TURKISH JOURNAL OF ONCOLOGY

Summary

AMAÇ
Siemens ONCOR Avant-Garde lineer hızlandırıcısının“intensity modulated radiation therapy=IMRT” uygulamalarındaki performansını değerlendirmek için, küçük monitor unit (MU) değerlerindeki doz linearitesi, doz doğruluğu ve küçük alan boyutlu segmentlerdeki doz değerlerinin doğruluğu araştırıldı.

GEREÇ VE YÖNTEM
Cihazın küçük MU değerlerinde doz linearitesi ve doğruluğu için 0.6 cc “Farmer” iyon odası ve 47 tane diod içeren PTWLA48 lineer dedekt örü kullanıldı. Küçük alanlarda doz doğrulaması ise, PTW Si Diod dedektörlerle ölçülen doz değerleri ile planlama sisteminde elde edilen doz değerleri karşılaştırılarak yapıldı.

BULGULAR
Küçük MU değerinde doz linearitesi için alınan ölçümlerde <3 MU değerlerinde linearite %3'ün altında bulundu. Segmentler arası linearite ölçümlerinde <2 MU için linearite >%3 bulunurken, daha büyük MU değerlerinde linearite <%2 ölçüldü. Küçük alanlarda cihazda ölçülen doz değeri ile planlama sisteminde elde edilen dozlar birbirleri ile karşılaştırıldığında 2x2 cm²'den küçük alanlarda uyumsuzluk >%3; daha büyük alanlarda ise uyumsuzluk <%3 olarak saptandı.

SONUÇ
Siemens ONCOR Avant-Garde lineer hızlandırıcısının “Step & Shoot” IMRT için küçük MU değerleri ve küçük segment boyutlu alanlarındaki performansı kabul değerlerinin içinde bulundu.

Summary

Introduction

Üç boyutlu konformal radyoterapinin amacı; hedef hacime tanımlanan dozu tam olarak verirken çevre sağlam dokulardaki dozu en aza indirmektir. “Intensity modulated radiation therapy=IMRT” bu amacı en iyi biçimde gerçekleştiren tedavi tekniklerinden biridir. Gelişen teknoloji ile birlikte IMRT baş-boyun, prostat, meme tümörleri başta olmak üzere pek çok kanser türünde standart tedavi modeli olarak kullanılmaktadır.[1] IMRT tekniğinde planlama ve tedavi kısmında üç boyutlu konformal radyoterapiden farklı adımlar vardır. Farklı yoğunluklu demetler kullanılarak konkav biçimli tümörlerde istenen doz dağılımı elde edilirken, tümör çevresindeki kritik organların dozları tanımlanan tolerans değerlerinde tutulur. Çoğu planlama sisteminde “Forward” yaklaşımla IMRT planlaması yapılabilmesine karşın, “Inverse” yaklaşım ile hedef hacim ve kritik organlar için istenen doz değerleri hesaplama fonksiyonu ile (Cost Function) iteratif olarak hesaplanır.[2] Her bir gantri açısındaki demetler ile elde edilen izodoz dağılımı “Yoğunluk Haritaları” (Intensity Map, IM) denilen dağılım biçimindedir. Final hesaplama ile bu yoğunluk haritaları çok yapraklı kolimatör=ÇYK (Multi-Leaf Collimator) ile oluşturulmuş küçük alancıklara yani segmentlere dönüştürülür. Her bir gantri açısındaki alanlar doz dağılımını belirleyen seçilmiş yoğunluk düzeyine göre farklı “monitor unit” (MU) içeren birden fazla segmentler içerir.

Planlama sisteminde elde edilen yoğunlukları ayarlanmış bu demetler lineer hızlandırıcılarda iki farklı teknikle uygulanır. “Sliding Window” ÇYK yapraklarının segmentleri arasında hareketi boyunca ışınlamanın devam ettiği teknik iken diğeri ise segmentleri oluşturmak için ÇYK hareket ederken ışınlamanın durduğu “Step & Shoot” tekniğidir. Kliniğimizde 2005 yılından başlayarak farklı tedavi bölgeleri için IMRT “Step & Shoot” tekniği ile yapılmaktadır.

