Beam data acquisition with the IC Profiler: a feasibility study

• Main Author: Leduc, Vincent
• Other Authors: Jan Peter Frans Seuntjens (Internal/Cosupervisor2)
• Format: Others
• Language: en
• Published: McGill University 2012
• Subjects: Physics - Radiation
• Online Access: http://digitool.Library.McGill.CA:80/R/?func=dbin-jump-full&object_id=110478

This thesis reports on the feasibility of performing beam data acquisition on a medical linear accelerator (linac) using an ionization chamber array, the IC PROFILER(TM) (ICP; Sun Nuclear Corp., Melbourne, FL, USA). This quality assurance tool has been suggested as a possible alternative to scanning water tank (SWT) systems for the task of beam data acquisition leading to data importation into a treatment planning system (TPS) and the subsequent beam modeling. With a detector array, the potential is present to greatly reduce the important measurement time required when performing acquisition with a SWT system. A beam acquisition method allowing all data necessary for importation into Pinnacle³ (Philips Medical System, Fitchburg, WI, USA) TPS to be acquired in a short time span was developed. This method was used with a specific experimental setup to acquire all necessary beam data for the 6 MV and 18 MV beams of an Elekta Synergy(R) (Elekta AB, Stockholm, Sweden) linac. The resulting beam data set was compared to the data set acquired with a SWT system at the time of the original commissioning of this machine. The comparisons were performed with the use of the gamma index and by straight percentage difference, over percent depth dose (PDD) curves and beam profile (off-axis ratios, OAR) curves. The ICP-acquired data were then imported into the Pinnacle³ TPS. The resulting beam models (one for each energy and open or wedged beam), termed ICP beam models, were compared directly to clinically-used beam models for the machine (called here SWT models). Again, the comparisons were made using the gamma index and percentage difference for PDDs and OARs. Each beam model was compared to a corresponding model validation data set of measurements. The validation results from the ICP beam models were compared to the validation results of their corresponding clinical beam model. It was ensured that the ICP beam models agreed better with the ICP measurements by comparing the results of ICP model-to-ICP data and SWT model-to-ICP-data comparisons. TPS-calculated 3D dose distributions for some validation fields and clinically-used treatment plans were compared using per-voxel dose difference and the gamma index. The results of the comparisons of ICP data to SWT data show that, on average over all field sizes, for a 2 %, 2 mm tolerance for the gamma index, the 6 MV acquisition data set has a passing rate of 97.7 % for OARs and 96.3 % for PDDs, while passing rates are respectively 99.0 % and 95.7 % for the 18 MV data set. The ICP-measured relative dose factors (RDF) show an underestimation for the smallest field sizes and an overestimation for the largest field sizes, the effect being more prominent for the 6 MV beam than the 18 MV beam. 3D dose distribution comparisons show that there are significant differences present between the two beam models mainly in the buildup region of the PDDs and the beam penumbrae. These differences in the beam models sometimes lead to differences that could affect clinical decisions as to whether or not a treatment plan is suitable for use. Overall, with the developed method, it may be said that the IC PROFILER(TM) is not suitable for performing beam acquisition for the purpose of TPS data importation. However, the method presented in this work allows a great speed in making measurements to be achieved (~3 measurements per minute). In combination with the ICP, this method could be a way of performing beam matching, where one seeks to confirm if a machine's beam matches that of another, or simply as a fast way to obtain quality assurance baseline measurements. Other than the development of a rapid beam data acquisition method, this work allowed the determination of some limitations of the ICP in the context of beam commissioning. === Cette thèse traite de la faisabilité d'effectuer l'acquisition des données de faisceau d'un accélérateur linéaire médical (linac) à l'aide d'une matrice de chambres d'ionisation, l'IC Profiler(TM) (ICP ; Sun Nuclear Corp., Melbourne, FL, É.-U.). Cet outil de contrôle de la qualité a été proposé comme alternative possible aux systèmes à balayage dans l'eau (SWT) pour l'acquisition des données qui seront importées dans le système de planification de traitement (TPS) pour créer les modèles de faisceau. Le temps d'acquisition des données avec une matrice de détecteurs est potentiellement très réduit en comparaison du temps nécessaire avec un SWT. Une méthode a été développée pour acquérir en un minimum de temps toutes les données de faisceau requises pour l'importation dans Pinnacle³ (Philips Medical System, Fitchburg, WI, É.-U.). Cette méthode a été utilisée avec un protocole expérimental spécifique afin d'acquérir les données nécessaires des faisceaux de 6 MV et 18 MV d'un linac Synergy(R) d'Elekta (Elekta AB, Stockholm, Suède). Les données de faisceau obtenues ont été comparées aux données acquises avec un SWT au moment de la mise en service initiale de l'accélérateur. Les comparaisons ont été effectuées à l'aide de l'index gamma et par différence relative des courbes de rendement en profondeur (PDD) et des courbes de rapports hors axe (OAR). Les données acquises avec l'ICP ont ensuite été importées dans le TPS Pinnacle³. Les modèles de faisceau obtenus, dits modèles ICP, ont ensuite été comparés directement aux modèles SWT utilisés en clinique. Encore une fois, les comparaisons ont été effectuées avec l'index gamma et la différence relative des courbes de PDD et d'OAR. Chaque modèle ICP a aussi été validé à l'aide de données de validation mesurées indépendamment. Les résultats de validation de chaque modèle ICP ont étés comparés aux résultats de validation du modèle clinique correspondant. Les données ICP ont été comparées aux modèles SWT et aux modèles ICP et il a été vérifié que les modèles ICP s'accordent mieux avec les données ICP. Des distributions de dose en 3D, calculées avec le TPS pour quelques champs de validation et pour des plans de traitement cliniques, ont été comparées par soustraction voxel par voxel et avec l'index gamma. Les résultats des comparaisons des données ICP et des données SWT montrent qu'en moyenne, sur tous les champs, avec une tolérance de 2 %, 2 mm sur l'index gamma, les données d'acquisition du faisceau de 6 MV ont un taux de passage de 97,7 % pour les OAR et de 96,3 % pour les PDD, tandis que les taux de passage sont respectivement de 99,0 % et 95,7 % pour les données du 18 MV. Les facteurs de dose relative (RDF) mesurés avec l'ICP sont sous-estimés pour les petits champs et surestimés pour les grands champs, le phénomène étant plus prononcé pour le 6 MV que pour le 18 MV. Les comparaisons des distributions de dose en 3D montrent qu'il y a des différences significatives entre les deux modèles ICP et SWT, notamment dans la zone de recouvrement électronique (build-up) des PDD et dans la pénombre des champs. Ces différences entre modèles mènent quelques fois à des différences entre plans de traitement qui pourraient affecter la décision prise concernant la validité du plan. Avec la méthode développée ici, on peut conclure que l'IC Profiler(TM) n'est pas un outil approprié pour l'acquisition des données de faisceau qui seront importées dans un TPS. Cependant, la méthode présentée dans cette thèse permet de prendre des données très rapidement (environ 3 mesures/minute). Utilisée avec l'ICP, cette méthode pourrait permettre de vérifier que les faisceaux de deux machines concordent, ou bien d'acquérir rapidement les données de référence pour l'assurance de la qualité. Outre le développement d'une méthode rapide d'acquisition de données, ce travail a aussi permis de caractériser certaines limites de l'ICP si on l'utilise pour la mise en service d'un linac.