estudio de viabilidad de un sistema de detección para ... · tratamientos de radioterapia con...

CPAN Workshop Transferencia de TecnologCPAN Workshop Transferencia de Tecnologíía. Sevilla, 06/2013 Ja. Sevilla, 06/2013 Jososéé

M. Espino 1M. Espino 1

Estudio de viabilidad de un sistema de detección para verificación de tratamientos

complejos de radioterapia. Resultados de la colaboración Radia y desarrollos en curso.

J. M. Espino, M. I. Gallardo, M. A. G. Alvarez, R. Arráns, A.Bocci,

M. A. Cortés‐Giraldo, Z. Abou‐Haïdar, A. Pérez Vega‐Leal,M. C. Ovejero, J. M. Quesada, F. J. Pérez Nieto,

R. Núñez Martín y M. C. Battaglia.

Empresas colaboradoras:

Instalaciones Inabensa,

S.A.

Contratos de colaboración Fundación de Investigación de la Univ. Sevilla ‐

Instalaciones Inabensa, S.A. (grupo Abengoa):

2007: proyecto Radia, “Estudio de viabilidad del diseño y desarrollo de un sistema de detección para la verificación de los

tratamientos de radioterapia con intensidad modulada (IMRT)”.

2008 ‐

2011: Radia2, “Diseño y desarrollo de un sistema de detección para la verificación de los tratamientos de IMRT”.

Finales de 2009: incorporación de refuerzos del grupo de física nuclear básica del CNA. (Proyectos FPA2009‐08848,

P07‐FQM‐02894 y DITANET).

2011 ‐

2012: publicaciones y patente.

2012 ‐

... : nuevo sistema (mejoras en detector, maniquí

y electrónica).

CPAN Workshop Transferencia de TecnologCPAN Workshop Transferencia de Tecnologíía. Sevilla, 06/2013a. Sevilla, 06/2013

JosJoséé


Colaboración Radia:

La IMRT utiliza varios haces de radiación, asociados a diferentes ángulos de incidencia, cada uno de ellos con fluencia variable.


JosJoséé


Radioterapia con intensidad modulada (IMRT)

Motivación

Motivación:

El cáncer

es

la

segunda

causa

de

enfermedad

más

frecuente

en los países desarrollados.

Actualmente,

aunque

la

cirugía

es

la

forma

más

efectiva

para eliminar

el

tejido

maligno,

combinada

con

radioterapia mejora

el índice de curaciones en un 40 %.

En

tratamientos

complejos,

como

es

el

caso

de

la

IMRT,

es necesario

realizar

una

verificación

previa,

incluyendo

medidas

dosimétricas

en maniquíes.


JosJoséé


Objetivos

Objetivos:

Diseño,

construcción

y

pruebas

de

un

sistema, basado

en detectores

de tiras

de silicio, dedicado

a medidas

de dosis

2D

en

el

plano

axial

de

un

maniquí, para

verificación

de tratamientos

complejos

de radioterapia

con fotones.


JosJoséé


Plano coronal

Plano axial

Plano sagital

• Comercial, coste

relativamente

bajo,

W1(SS)‐500 Micron Semiconductor Ltd•16 tiras, por

una

de sus

caras

(3.1 mm anchura

de tira)

• Área

activa

area 50 x 50 mm²

& 500 µm espesor


JosJoséé


Detector de tiras de silicio, SSSSD (Radia2)

2 maniq. de polietileno, diseñados

y construidos

dentro

del proyecto:

1. Maniquí

Plano: 2. Maniquí

Cilíndrico:

Paracaracterización

del

detector

(área activa del detector perpendiculara la dirección

de los

haces

de radiación)

Paramedidas de respuesta angular & verificación de tratamientos en 2D

en

planoplano

axialaxial


JosJoséé


Maniquíes (Radia2)

SetSet‐‐up 2:up 2:Área

activa

del detector paralela

a la dirección

de los

haces

de radiación(planoplano

axialaxial)

Como principal innovación, el detector

se aloja

en el maniquí

cilíndrico

en el

planoplano

axial, axial, paralelo

a la dirección de

los haces de radiación.En planificación de tratamientos de

radioterapia este plano se usa, por

ejemplo, en imágenes de TAC de los

pacientes


JosJoséé


Detector en el pano axial (Radia2)

