Minibeam Radiation Therapy Treatment (MBRT): Commissioning and First Clinical Implementation.

BACKGROUND Minibeam radiation therapy (MBRT) is characterized by the delivery of submillimeter wide regions of high "peak" and low "valley" doses throughout a tumor. Preclinical studies have long shown the promise of this technique, and we report here the first clinical implementation of MBRT. METHODS A clinical orthovoltage unit was commissioned for MBRT patient treatments using 3, 4, 5, 8, and 10 cm diameter cones. The 180 kVp output was spatially separated into minibeams using a tungsten collimator with 0.5 mm wide slits spaced 1.1 mm on center. Percentage depth dose (PDD) measurements were obtained using film dosimetry and plastic water for both peak and valley doses. PDDs were measured on central axis for offsets of 0, 0.5, and 1 cm. The peak-to-valley ratio (PVR) was calculated at each depth for all cones and offsets. To mitigate the effects of patient motion on delivered dose, patient-specific 3D printed collimator holders were created. These conformed to the unique anatomy of each patient and affixed the tungsten collimator directly to the body. Two patients were treated with MBRT, both received 2 fractions. RESULTS Peak PDDs decreased gradually with depth. Valley PDDs initially increased slightly with depth, then decreased gradually beyond 2 cm. PVRs were highest at the surface for smaller cone sizes and offsets. In vivo film dosimetry confirmed a distinct delineation of peak and valley doses on both patients treated with MBRT with no dose blurring. Both patients experienced prompt improvement in symptoms and tumor response. CONCLUSIONS We report commissioning results, treatment processes, and the first two patients treated with MBRT using a clinical orthovoltage unit. While demonstrating feasibility of this approach is a crucial first step toward wider translation, clinical trials are needed to further establish safety and efficacy

