Development and realization of the IGRT inline concept [Elektronische Ressource] / presented by Thomas Tücking

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• Gesundheit

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• Publié par: ruprecht-karls-universitat_heidelberg
• Publié le: 01 janvier 2007
• Nombre de lectures: 28
• Langue: Deutsch
• Poids de l'ouvrage: 11 Mo

Extrait

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by
Diplom-Physiker: Thomas Tucking˜
born in: Weinheim
Oral examination: 24.01.2007Development and Realization
of the IGRT Inline Concept
Referees: Prof. Dr. Uwe Oelfke
Prof. Dr. Josef BilleEntwicklung und Realisierung des IGRT Inline Konzepts
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wird ein neues Konzept zur Anbindung eines bildgebenden Sys-
tems an einen medizinischen Linearbeschleuniger fur˜ die Strahlentherapie vorgestellt und dessen
Realisierung beschrieben. Dafur wurden eine Rontgenrohre und ein Flachendetektor an˜ ˜ ˜ ˜
gegenub˜ erliegenden Seiten eines Linearbeschleuniger installiert, so dass der Detektor nicht nur zu
R˜ontgenaufnahmen eines auf dem Behandlungstisch liegenden Patienten dient, sondern auch die
Primar uenz des Therapiestrahls gemessen werden kann. Mittels verschiedener im Verlauf dieser˜
ArbeitentwickelterHardwarekomponentenkonntedasbildgebendeSystemmitdemTherapiegerat˜
synchronisiert werden. Dies ermoglichte neben uoroskopischen R ontgensequenzen wahrend der˜ ˜ ˜
Behandlung und der Aufnahme von Kegelstrahl-CTs, u.a. die Einbeziehung atmungskorrelierter
Signale externer Systeme zur atemgesteuerten Bildgebung und Therapie. Zudem werden diverse
Anwendungen, Messungen und Untersuchungen, die mit Hilfe des neuen Systems durchgefuhrt˜
wurden, diskutiert. Hierbei handelt es sich u.a. um Fragestellungen bezuglich des Ein usses ver-˜
schiedenerAufnahmeparameteraufdieBildqualitat˜ undumdieVerwertbarkeitgewonnenerBilder
fur˜ Konzepte der Adaptiven Strahlentherapie. Des Weiteren werden Patientenstudien beschrieben
und analysiert, die mit dem vorgestellten System durchgefuhrt˜ wurden, um bildgebende Verfahren
in den klinischen Therapieablauf zu integrieren und so eine prazisere˜ Bestrahlung zu erm˜oglichen.
Abschlie…end wird ein erster an das erlauterte Konzept angelehnter Prototyp eines kommerziellen˜
Linearbeschleunigers vorgestellt.
Development and realization of the IGRT Inline concept
Abstract
A new concept for the integration of an imaging system into a medical linear accelerator for
radiotherapy is presented, and its technical realization is described. An x-ray tube and a at panel
detectorwereinstalledalongthetreatmentbeamaxis,suchthatthedetectorcouldnotonlybeused
forx-rayimagingofpatientslyingonthetreatmentcouch,butalsotomeasuretheprimary uence
of the therapy beam. The imaging system was synchronized with the linear accelerator by means
of several hardware and software components that were developed as a part of this work in order
toallow,forinstance,theacquisitionof uoroscopicimagesequencesduringbeamdeliveryandthe
acquisition of volumetric cone beam CT information. Furthermore, external patient monitoring
systems were integrated for respiration triggered imaging.
Severalapplicationsandinvestigationsaboutimagequality,abouttheapplicationoftheimagesfor
the concepts of Adaptive Radiotherapy, and about the improvement of image quality were carried
out using the new system. Furthermore, flrst feasibility studies with patients were performed, that
combine imaging and therapy at the linac, in order to provide a higher precision for the beam
delivery. Finally, the flrst commercial prototype, following the described concept, is presented.Contents
Abbreviations, acronyms and deflnitions III
1 Introduction 1
2 Basics 5
2.1 Coordinate systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.1 Linac coordinate systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
2.1.2 Patient co system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
2.1.3 Detector coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
2.1.4 CBCT projection coordinate system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2 Interaction of x-rays and matter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.1 Photoionization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
2.2.2 Compton scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
2.2.3 Pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.2.4 Absorption coe–cients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.3 Aspects of image quality in projection radiography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
2.4 X-Ray generation and x-ray spectra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
2.5 Computer Tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
3 Linac integrated kV-imaging 17
3.1 Imaging properties of kV- and MV-beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
3.2 The Inline Concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
4 The x-ray wagon 23
4.1 Components . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.1 X-ray tube and x-ray generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.1.2 Flat Panel Imager . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
4.1.3 Drive mechanism . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
4.1.4 X-ray console . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29
4.1.5 Detector readout trigger board . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.2 Image acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
4.3 Geometrical calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
4.4 CBCT Reconstruction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33
4.5 First tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5.1 Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
4.5.2 Modular transfer function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
4.5.3 Dose measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.5.4 Cone beam CTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
III CONTENTS
5 Integration of the kV-imaging system at the linear accelerator 41
5.1 Hardware setup . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5.2 KV-imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
5.3 MV-beam monitoring . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44
5.4 Special features I - kV-imaging during therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
5.5 Special II - 4D imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
5.6 Limitations & Upgrades . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
5.6.1 Inclinometer as substitute for CBCT PROMs . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52
5.6.2 FPI upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53
5.6.3 KV source upgrade . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
5.6.4 Antiscatter grid . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.7 System calibration measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.7.1 Imaging dose calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
5.7.2 Reliability of geometrical calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
5.7.3 MV beam attenuation of the FPI . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
6 Investigations & Applications 61
6.1 Inv on CBCT image quality . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
6.1.1 Impact of additional flltration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
6.1.2 of imaging dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
6.1.3 Impact of projection compression . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
6.1.4 of angular spacing for 4D-CBCTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
6.2 Clinical applications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2.1 Patients and methods of clinical run #4 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
6.2.2 Results of the clinical run . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
6.3 Dose calculations on CBCTs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3.1 Motivation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
6.3.2 Small phantoms and head and neck patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
6.3.3 Larger phantoms and extra-cranial cases . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
6.3.4 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
6.4 Application of a simple, direct method of scatter correction . . . . . . . . . . . . . . 88
6.4.1 Scatter uence estimation of single projections . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6.4.2 Application on CBCT data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.4.3 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 96
7 Summary & Outlook 97
7.1 The Art¶‡ste . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .