließende Dosisberechnung wurde ebenfalls mit Konrad ausgeführt. Zur Umsetzung der Bestrahlungspläne wurde ein Mevatron Primus (Siemens OCS) genutzt. Alle Messungen erfolgten mit 6–MV– und 15–MV–Photonenstrahlung. Drei verschiedene Detektortypen auf der Basis verschiedener physikalischer Prinzipien wurden hinsichtlich ihrer Anwendung für die feldbezogene IMRT–Verifikation getestet: 1. das MapCheck–Diodensystem (Sun Nuclear), 2. das I’mRT QA (Scanditronix/Wellhöfer), basierend auf dem fluoreszierenden Prinzip, und 3. das Seven29–Ionisationskammer–Array (PTW). Das Signalverhalten dieser Detektorarrays bzw. Flächendetektoren wurde bei unterschiedlichen Bedingungen getestet und mit Messergebnissen von Standarddetektoren verglichen. Als Referenzdosimetrie– Systeme wurden radiographische Filme (EDR2, Kodak) und radiochromatische Filme (GafChromic–Film MD55, ISP) sowie ein Diamantdetektor, ein Halbleiterdetektor (beide PTW) und eine Ionisationskammer (Scanditronix/Wellhöfer) verwendet.Ergebnisse:Die mit den drei 2–D–Detektoren gewonnenen Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Rechnungen des Bestrahlungsplanungssystems und mit den Messwerten von herkömmlichen Dosimetern wie Filmen oder verschiedenen Punktdetektoren. Es konnte gezeigt werden, dass alle drei Systeme Charakteristika, die für die feldbezogene IMRT–Qualitätssicherung erforderlich sind, aufweisen. Die Genauigkeit der 2–D–Detektoren lag bei ± 3% (normalisiert auf das Dosismaximum), mit maximalen Abweichungen von ± 5% in Bereichen mit starken Dosisgradienten. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Detektorsystemen lagen in der räumlichen Auflösung, der maximalen Feldgröße und der Fähigkeit zur Absolutdosimetrie.Schlussfolgerung:Kommerziell erhältliche 2–D–Detektorsysteme haben das Potential, den Film als Flächendetektor zu ersetzen. Die durch die untersuchten 2–D–Systeme in Echtzeit erhältlichen Informationen können auch die Effizienz der gesamten Qualitätssicherungsprozedur verbessern.

Dosimetric Quality Assurance for Intensity–Modulated Radiotherapy

Purpose:Test and comparison of various 2–D real–time detectors for dosimetric quality assurance (QA) of intensity–modulated radiotherapy (IMRT) with the vision to replace radiographic films for 2–D dosimetry.Material and Methods:All IMRT treatment plans were created with the Konrad software (Siemens OCS). The final dose calculation was also carried out in Konrad. A Mevatron Primus (Siemens OCS) linear accelerator which provides 6–MV and 15–MV highenergy photon beams was used for the delivery of segmented multileaf–modulated IMRT. Three different 2–D detectors, each based on a different physical (interaction) principle, were tested for the field–related IMRT verification: (1) the MapCheck diode system (Sun Nuclear), (2) the I’mRT QA scintillation detector (Scanditronix/Wellhöfer), and the Seven29 ionization chamber array (PTW). The performance of these detector arrays was evaluated against IMRT dose distributions created and calculated with Konrad and the results obtained were compared with film measurements performed with radiographic films (EDR2, Kodak). Additionally, measurements were performed with point detectors, such as diamond, diodes (PTW) and ionization chambers (PTW, Scanditronics/ Wellhöfer) and radiochromic films (GafChromic film MD55, ISP).Results:The