“Step & Shoot” tekniğinde yoğunluk haritasına göre oluşan segmentlerin her biri farklı biçimli ve doz ağırlıklıdır. Bu segmentler lineer hızlandırıcı da ÇYK yaprakları ile biçimlendirilir ve sıralı olarak ışınlama yapılır.[3] “Step & Shoot” IMRT uygulamasının hatasız bir şekilde yapılması lineer hızlandırıcının dozimetrik performansına, ÇYK yaprak pozisyon kalibrasyonuna ve planlama sisteminin doğruluğuna doğrudan bağlıdır. Bu çalışmadaki tüm ölçümler ÇYK hatasından kaynaklı doz hatalarını en aza indirmek için rutin yapılan ÇYK kalibrasyonundan hemen sonra alınmıştır. Grigorov ve arkadaşları “Step & Shoot” IMRT uygulamalarında ÇYK kaynaklı sorunları rapor etmişlerdir.[4]

Genellikle, lineer hızlandırıcıların dozimetrik performansları konformal tedaviler için kullanılan geniş alanlarda (>4x4 cm²) ve 50 MU'den büyük MU değerleri için kontrol edilirken, IMRT uygulamaya karar verildiğinde daha kapsamlı ve duyarlı kalite konrol testlerin yapılması gerekmektedir. Kabul edilen ulusal ya da uluslararası IMRT kalite kabul testleri ve kalite temini için referans raporlar olmamakla birlikte, American Association of Physicist in Medicine (AAPM) ve European Society for Therapeutic Radiology and Oncology (ESTRO) tarafından hazırlanan IMRT için gerekli kalite kontrol ve kalite temini ölçümleri bu çalışmada ve kliniğimizdeki IMRT uygulamalarında referans olarak alınmıştır.[1]-[6]

“Step & Shoot” tekniğinde, biçimleri ve boyutları birbirinden farklı olan segmentler planlama sisteminde belirlenen doz ağırlıklarına göre 10 MU'ten küçük ışınlama sürelerine sahip olabilirler. Cihazın ve ÇYK sisteminin genel dozimetrik karakterlerinin küçük alanlarda ve küçük MU de- ğerlerinde sapma gösterebileceği pek çok araştırmada ortaya konulmuştur.[5]-[10] Aspradakis ve arkadaşları cihazın MU başına doz değerinin küçük alan boyutlarında stabilitesini inceledikleri çalışmalarında demet düzgünlüğü ve simetrisi ile bu değerin değişeceğini, 10 MU'den büyük alanlarda bu sapma %2 iken daha az MU'lerde sapmanın %5'e ulaştığını raporlamışlardır.[11] Dolayısıyla IMRT uygulamalarında doğru ve her fraksiyonda aynı dozu hastaya verebilmek lineer hızlandırıcının küçük MU değerlerinde ve küçük alan boyutlarındaki davranışına çok bağlıdır.[12],[13]

Bu çalışmada, kliniğimizde IMRT uygulanan tedavi cihazı “Siemens ONCOR Avant-Garde” lineer hızlandırıcısının 6 MV foton enerjisi için “Step & Shoot” tekniğinde önemli olan “Start-up” karakteristikleri yani küçük MU'lerdeki doz linearitesi araştırıldı. Bunun için MU başına doz değerini etkileyen demet düzgünlüğü, demet simetrisi ve segmentler arası doz linearitesi incelendi. Ayrıca CMS XiO (Versiyon 4. 33. 02) planlama sistemimizin küçük alanlardaki doz hesaplamasının doğruluğu da araştırıldı.

Introduction

Methods

Lineer Hızlandırıcı
Bu çalışmadaki ölçümler, iki foton enerjisine (6 MV ve 18 MV) ve bu enerjilerde sırasıyla 50 MU/min-300 MU/min ile 50 MU/min-500 MU/min doz oranlarında ışınlama yapabilen ONCOR Avant-Garde (Siemens Medical Systems, Concord, CA) cihazında alındı. Klinik IMRT uygulamalarımızı 6 MV foton enerjisinde ve 300 MU/min doz oranında yaptığımızdan bu çalışmadaki tüm ölçümler, 6 MV ve bu enerji için yüksek doz oranı olan 300MU/min doz oranında alındı.