Charge integrators for each strip (electrometers) digitized (12 bits) and analyzed by a Digital signal processor (DSP)

discrete electronics

developed

in‐house

A PC allows to control and to retrieve data via an RS‐232 serial

bus based on a LabVIEW

software


JosJoséé


Electrónica (Radia2)

School of Engineering, University of SevilleSchool of Engineering, University of Seville School of Engineering, University of SevilleSchool of Engineering, University of Seville

Virgen MacarenaUniversity

Hospital,Seville

Siemens

PRIMUS

linac, en

modo

de

fotones

de

6 MV

Hospital Universitario

Virgen

Macarena

(Sevilla, España)


JosJoséé


Acelerador lineal

Se uso un sistema de planificación de tratamientos, TPS (Philips Pinnacle), para calcular

distribuciónes de dosis y comparar con datos experimentales.

Set‐up 1:

LinealidadLinealidad

•

Uniformidad

•

Calibración

•

Percent Depth Dose

(PDD)

•

Penumbra

•

Factores de área

Set‐up 2:

•

TPS y simulaciones

Geant4

•

Medidas en función del

ángulo

•

Calibración final


JosJoséé


Caracterizacióndel detector

Respuesta angular

Medidas (Radia2)

Linearity with dose better than 0.1 %for all channels

Set-up 1:SSSSD perpendicular to the beam direction


JosJoséé


Linealidad

Set‐up 1:

•

Linealidad

•

Uniformidad

•

Calibración

•

Percent Depth Dose

(PDD)

PenumbraPenumbra

•

Factores de área

Set‐up 2:

•

TPS y simulaciones

Geant4

•


ángulo

•

Calibración final


JosJoséé



Respuesta angular

Medidas (Radia2)

SSSSD penumbra value larger than the one obtained when using a SSSSD penumbra value larger than the one obtained when using a single silicon detector single silicon detector This was mainly due to the SSSSD This was mainly due to the SSSSD strips pitch of 3.1 mmstrips pitch of 3.1 mm

Geant4 simulations gave compatible resultsGeant4 simulations gave compatible resultsImprovements with a future prototype (next project)Improvements with a future prototype (next project)



JosJoséé


Penumbra

SSSSD:

6.17 ± 0.56 mm

‐

single silicon

diode:

3.92 ± 0.20 mm

Region between 20 % and 80 % of the maximum dose levels at 1.5 cm water depth

Set‐up 1:

•

Linealidad

•

Uniformidad

•

Calibración

•

Percent Depth Dose

(PDD)

•

Penumbra

•

Factores de área

Set‐up 2:

•

Geant4 simulations and

TPS calculations

•


ángulo

Calibración final


JosJoséé



Respuesta angular

Medidas (Radia2)

Calibration factors: Experimental/TPSCalibration factors: Experimental/TPS

Calibration factors independent of Calibration factors independent of angular irradiation and of strip numberangular irradiation and of strip number


JosJoséé


Set‐up 2:SSSSD parallel

to the beam direction

Constant calibration factorsConstant calibration factors

gantrydetector

Calibración final

Relative Relative didifffferenceerence

between the calibrated dose and TPS between the calibrated dose and TPS

calculations are better than 2 %calculations are better than 2 %


JosJoséé


Calibrated doseCalibrated doseSet‐up 2:

SSSSD parallelto the beam direction

gantrydetector

Calibración final

Reconstrucción del mapa de dosis:

método inspirado en algoritmos

empleados en TAC.

Simetría ángulos entre 0 y

180 grados.

Para no perder información, medidas

al menos cada ≈

10 grados.


JosJoséé


Plano del SSSSD paralelo a la dirección

del haz.

Irradiación con diferentes orientaciones

relativas haz de radiación ‐

tiras del

detector.

Datos: dosis integrada para cada tira, y

para cada orientación.