results obtained with all three 2–D detector systems were in good agreement with calculations performed with the treatment–planning system and with the standard dosimetric tools, i.e., films or various point dose detectors. It could be shown that all three systems offer dosimetric characteristics required for performing field–related IMRT QA with relative dose measurements. The accuracy of the 2–D detectors was mostly ± 3% normalized to dose maximum for a wide dynamic range. The maximum deviations did not exceed ± 5% even in regions with a steep dose gradient. The main differences between the detector systems were the spatial resolution, the maximal field size, and the ability to perform absolute dosimetric measurements.Conclusion:Commercial 2–D detectors have the potential to replace films as an “area detector” for field–related verification of IMRT. The on–line information provided by the respective systems can even improve the efficiency of the QA procedures.Ziel:Verschiedene 2–D–Echtzeitdetektoren wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur dosimetrischen Verifikation der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) untersucht und getestet – mit der Vision, zukünftig radiographische Filme abzulösen.Material und Methodik:Die Erzeugung der IMRT–Bestrahlungspläne erfolgte mit Konrad (Siemens OCS). Die abschließende Dosisberechnung wurde ebenfalls mit Konrad ausgeführt. Zur Umsetzung der Bestrahlungspläne wurde ein Mevatron Primus (Siemens OCS) genutzt. Alle Messungen erfolgten mit 6–MV– und 15–MV–Photonenstrahlung. Drei verschiedene Detektortypen auf der Basis verschiedener physikalischer Prinzipien wurden hinsichtlich ihrer Anwendung für die feldbezogene IMRT–Verifikation getestet: 1. das MapCheck–Diodensystem (Sun Nuclear), 2. das I’mRT QA (Scanditronix/Wellhöfer), basierend auf dem fluoreszierenden Prinzip, und 3. das Seven29–Ionisationskammer–Array (PTW). Das Signalverhalten dieser Detektorarrays bzw. Flächendetektoren wurde bei unterschiedlichen Bedingungen getestet und mit Messergebnissen von Standarddetektoren verglichen. Als Referenzdosimetrie– Systeme wurden radiographische Filme (EDR2, Kodak) und radiochromatische Filme (GafChromic–Film MD55, ISP) sowie ein Diamantdetektor, ein Halbleiterdetektor (beide PTW) und eine Ionisationskammer (Scanditronix/Wellhöfer) verwendet.Ergebnisse:Die mit den drei 2–D–Detektoren gewonnenen Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Rechnungen des Bestrahlungsplanungssystems und mit den Messwerten von herkömmlichen Dosimetern wie Filmen oder verschiedenen Punktdetektoren. Es konnte gezeigt werden, dass alle drei Systeme Charakteristika, die für die feldbezogene IMRT–Qualitätssicherung erforderlich sind, aufweisen. Die Genauigkeit der 2–D–Detektoren lag bei ± 3% (normalisiert auf das Dosismaximum), mit maximalen Abweichungen von ± 5% in Bereichen mit starken Dosisgradienten. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Detektorsystemen lagen in der räumlichen Auflösung, der maximalen Feldgröße und der Fähigkeit zur Absolutdosimetrie.Schlussfolgerung:Kommerziell erhältliche 2–D–Detektorsysteme haben das Potential, den Film als Flächendetektor zu ersetzen. Die durch die untersuchten 2–D–Systeme in Echtzeit erhältlichen Informationen können auch die Effizienz der gesamten Qualitätssicherungsprozedur verbessern.

Experimental Determination of Peripheral Doses for Different IMRT Techniques Delivered by a Siemens Linear Accelerator

Purpose:To quantify the relative peripheral doses (PD) to healthy tissues outside the treated region for different intensity-modulated radiotherapy (IMRT) technologies.Material and Methods:On a linear accelerator (linac) Oncor Impression (Siemens OCS) with two photon energies (6 MV, 15 MV), point dose measurements were performed at different depths in a solid phantom at 29 cm off-axis distance inplane. PD associated with artificial fluence distributions were compared with open beam contributions, where intensity-modulated (IM) beams were generated by segmented multileaf-modulated (sMLM) IMRT, by tin+wax compensators (TWComp), and by lead-containing cerrobend compensators (CComp). The field size of the open field and the maximum area (isocenter distance) exposed with the primary beam for the IMRT fields was 20 × 22 cm2. Measurements were performed with two kinds of thermoluminescence dosimeters to quantify photon and neutron components separately. Furthermore, experiments were done with and without phantom material in the direct beam to separate different scatter dose components.Results:The results for the photon components and the neutron components are reverse. For the open field, the photon components increase with decreasing photon energy. In comparison with the open field, the photon components are further (factor 1.2–1.8 depending on energy and depth) increased when delivering IMRT with sMLM. When using CComp or TWComp, this factor is even higher and reaches a maximum of 2.4. At depths beyond 20 mm, photon component values slightly decrease with increasing photon energy for all types of IMRT techniques. Near the surface (10 mm depth), photon component values are distinctly higher than those at larger depth, and they increase with increasing photon energy. As expected, neutron components could be detected only for 15 MV. For sMLM and compensators, neutron components increased by factors 4 and 1.5 relative to the open field. The experiments with different scatter conditions show that about 50–70% of the photon components and all neutron components NPD are caused by radiation emanating from the linac head.Conclusion:PD in IMRT can be minimized by proper selection of treatment delivery method and photon beam energy. When selecting the IMRT technique in centers where compensator IMRT and MLC IMRT is available, PD burden should be taken into account. The large amount of photon components and neutron components caused by leakage radiation from the treatment head leads to the recommendation that radiation protection aspects for patients undergoing IMRT should be considered in linac design. For further clarification, additional experiments have to be carried out on other types of linacs.Ziel:Der Einfluss verschiedener IMRT-Technologien (intensitätsmodulierte Strahlentherapie) auf die Bestrahlung gesunden Gewebes außerhalb der behandelten Region sollte untersucht werden. Die relativen peripheren Dosen (PD) wurden ermittelt und analysiert.Material und Methodik:An einem Linearbeschleuniger Oncor Impression (Siemens OCS) mit zwei Photonenenergien (6 MV, 15 MV) wurden Punktdosismessungen in verschiedenen Tiefen in einem Plexiglasphantom 29 cm off-axis inplane durchgeführt. PD bei künstlichen IMRT-Fluenzen wurden mit Beiträgen durch offene Felder verglichen, wobei die IMRT-Fluenzen mit MLC-Step&shoot-Technik (sMLM), mit Zinn+Wachs-Kompensatoren (TWComp) und mit bleihaltigen MCP96-Kompensatoren (CComp) erzeugt wurden. Die Feldgröße des offenen Feldes und die maximal mit dem Primärstrahl bestrahlte Fläche bei den IMRT-Feldern betrug 20 × 22 cm2. Die Messungen wurden mit zwei Arten von Thermolumineszenzdetektoren realisiert, um die Photonen- und Neutronenkomponenten der peripheren Dosis separat zu quantifizieren. Außerdem wurden Experimente mit und ohne Phantommaterial im Primärstrahlenbereich durchgeführt, um verschiedene Streudosiskomponenten zu separieren.Ergebnisse:Die Ergebnisse für die Photonenkomponenten und die Neutronenkomponenten sind invers. Beim offenen Feld steigen die Photonenkomponenten mit fallender Photonenenergie. Im Vergleich mit dem offenen Feld steigen die Photonenkomponenten bei Verwendung der IMRT-Felder mit sMLM um den Faktor 1,2–1,8 in Abhängigkeit von Photonenenergie und Tiefe. Bei Verwendung der CComp ist der Faktor größer (2,0–2,2), bei TWComp variiert er von 2,2 bis 2,4. Bei Tiefen von mehr als 20 mm und für alle IMRT-Methoden fällt die Photonenkomponente leicht mit steigender Photonenenergie. Nahe der Oberfläche (10 mm Tiefe) sind die Photonenkomponenten merklich höher als in größeren Tiefen, und sie steigen mit höherer Photonenenergie. Die Neutronenkomponente war erwartungsgemäß nur für 15 MV vorhanden; sie war um den Faktor 4 (sMLM) bzw. um etwa den Faktor 1,5 (CComp oder TWComp) relativ zum offenen Feld erhöht. Die Experimente mit verschiedenen Streubedingungen zeigen, dass in Abhängigkeit von der Photonenenergie ungefähr 50–70% der Photonenkomponenten und 100% der Neutronenkomponenten aus dem Beschleunigerkopf kommen.Schlussfolgerung:PD bei IMRT können durch angemessene Auswahl der Applikationsmethode und der Photonenenergie minimiert werden. Falls Kompensator-IMRT und MLC-IMRT verfügbar sind, sollte die PD-Belastung bei der Auswahl der Applikationstechnik mit berücksichtigt werden. Die große Menge an Photonenkomponenten und Neutronenkomponenten aufgrund der Durchlassstrahlung vom Beschleunigerkopf legt die Empfehlung nahe, Strahlenschutzaspekte für Patienten, die IMRT erhalten, beim Beschleunigerdesign stärker zu berücksichtigen. Für weitere Klärungen müssen zusätzliche Experimente an Linearbeschleunigern anderer Bauart folgen.