Siemens Avant-Garde cihazına tedavi planlama bilgileri “LANTIS” verifikasyon sistemi ile aktarılır. Her biri farklı sayıda segmentler içeren farklı gantri açılarındaki alanlar “Simtec IMMAXX Sequencer” sıralama sistemi ile tedavi süresi en az ve cihaz gantri rotasyonuna en uygun olacak biçimde sıralanıp ışınlama gerçekleştirilir. Lineer hızlandırıcının “OptiFocus” adı verilen ÇYK sistemi “Double-Focused” özellikli 42 çift yaprak içermektedir. Eşmerkez uzaklığında maksimum alan açıklığı 40x40 cm² olan ÇYK sisteminde 40 çift yaprak 1 cm iken en dış yapraklar 0.5 cm'dir. Şekil 1 lineer hızlandırıcıya ait kolimatör yapısını göstermektedir. Yaprakların karşı eksene geçme yolu en fazla (Over travel) 10 cm iken, yapraklar birbiri arasında ilerleyemezler. Pozisyon duyarlı ÇYK kontrol sistemi ile her bir yaprağın pozisyonu en fazla 0.2 cm olacak şekilde kontrol edilir. Çalışmada alınan tüm ölçümler rutin ÇYK kalibrasyonundan sonra alınmıştır. Böylece ÇYK kaynaklı hatalar en aza indirilmeye çalışılmıştır.

Sekil 1: Gerçek fiziksel ölçülerle Siemens lineer hızlandırıcının kafa ve MLC yapısı.

Konformal tedavi sırasında “NORMAL” konumda çalışırken, IMRT ışınlaması sırasında lineer hızlandırıcı yoğunluk ayarlı (Intensity Modulationtion, IM) modunda çalışır. Bu konumda cihaz segmentlerin oluşumu sırasında yapraklar hareketli iken ışınlamaya hazır (Pause) pozisyonunda kalır. Bu durumda radyofrekans (RF) oluşturan kısım çalışırken, enjektörler durur ve radyasyon çıkışı olmaz. ÇYK yaprakları hareket edip diğer segmenti oluşturup durduklarında enjektörler elektron tabancasını tetikleyip RF kısmına tekrar elektron gönderilir ve radyasyon çıkışı olur. Bu süreç sırasında oluşan ve “Dark Current” adı verilen radyasyon miktarının eş merkezde %1'den daha az olduğu gösterilmiştir.[11]

Laub ve arkadaşları tarafından araştırılan küçük alan boyutlarında dedektör etkisi bu çalışmada araştırma dışı bırakılmış ancak yapılan ölçümler sırasında bu çalışmada önerilen ölçüm koşulları referans olarak alınmıştır.[14]

Tedavi Planlama Sistemi
Çalışmada, IMRT planını “Superposition” veya “FFT Convolution” hesaplama algoritmaları ile yapabilen CMS XiO (4.33.02) planlama sisteminin küçük alanlardaki doz hesaplamasının doğruluğu araştırıldı. Her iki algoritma da dozu küçük çekirdek parçaları (Kernel) kullanarak demet dağılımı içindeki saçılmış fotonları ve kafadan saçılmış olası elektronları dikkate alarak hesap yapar. Kliniğimizde heterojeniteye duyarlılığı daha fazla olan “Superposition” algoritması baş-boyun bölgesi IMRT planlamasında kullanılırken, “FFT Convolution” algoritması prostat gibi heterojenite farkı daha az olan tedavi bölgeleri için kullanılmaktadır.[15] Çalışmamızda her iki algoritmanın 6 MV foton enerjisi için küçük alanlarda doz hesaplamasının doğruluğu kontrol edildi. Bu amaçla toplam saçılma faktörü (Scp), kaynak yüzey uzaklığı (SSD) 100 cm'de 1x1, 2x2, 3x3, 4x4, 5x5 ve 10x10 cm² alanları için “Cross Plane” yönünde 0 (On-axis), 2, ve 4 cm ötede (Off-axis) ölçüldü. Çalışmalarda küçük alan Scp ölçümü için “Diamond” dedektör altın standart olarak gösterilmesine karşın bu çalışmada dedektör etkisi çalışma dışında bırakılacağından Scp ölçümlerinde PTW 60008 p tipi Si diod dedektör ve PTW UNIDOS elektrometre kullanıldı. Ölçülen değerler referans alan 10x10 cm² için ölçülen Scp değerine oranlanıp normalize edildi. Her bir alana ait Scp değeri ölçülmeden önce su fantomu ve diod dedektör ile alan doğrulaması için profillere bakıldı. %50 izodoz eğrisinin belirlediği alan boyutu ile doğrulama yapıldı.