Radiochromic film dosimetry system for clinical CTDl measurements

The scope of this project was to measure dose profiles using Gafchromic® XR-QA2 films when clinical protocols were used to scan a PMMA phantom with CT scanners and kV Cone Beam Computed Tomography (CBCT) systems integrated into linear accelerators. Estimated volume CT dose index CTDIvol values based on measured dose profiles were compared to tabulated data in order to assess the reproducibility and accuracy of this method in clinical use. The feasibility study of the radiochromic film-based dosimetry system included an evaluation of the film response as a function of the effective photon energy over the energy range used in radiology and estimation of the precision of the CTDI measurements during helical (on CT scanner) and cone beam CT acquisitions (on linear accelerator).Energy dependence of the Gafchromic® XR-QA2 film was tested over the imaging energy range covered by multiple commercially available CT scanners and on-board imaging (OBI) devices on linear accelerators. A General Electric LightSpeed® LS 16 radiotherapy simulator was used for this purpose. The effective energy of multiple beams was estimated via HVL measurements, and the device output was obtained following the AAPM TG-61 protocol. Strips of film were irradiated in air to known air kerma values ([Kair]air) with the x-ray tube of the CT scanner in static mode. The reflectance change of the film prior and after irradiation was assessed using an in-house Matlab code with the TIFF images of the films scanned by an Epson® Expression 10000XL flatbed document scanner. Calibration curves for each beam quality were created to model the response of the film in the [Kair]air range up to100 mGy. Pixel values were read out after applying a low filter kernel to the extracted red channel from the images. Responses of the film for the same dose values were then compared.Film strips were sandwiched between PMMA rods cut in half and placed into both the peripheral and central holes of a CTDI phantom. Three sets of films were irradiated under the same scanning parameters, and the procedure was repeated for several clinical scanning protocols on each imaging device. The change in the reflectance of the film was converted into [K_air ]_air using calibration curves and subsequently converted into dose to water (D_w) using mass energy absorption coefficients. Finally, D_w profiles were averaged to calculate CTDIvol values. Averaged CTDIvol values from three measurements (CTDIvol|XR-QA2) were compared to the corresponding tabulated CTDIvol values provided by the manufacturer (CTDIvol|tabulated). Dispersion of the data was used to assess reproducibility of the dosimetric system. Measured to tabulated CTDI values ratio was used to assess accuracy.The relative variation of the film response was determined to be inversely proportional to the absorbed dose. The maximum absolute variation was observed at 30 mGy over the studied effective energy range. The observed variation diminishes up to 50 % as dose decreases to 5 mGy, and up to 75 % as dose increases to 100 mGy. The reproducibility of CTDIvol|XR-QA2 values was similar for CT simulators and CBCT devices. A linear correlation between ├ CTDIvol|XR-QA2 and CTDIvol|tabulated values was found for CT simulators and CBCT devices with acceptable correlation factors. CTDIvol|XR-QA2 values were on constantly lower than CTDIvol|tabulated values for CT simulators and higher for CBCT devices.Film dosimetry using Gafchromic® XR-QA2 film proved to be reproducible regardless of the analyzed imaging protocol, but its clinical use may result in relatively high systematic error in dose measurements if a single calibration curve is used. We found relatively large discrepancy between measured and tabulated CTDIvol values for various protocols and imaging systems. Our findings strongly support the trend towards replacing the CTDI value with measurement of equilibrium dose in the center of a cylindrical phantom as suggested by TG-111.Le sujet de cette thèse était de mesurer les profils de dosage des films Gafchromic® XR-QA2® lorsqu'un fantôme PMMA était scanné avec des tomodensitogrammes (scanners CT) et des systèmes CBCT (Cone Beam Computed Tomography) reliés à des accélérateurs linéaires, et ce suivant les protocoles cliniques. Les valeurs estimées de tomodensitométrie d'index de dosage CTDIvol, lesquelles sont basées sur les profils de dosage mesurés, ont été comparées aux données indexées de façon à déterminer la reproductibilité et l'exactitude d'une telle méthode à des fins d'usage clinique. L'étude de la faisabilité du système de dosimétrie radiochromic à base de films inclus une évaluation de la réponse du film comme fonction de l'énergie effective du photon par rapport à la portée de l'énergie utilisée en radiologie, de même que l'estimation de la précision des mesures CTDI lors de l'hélicoïdale (sur le CT scan) et lors de l'acquisition CT de rayon coniques (sur l'accélérateur linéaire).La dépendance énergétique du film Gafchromic® XR-QA2 a été testée sur la portée énergétique d'imagerie couverte par de multiples scanners CT commerciaux de même que par des appareils intégrés d'imagerie sur des accélérateurs linéaires; un simulateur de radiothérapie General Electric LightSpeed LS 16 a été utilisé à cette fin. L'énergie effective de nombreux rayons a été mesurée à travers des mesures HVL et l'output du dispositif a été obtenu en suivant le protocole AAPM TG-61. Des parties de films ont été irradiées à l'air afin de déterminer les valeurs de [Kair]air, et ce à l'aide du tube à rayon x du scanner CT en mode statique. Le changement de réflectivité des films avant et après l'irradiation a été établi en utilisant un code MatLab interne et scannant les images TIFF des films à l'aide d'un scanner de documents à plat Epson Expression 10000XL. Les courbes de calibration pour la qualité de chaque rayon ont été créées afin de répliquer la réponse du film dans un rayon d'air-kerma allant jusqu'à 100 mGy. Les valeurs de pixel ont été lues après l'application d'un filtre bas afin d'extraire le canal rouge des images. Les réponses du film pour des valeurs identiques de dosage ont ensuite été comparées.Des films fixes ont été placés entre des tiges PMMA coupées en deux et placées dans les torus périphériques et centraux d'un fantôme CTDI en même temps. Trois ensembles de films ont été irradiés avec les mêmes paramètres de scanning, et la procédure a été répétée pour plusieurs protocoles cliniques de scanning sur chaque appareil d'imagerie (tête axiale, tête multiaxiale, thorax hélicoïdal, pelvis hélicoïdal). Le changement de réflectivité du film a ensuite été converti en [Kair]air en utilisant les courbes de calibration et subséquemment converti en dosage dans l'eau en utilisant des coefficients d'absorption de l'énergie de la matière. Finalement, les moyennes des profils de dosage dans l'eau ont été établies en utilisant une longueur d'intégration de 100mm, et ont ensuite servi à calculer le CTDIvol.Les valeurs moyennes de CTDIvol des trois mesures (pour un protocole donné) ont été comparées aux valeurs indexées de CTDI fournies par le fabricant; la dispersion des données a été utilisée afin de déterminer la reproductibilité du système dosimétrique. Les mesures de ratio des CTDI indexés ont été utilisées afin de déterminer l'exactitude des données.La dosimétrie de film basée sur XR-QA2 a prouvée être reproductible. Toutefois, sont utilisation clinique peu avoir comme résultat une haute erreur systématique dans la mesure de dosage si seulement une courbe de calibration est utilisée. Une importante divergence a été observée entre les résultats des CTDIvol mesurés et indexés pour les différents protocoles et systèmes d'imagerie utilisés dans le département de radiothérapie. Ces résultats viennent fortement supporter la tendance de replacer les valeurs de CTDI par des mesures de dosage équilibrées dans le centre d'un fantôme cylindrique, tel que suggéré par TG-111