IMRT with compensators for head-and-neck cancers treatment technique, dosimetric accuracy, and practical experiences.

Background and Purpose:With three-dimensional conformal intensity-modulated radiotherapy (3D-c-IMRT) a heterogeneous dose distribution can be achieved in both planning treatment volume and in adjacent normal tissues and organs to be spared. 3D-c-IMRT demands for modified photon fluence profiles which can be accomplished with different techniques. This report deals with the commissioning of metal compensators and the first experiences in clinical use. Dosimetric accuracy, dose coverage and practical experience like treatment delivery time, monitor units and dose outside the treated volume are evaluated.Patients and Methods:From January 2002 to April 2004, 24 patients with head-and-neck cancers were treated with 3D-c-IMRT using tin-wax compensators. The dose prescription included a simultaneously integrated boost (SIB). High-dose volume was irradiated with 60–70 Gy (median 66 Gy), low-dose volume with 48–54 Gy (median 52 Gy) administered by a standardized seven- portal coplanar beam arrangement. Dose at one parotid gland was aimed at 26 Gy. The compensators used consisted of tin granules embedded in wax; recalculation was performed with compensators made of the alloy MCP96 as well.Results:In 21 of 24 patients 3D-c-IMRT with tin-wax compensators reduced the median dose to one parotid gland to < 30 Gy. Recalculation with compensators with higher density which allowed higher attenuation revealed better protection of the parotid gland. The treatment delivery time per fraction was between 6 and 12 min (plus time for patient positioning), approximately 300 MU per 2 Gy were applied. The dose outside the treated volume was increased with regard to open fields and comparable with a physical wedge of 15–30°. Quality assurance and treatment of patient were fast and simple. It was shown, that calculated dose distribution corresponded to measured dose distribution with high accuracy.Conclusion:The described method offers facilities for a good dose coverage of irregular target volumes with different prescribed doses and a considerable dose reduction in adjacent organs at risk. The dose sparing of organs at risk can be further improved, if a compensator material with higher density is used.Hintergrund und Ziel:Mit der dreidimensionalen konformalen intensitätsmodulierten Strahlentherapie (3D-c-IMRT) kann eine heterogene Dosisverteilung sowohl im Planungszielvolumen als auch in benachbartem Normalgewebe und zu schonenden Organen erreicht werden. Die 3D-c-IMRT erfordert modifizierte Photonenfluenzprofile, die mit verschiedenen Technologien zustande gebracht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Erprobung der Metallkompensatoren und den ersten Erfahrungen in der klinischen Anwendung. Dosimetrische Genauigkeit, Dosiserfassung und praktische Erfahrungen wie Bestrahlungszeit, Monitoreinheiten und Dosis außerhalb des bestrahlten Volumens werden beurteilt.Patienten und Methodik:Von Januar 2002 bis April 2004 wurden 24 Patienten mit einem HNO-Tumor mit der 3D-c-IMRT-Technik mit Zinn-Wachs-Kompensatoren behandelt. Die Dosisverordnung schloss einen gleichzeitigen integrierten Boost ein. Das Hochdosisvolumen wurde mit 60–70 Gy (median 66 Gy), das Niedrigdosisvolumen mit 48–54 Gy (median 52 Gy) mit einer koplanaren standardisierten Sieben-Felder-Technik behandelt. Die Zieldosis an einer Glandula parotidea betrug 26 Gy. Die verwendeten Kompensatoren bestanden aus Zinngranulat, eingebettet in Wachs; zudem wurden Neuberechnungen mit Kompensatoren aus einer MCP96-Legierung durchgeführt.Ergebnisse:Für 21 von 24 Patienten reduzierte die 3D-c-IMRT mit Zinn-Wachs-Kompensatoren die Mediandosis für eine Glandula parotidea auf < 30 Gy. Eine Neuberechnung mit Kompensatoren höherer Dichte, die eine höhere Schwächung ermöglichen, ergab eine bessere Schonung der Glandula parotidea. Die Behandlungszeit pro Fraktion betrug 6–12 min (zuzüglich Patientenlagerung); etwa 300 MU wurden für 2 Gy appliziert. Die Dosis des Patienten außerhalb des bestrahlten Volumens war gegenüber offenen Feldern erhöht und vergleichbar mit einem physikalischen Keil von 15–30°. Qualitätssicherung und Patientenbestrahlung waren einfach und schnell. Es wurde gezeigt, dass berechnete und gemessene Dosisverteilung mit sehr hoher Genauigkeit übereinstimmten.Schlussfolgerung:Die beschriebene Methode ermöglicht eine gute Dosiserfassung irregulärer Zielvolumina mit unterschiedlicher verordneter Dosis und eine beträchtliche Dosisreduktion in angrenzenden Risikoorganen. Die Dosisschonung der Risikoorgane kann weiter verbessert werden, wenn ein Kompensatormaterial mit höherer Dichte verwendet wird.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

Improved patient repositioning accuracy by integrating an additional jaw fixation into a high precision face mask system in stereotactic radiotherapy of the head

Hintergrund: Eine Grundvoraussetzung für die Präzisionsbestrahlung im Bereich des Neurokraniums ist eine genaue, reproduzierbare Lagerungstechnik. Die vorliegende Arbeit untersucht den Einfluss einer Modifikation am kommerziell erhältlichen stereotaktischen BrainLab®–Kopfmaskensystem auf die Lagerungsgenauigkeit während einer fraktionierten Strahlentherapie. Material und Methodik: 29 Patienten wurden unter stereotaktischen Bedingungen fraktioniert bestrahlt. Jeder Patient erhielt das individuell angepasste Zwei-Halbschalen-Maskensystem (BrainLab®). Bei 18 dieser Patienten kam eine zusätzliche Kieferfixierung entweder als Oberkieferfixierung (OKF) oder als zusätzliche Unterkieferfixierung (UKF) zum Einsatz. Die Reproduzierbarkeit der Lagerung wurde durch Ausmessung von Verschiebungen anatomischer Strukturen auf Filmebene in 0° und 90° bestimmt. Vor den Aufnahmen in Gantryposition 0° und 90° erfolgte die Feinjustierung des Simulators über ein optisches Ringsystem. Insgesamt wurden während der 2- bis 7-wöchigen Therapie 844 Messungen an einem digitalen Bildverarbeitungssystem erhoben. Ergebnisse: Im Vergleich der Standardabweichungen der Messergebnisse ergibt sich unter Verwendung einer zusätzlichen Kieferfixierung eine signifikante Verbesserung der Lagerungsreproduzierbarkeit in den drei Freiheitsgraden: Lateralverschiebung 0,6 mm mit Kieferfixierung vs. 0,7 mm ohne Fixierung (p < 0,001 ); Longitudinalverschiebung in 0° Aufnahme gemessen 0,5 vs. 1,3 mm (p < 0,001), Longitudinalverschiebung in 90°-Aufnahme gemessen 0,5 mm vs. 1,5 mm (p < 0,001), Vertikalverschiebung 0,6 vs. 0,9 mm (p = 0,001). Kein signifikanter Unterschied der Abweichungen ergibt sich im Vergleich zwischen OKF und UKF. Schlussfolgerung: Diese Untersuchung konnte eine signifikante Verbesserung der Lagerungspräzision durch die Verwendung einer zusätzlichen, individuell geformten Kieferfixierung mit dem BrainLab®-Maskensystem nachweisen. Die Lagerungsvariabilität beträgt in allen Richtungen weniger als 2 mm. Somit kann der Sicherheitssaum um das klinische Zielvolumen insbesondere bei benignen Tumoren