Ölçüm değerlerine karşılık gelen planlamada hesaplanan Scp değerleri için, planlama sisteminde üç boyutlu su fantomu oluşturulup ilgili alan ve demet koşulları için hesaplama vokseli 0.2x0.2x0.2 cm³ olacak şekilde doz dağılımı elde edildi. Ölçümde kullanılan “On-axis” ve “Offaxis” uzaklıklarında her iki algoritma için doz değerlerine bakıldı.

Küçük MU Değerli Segmentler

1. Doz Monitor Doğruluğu
IM modunda, 6 MV enerjide ve 300 MU/min doz oranında lineer hızlandırıcının MU başına doz monitor yanıtı araştırıldı. Ölçümler katı su fantomunda 20x20 cm² kolimatör açıklığında eşmerkezde d=10 cm derinde 0.6 cm³ iyon odası ve PTW UNIDOS elektrometre kullanılarak alındı. 1-10 MU aralığı için 1 MU adımlarla, 10-100 MU için 10 MU adımlarla beşer ölçüm alınıp 100 MU için elde edilen okumaya normalize edilip, her bir MU değeri için ortalamalar hesaplandı. Her bir MU setinin sapması hesaplandı.

2. Segmentler Arası Değişim
Cihazın 6 MV enerjisinde ve 300 MU/min doz oranında segmentler arası kararlılığın saptanması için her bir segmenti 10x10 cm² boyutlu olan ve 20 segment içeren demet oluşturuldu. Segmentler sırasıyla 1, 2, 3, 4 ve 5 MU içerecek şekilde aynı ölçüm şartlarında 20 defa alındı. Okuma değerleri cihaz IM modunda ışınlama yaparken, derinlik d=5 cm SSD=100 cm olacak şekilde PTW “Farmer” tip 0.6 cm³ iyon odası ve PTW UNIDOS elektrometre kullanılarak elde edildi. Segmentler arası fark her bir MU seti için beşer okumanın ortalamasından sapma olarak hesaplandı.

3. Demet Profili Kararlılığı
Küçük MU değerlerinde lineer hızlandırıcının profil kararlılığını araştırmak için LA 48 (PTWFreiburg) lineer dedektörü kullanıldı. Ölçümler 10x10 ve 20x20 cm² alan boyutlarında, gantri ve kolimatör açıları 0° iken su fantomu içinde alındı. IM modunda 1-10 MU için elde edilen profiller aynı koşullarda ama daha büyük MU değerleri ile elde edilen profillerle karşılaştırıldı. “Linear Array” dedektör 8 mm aralıklarla dizilmiş 4x4x0.5 mm boyutlu 47 iyon odasını içerir. Her bir profil SSD=100 cm'de dmax derinliğinde elde edildi.

4. Küçük Alan Boyutlu Segmentler

Küçük boyutlu segmentlerdeki Scp hem PTW p tipi Si diod ile ölçülüp aynı koşullar için planlamadan elde edilen değerlerle karşılaştırıldı. Ölçümler alınmadan önce lineer hızlandırıcının rutin doz kontrol ölçümleri yapılıp referans koşullardaki doz ayarlaması yapıldı. Scp değeri istenilen alanın SSD=100 cm ayarlanıp, d=5 cm derinde ve eş merkezde ölçülen okumanın referans alan olan 10x10 cm² için alınan ölçüme oranı olarak hesaplandı. Planlama ile karşılaştırılmak üzere 1x1, 2x2, 3x3, 4x4, 5x5 ve 10x10 cm² alanları için eş merkezde ve ÇYK yönü olan “Cross Plane” düzleminde eş merkezden 2 ve 4 cm “Off-axis” uzaklı klarında Scp değerleri ölçüldü. Bu alanlara ait ölçümler yapılmadan önce su fantomunda PTW p tipi Si diod kullanılarak radyasyon alanı doğrulaması yapıldı. Çalışmada planlama sisteminin farklı hesaplama algoritmalarının küçük boyutlu alanlardaki hesaplama doğruluğunu kontrol etmek için ölçülen Scp değerleri planlama sistemimizdeki “FFT Convolution” ve “Superposition” hesaplama algoritmalarında elde edilen verilerle ayrı ayrı karşılaştırıldı. Aynı alanlar için Scp değerleri planlamada yaratılan 2.5 mm kesit kalınlıkla oluşturulan su fantomunda 0.2x0.2x0.2 cm³ hesaplama vokselleri kullanılarak hesaplatıldı.

