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

Dissertationsubmitted to theCombined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematicsof the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germanyfor the degree ofDoctor of Natural Sciencespresented byDiplom-Physiker: Thomas Tucking˜born in: WeinheimOral examination: 24.01.2007Development and Realizationof the IGRT Inline ConceptReferees: Prof. Dr. Uwe OelfkeProf. Dr. Josef BilleEntwicklung und Realisierung des IGRT Inline KonzeptsZusammenfassungIn der vorliegenden Arbeit wird ein neues Konzept zur Anbindung eines bildgebenden Sys-tems an einen medizinischen Linearbeschleuniger fur˜ die Strahlentherapie vorgestellt und dessenRealisierung beschrieben. Dafur wurden eine Rontgenrohre und ein Flachendetektor an˜ ˜ ˜ ˜gegenub˜ erliegenden Seiten eines Linearbeschleuniger installiert, so dass der Detektor nicht nur zuR˜ontgenaufnahmen eines auf dem Behandlungstisch liegenden Patienten dient, sondern auch diePrimar 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 atmungskorrelierterSignale externer Systeme zur atemgesteuerten Bildgebung und Therapie.
Publié le : lundi 1 janvier 2007
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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 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
7.2 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
List of Figures 101
List of Tables 102
Bibliography 105Abbreviations, acronyms and
deflnitions
ADC analog-to-digital converter
AP anterior-posterior
ART Adaptive Radiotherapy
a.u. arbitrary units
BB beam blocker
BEV beam’s eye view
BNC Bayonet Neill-Concelman (the inventors of the BNC connector)
CAN Controller Area Network
CBCT cone beam CT
CC caudal-cranial
CNR contrast to noise ratio
CPC counts-per-measured-charge quotient
CT Computer Tomography
CW clockwise
CCW counterclockwise
DCM digital cine mode
DRR reconstructed radiograph
DVH dose volume histogram
¡e electron
+e positron
EIA Electronic Industries Alliance
more common for EIA-232: RS-232.
ESF edge spread function
FBCT fan beam CT
FFT fast fourier transform
FDK-Algorithm Feldkamp, Davis & Kress - CBCT reconstruction algorithm
FOV fleld of view
FPI at panel imager
HF high frequency
HIS Heimann Imaging Software
HU Hounsfleld unit
HV high voltage
HW hardware
IEC International Electrotechnical Commission
IGRT Image Guided Radiotherapy
IMRT intensity modulated radiotherapy
I/O input/output
¡16keV kilo electron volts (1keV…1:6¢10 J)
KICK KV Imaging Control Kit
kV kilovolt(age)IV Abbreviations
kV source x-ray tube, generator and collimator as a system
LED light emitting diode
linac linear accelerator
LR left-right
LSF line spread function
2MB megabyte (1MB = 1024 Byte)
¡13MeV mega electron volts (1MeV…1:6¢10 J)
MLC mulitleaf collimator
MRT Magnetic Resonance Tomography
MTF modular transfer function
MU monitor unit
MV megavolt(age)
OAR organ at risk
OCS Oncology Care Systems (department of Siemens Medical Solutions)
OTF optical transfer function
PC personal computer
PCI Peripheral Component Interconnect
PET Positron Resonance Tomography
PROM programmable read only memory
QA quality assurance
RO radiation on
RS Radio sector or Recommended standard
RT radiotherapy
RGS respiratory gating system
RTT radiation therapy technician
SDD source to detector distance
SID to isocenter distance
SNR signal to noise ratio
SPR scatter to primary ratio
SSD source to surface distance
SW software
SWR Start Wechselrichter (start inverter)
TFT thin fllm transistor
TPS treatment planning system
TTL transistor-transistor-logic
USB universal serial bus
VOI volume of interest
x-ray toolbox Internet accessible tool for the simulation of x-ray spectra
http://www.healthcare.siemens.com/med/rv/spektrum/default.asp (11/2006)

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