durch verbesserte Fixierung entscheidend verkleinert werden. Background: For high precision radiotherapy of the neurocranium a precise, reproducible positioning technique is the basic prerequisite. The aim of this study was to assess the influence of a modification of the commercially available stereotactical Brain- Lab®-head mask system on accuracy in patient positioning during fractionated radiotherapy. Material and Methods: 29 patients were treated with stereotactic radiotherapy of the head. Immobilization was provided by a two layer thermoplastic mask system (BrainLab®). 18 of these patients received an additional custom made fixation either of the upper jaw (OKF) or of the mandibula (UKF). The positioning accuracy was assessed by measurements of the shifting of anatomical landmarks in relation to the rigid mask system on biplanar simulator films using a digital imaging system. Before each measurement a fine adjustment of the simulator to an optical ring system was performed. The reference radiographs were done just before CT-planning. During a 2–7 weeks lasting course of radiotherapy displacement measurements in relation to the reference images for all three dimensions (z, y and x ) were done once a week. In 29 patients 844 measurements were analyzed. Results: An additional jaw fixation improves the reproducibilty of patient positioning significantly in all three spatial dimensions. The standard deviation in lateral direction (x) was 0.6 mm with jaw fixation vs. 0.7 mm without jaw fixation (p < 0.001); in longitudinal direction (z) (measured in 0° radiographs) 0.5 mm vs. 1.3 mm (p < 0.001); in longitudinal direction (measured in 90° radiographs) 0.5 mm vs. 1.5 mm (p < 0.001); in vertical direction (y) 0.6 mm vs. 0.9 mm (p = 0.001). No significanct differences in standard deviations were found comparing OKF (n = 14) with UKF (n = 4). Conclusion: A significant improvement in reposition accuracy using an additional, individually formed jaw fixation can be acquired. The variability of positioning can be reduced especially in the z-direction. A further reduction of the safety margin around the target volume – especially in benign tumors – is possible by improved fixation technique.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose A Comparison between sMLM-IMRT and Helical Tomotherapy

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

IMRT with Compensators for Head-and-Neck Cancers

Background and Purpose:With three-dimensional conformal intensity-modulated radiotherapy (3D-c-IMRT) a heterogeneous dose distribution can be achieved in both planning treatment volume and in adjacent normal tissues and organs to be spared. 3D-c-IMRT demands for modified photon fluence profiles which can be accomplished with different techniques. This report deals with the commissioning of metal compensators and the first experiences in clinical use. Dosimetric accuracy, dose coverage and practical experience like treatment delivery time, monitor units and dose outside the treated volume are evaluated.Patients and Methods:From January 2002 to April 2004, 24 patients with head-and-neck cancers were treated with 3D-c-IMRT using tin-wax compensators. The dose prescription included a simultaneously integrated boost (SIB). High-dose volume was irradiated with 60–70 Gy (median 66 Gy), low-dose volume with 48–54 Gy (median 52 Gy) administered by a standardized seven- portal coplanar beam arrangement. Dose at one parotid gland was aimed at 26 Gy. The compensators used consisted of