Methods

Results

1. Doz Monitör Doğruluğu
Şekil 2 küçük MU değerleri için alınan tüm ölçüm sonuçlarını göreceli olarak göstermektedir. Alınan ölçümler 100 MU değerine normalize edilmiştir. Doz monitor doğruluğu Siemens lineer hızlandı rıcılarında D1_CO Soft Spot ayarına oldukça bağlıdır.[5] Çalışmada lineer hızlandırıcının kabul testlerinde ve Aspradakis ve arkadaşlarının önerdiği D1_CO değerlerinde ölçümler alınmış ve optimum D1_CO değeri ayarlanmıştır. D1_CO ayarı ile küçük MU değerleri için “Monitor End” etkisi değiştirilerek başlangış ve bitiş değerleri ayarlanabilir. D1_CO değeri aynı zamanda monitörleri ve doz oranını kontrol eden D1 soft spot değerinin “Off- set” (dengeleyici) ayarıdır. Dolayısıyla D1_CO'da yapılan bir değişim lineer hızlandırıcının doz oranını da etkiler. Çalışmada D1_CO ayarından sonra D1 soft spot değerleri de kalibrasyon koşulları sağlanacak biçimde ayarlanmıştır.

Sekil 2: 6 MV demet enerjisinde 300 MU/min doz oranında IM modunda doz monitor doğruluğu.

Siemens ONCOR cihazında 6 MV demette ve 300 MU/min doz oranında linearitesi <3 MU değerlerinde dahi ±%2 içindedir. Rutinde cihazın D1_CO değeri sürekli kontrol edilerek bu linearite sürekli sağlanmaktadır (Şekil 2).

2. Segmentler Arası Değişim
Her biri 10x10 cm²'lik alan içeren 20 segmentli alanda küçük MU 6 MV ve 300 MU/min doz oranında lineer hızlandırıcının tutarlılığı araştırıldı. Her MU değeri seti için 5 farklı ölçüm alınıp ortalama hesaplandı. Segmentler arası değişim bu ortalama değerlerden yüzde sapmalar olarak hesaplandı. Elde edilen sonuçlara göre MU değerleri başına segmentler arasındaki maksimum sapmalar 1 MU için ±%3.8, 2 MU değeri için ±%1.3, 3 MU değeri için ±%1.9, 4 MU değeri için ±%0.9 ve 5 MU için maksimum sapma ±%0.7 olarak bulunmuştur. 1 MU için bulunan sapma kabul değerleri içinde olmadığından bu durum olarak planlama sırasında dikkate alınmaktadır.

3. Demet Profili Kararlılığı
Küçük MU değerlerinde demet profili kararlılığı 6 MV enerjide 300 MU/min doz oranında farklı MU setleri için iki farklı alanlarda araştırıldı. Şekil 3a ve Şekil 3b'de sırasıyla 1 MU, 2 MU, 3 MU, 5 MU, 10 MU ve 100 MU değerlerinde 10x10 ve 20x20 cm²'lik alanlar için alınan doz profilleri gösterilmektedir. Şekillerden de anlaşıldığı gibi 1 MU için elde edilen profilin dışında diğer profillerde anlamlı farklılık yoktur. 1 MU değeri için elde edilen eğri penumbra ve omuz kısımlarda diğerlerinden ayrılmıştır.

Sekil 3: (a) 10x10 cm² alan boyutunda alınan profil ölçümleri; sırasıyla 1, 2, 3, 5, 10 ve 100 MU değerleri için elde edilen eğrilerin görünümü. (b) 20x20 cm² alan boyutunda alınan profil ölçümleri; sırasıyla 1, 2, 3, 5, 10 ve 100 MU değerleri için elde edilen eğrilerin görünümü.