Obtención de mapas de dosis (Patente solicitada, expediente nº

P201101009 de la Oficina Española de Patentes y Marcas)

19

(Resultados preliminares, Miguel A. Cortés Giraldo)

Tres haces 3.0 ×

10.0 cm2

de igual intensidad orientados a 0º, 120º

y 240º

Datos

de muestreo:L = 50.0 mm;

Nstrip = 16;

= 10º

Pinnacle3

TPS Reconstrucción

Criterio

Γ

(3% / 3mm)El cálculo

es

bueno

si: Γ

< 1

[ Low et al. MP 25: 656-661 (1998) ]

Reconstrucción de mapa de dosis


JosJoséé


20

Datos

de muestreo:L = 80.0 mm;

Nstrip = 32;

= 5º

Pinnacle3

TPS

Criterio

Γ

(3% / 2mm)

Reconstrucción

Reconstrucción de mapa de dosis

Tres haces 3.0 ×

10.0 cm2

de igual intensidad orientados a 0º, 120º

y 240º


JosJoséé


(Resultados preliminares, Miguel A. Cortés Giraldo)


JosJoséé


Desarrollos en curso: nuevo detector

2 SSSSD con las

tiras

mirando

hacia fuera

Mayor área

activa

y tiras

más estrechas

que

el anterior detector

(SSSSD ‐

Radia2).

Materiales

con densidades

más parecidas

a la del agua.

Conectores

alejados

del área

activa.


JosJoséé


Desarrollos en curso: nuevo detector Characteristics W1(SS)‐500 detector Dual chip SSSSD BB7

Nº

Junction

elements 16 32

Element

lenght 50 mm 64 mm

Element

pitch 3.1 mm 2 mm

Element

width 3000.0 µm 2000.0 µm

Active Area 50x50mm² 64x64mm²

Thickness 500 µm 500 µm

Element active volume 49.5x3.0x0.5mm3 64x2x0.5 mm3

Metalization Aluminum 0.3 µm Aluminum 0.3 µm

Package PCB with edge

connections on one

side

PCB with edge

connections on one

side

Structure material FR4 (1.85 g/cm3) Kapton (1.4 g/cm3)


JosJoséé


Desarrollos en curso: electrónica

(Ver póster presentado por M.C. Ovejero et al.)


JosJoséé


Desarrollos en curso: maniquí

cilíndrico

Posibilidad de instalar otros detectores (cámara

de ionización, película, …).

Determinación más precisa de la posición

angular. Lectura de la posición en el monitor usado para control y

análisis.


JosJoséé


Desarrollos en curso: primeras pruebas

Muchas gracias por su atención


JosJoséé


•

Progress

in

Nucl.

Sci.

and

Tech.

2:

191‐196 (2011).

•

NIM‐A

673: 98‐106 (2012).

•

PRST‐AB

15: 042802 (2012).

•

Expediente

solicitud

patente

P201101009, OEPM.

BACKUP


Uniformity better than 0.5 %for all channels



Non‐uniformities depend by the different strip efficiency and gain of the electronics

Uniformidad

Calibration in standard conditionCalibration in standard conditionradiation radiation fifield 10 eld 10 ××

10 cm10 cm22

sourcesource‐‐toto‐‐surface distance (SSD) = 100 cm surface distance (SSD) = 100 cm 1.5 cm of water1.5 cm of water‐‐equivalent solid slabsequivalent solid slabs



Monitor Units Monitor Units ––> Voltage > Voltage ‐‐> cGy> cGy

Calibración

The difference between SSSSD and ionization chamber is:0.68 % at 10 cm and 0.73 % at 15 cm



Dose at different depth measured using different water‐equivalent solid slabs

PDD, Percent Depth Dose

(Radia2)


Treatment headGeometry Model Phantom SSSSD Detector

M. A. Cortés Giraldo, Ph. D. Thesis, 2011

The

geometry

of

the

Siemens

treatment head at 6 MV nominal

energy

photons, was reproduced

in detail

The

geometric

model

of

the

phantoms

and

of

the

SSSSD

was

also reproduced

The

absorbed

dose

in

each

strip

was calculated

Geant4

Simulations

were

also

performed

for

calculating

the

dose‐to‐water

case

for

comparisons

with TPS

calculations

M. A. Cortes‐Giraldo et al.

, "Geant4 Simulation

to

Study

the

Sensitivity

of

a

MICRON Silicon Strip Detector Irradiated

by a SIEMENS PRIMUS Linac",

Progress in Nuclear Science and Technology

2, 191‐196

(2011)

Geant4 simulations and TPS calculations

00

450

3150


gantrydetector



Two experimental measurements

Respuesta angular


Comparison between exp.

data, TPS and Geant4



Steps of 450

The agreement between the

tendency of experimental data

at different anglesand the TPS is notable

This implies that the new

calibration factors are

independent of the irradiation

angle

Constant calibration factors Constant calibration factors

Respuesta angular

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