tin granules embedded in wax; recalculation was performed with compensators made of the alloy MCP96 as well.Results:In 21 of 24 patients 3D-c-IMRT with tin-wax compensators reduced the median dose to one parotid gland to < 30 Gy. Recalculation with compensators with higher density which allowed higher attenuation revealed better protection of the parotid gland. The treatment delivery time per fraction was between 6 and 12 min (plus time for patient positioning), approximately 300 MU per 2 Gy were applied. The dose outside the treated volume was increased with regard to open fields and comparable with a physical wedge of 15–30°. Quality assurance and treatment of patient were fast and simple. It was shown, that calculated dose distribution corresponded to measured dose distribution with high accuracy.Conclusion:The described method offers facilities for a good dose coverage of irregular target volumes with different prescribed doses and a considerable dose reduction in adjacent organs at risk. The dose sparing of organs at risk can be further improved, if a compensator material with higher density is used.Hintergrund und Ziel:Mit der dreidimensionalen konformalen intensitätsmodulierten Strahlentherapie (3D-c-IMRT) kann eine heterogene Dosisverteilung sowohl im Planungszielvolumen als auch in benachbartem Normalgewebe und zu schonenden Organen erreicht werden. Die 3D-c-IMRT erfordert modifizierte Photonenfluenzprofile, die mit verschiedenen Technologien zustande gebracht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Erprobung der Metallkompensatoren und den ersten Erfahrungen in der klinischen Anwendung. Dosimetrische Genauigkeit, Dosiserfassung und praktische Erfahrungen wie Bestrahlungszeit, Monitoreinheiten und Dosis außerhalb des bestrahlten Volumens werden beurteilt.Patienten und Methodik:Von Januar 2002 bis April 2004 wurden 24 Patienten mit einem HNO-Tumor mit der 3D-c-IMRT-Technik mit Zinn-Wachs-Kompensatoren behandelt. Die Dosisverordnung schloss einen gleichzeitigen integrierten Boost ein. Das Hochdosisvolumen wurde mit 60–70 Gy (median 66 Gy), das Niedrigdosisvolumen mit 48–54 Gy (median 52 Gy) mit einer koplanaren standardisierten Sieben-Felder-Technik behandelt. Die Zieldosis an einer Glandula parotidea betrug 26 Gy. Die verwendeten Kompensatoren bestanden aus Zinngranulat, eingebettet in Wachs; zudem wurden Neuberechnungen mit Kompensatoren aus einer MCP96-Legierung durchgeführt.Ergebnisse:Für 21 von 24 Patienten reduzierte die 3D-c-IMRT mit Zinn-Wachs-Kompensatoren die Mediandosis für eine Glandula parotidea auf < 30 Gy. Eine Neuberechnung mit Kompensatoren höherer Dichte, die eine höhere Schwächung ermöglichen, ergab eine bessere Schonung der Glandula parotidea. Die Behandlungszeit pro Fraktion betrug 6–12 min (zuzüglich Patientenlagerung); etwa 300 MU wurden für 2 Gy appliziert. Die Dosis des Patienten außerhalb des bestrahlten Volumens war gegenüber offenen Feldern erhöht und vergleichbar mit einem physikalischen Keil von 15–30°. Qualitätssicherung und Patientenbestrahlung waren einfach und schnell. Es wurde gezeigt, dass berechnete und gemessene Dosisverteilung mit sehr hoher Genauigkeit übereinstimmten.Schlussfolgerung:Die beschriebene Methode ermöglicht eine gute Dosiserfassung irregulärer Zielvolumina mit unterschiedlicher verordneter Dosis und eine beträchtliche Dosisreduktion in angrenzenden Risikoorganen. Die Dosisschonung der Risikoorgane kann weiter verbessert werden, wenn ein Kompensatormaterial mit höherer Dichte verwendet wird.