4. Küçük Alan Boyutlu Segmentler
Tüm Scp ölçümleri PTW Si diod dedektör ile su fantomunda ölçüldü. 6 MV enerjide ve 300 MU/min doz oranında merkezde ve belirli “Offaxis” uzaklıklarda alınan değerler planlama sisteminin farklı algoritmaları için hesaplanan Scp değerleri ile karşılaştırıldı. Şekil 4'de elde edilen ölçümler gösterilmektedir. Küçük alanlarda CMS planlama sisteminin farklı hesaplama algoritmalarından olan “FFT Convolution” ile Si tip diod dedektör ile ölçülen Scp değerleri 1x1 cm² için %10, 2x2 cm² için %9.1 farklı iken; 3x3 cm² ve daha büyük alanlar %2'den küçük oranla uyumludur. Ölçülen Scp değerleri ile yine planlanlama sisteminde Superposition algaritması ile hesaplanan Scp değerleri 1x1 cm² için %15.1, 2x2 cm² için %11.1 farklı iken; 3x3 cm² ve daha büyük alanlar %2'den küçük oranda uyumludur. Şekil 4'teki grafikten de anlaşılacağı üzere merkezden uzaklaştıkça 2 cm ve 4 cm “Off-axis” uzaklıklarında bu fark giderek açılmaktadır.

Sekil 4: Farklı alanları ölçülen ve planlama sisteminde FFT Convolution-Superposition algoritmaları için hesaplanan Scp değerleri.

Results

Discussion

Bu çalışmada Siemens ONCOR lineer hızlandırıcının 6 MV enerjide ve 300 MU/min doz oranında IM modundaki performansı ve planlama sistemi ile uyumu araştırlımıştır. Sonuçlar Siemens ONCOR cihazının IM modunda küçük MU değerlerinde ve küçük segment boyutlarında performansının oldukça iyi olduğunu ortaya koymuştur. Demet profili kararlılığı 1 MU değerinde dahi istenen sınır değerleri içindedir. Uygun “Soft Spot” ayarları ile doz monitor doğruluğu 2 MU değerine kadar %2 içindedir. IM modunda cihazın segmentler arası tutarlılığı yine 3 MU değerine kadar %2 içindedir. Bu çalışmada ÇYK yaprak pozisyon hatasından kaynaklanacak sapmalar araştırma dışına bırakılsa da, ÇYK sistemlerinden kaynaklı doz değişim ve alan boyutu değişimleri IMRT uygulamalarında göz ardı edilemez.

Planlama sisteminin farklı algoritmaları ile alınan ölçümler karşılaştırıldığında algoritmaların penumra ve saçılma hesaplama sistemleri farklı olduğundan “FFT Convolution” ve “Superposition” için değerler farklı çıkmıştır. Bu fark modelleme sırasında kolimatör kafasından saçılmanın uygun yapılıp yapılmadığına, kaynak boyutunun saptanmasına ve profillerin penumra kısmının uyumuna bağlıdır. Ayrıca her iki algoritma yaprak sızıntısını ve saçılmasını planlamada ayarlanan uzaklığa göre hesaba kattığından dolayı “Offaxis” uzaklıklarındaki ölçülen ile hesaplanan arasında %3'ten büyük sapmalar bulunmuştur. Sonuçlar demet modelleme sırasında algoritmaların küçük alanlardaki performansını artırmak için daha çok çalışılması gerekliliğini ortaya koymuştur. Demet modelleme sırasında ±%3 uyumu oluşturulmaya çalışılsa da her durum için bu kriter elde edilememişir. Klinik uygulamalarda bilinen bu farklılıklar dikkate alınmaktadır. Dolayısıyla segment boyutu sınırlı tutulup küçük MU değerli segmentler tedavi aşamasında silinmektedir.

IMRT uygulamalarında hasta planın doğrulamasına geçmeden önce bu ölçümler ve değerlendirilmeler yapıldığı taktirde cihazdan ve planlama sisteminden kaynaklanacak hatalar en aza indirilmiş olur. Bunların yanında IMRT uygulamalarında kullanılan “Network” sistemi ve cihazın rutin kalite kontrol ölçümlerinden kaynaklı hatalar oluşmaktadır.

Discussion