Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik e.V. DGMP-Bericht

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik e.V.

DGMP-Bericht

DGMP-Bericht Nr. 13 1999

Praktische Dosimetrie in der HDR-Brachytherapie

ISBN 3-925218-67-X

Bis 1999 erschienene DGMP-Berichte

DGMP-Bericht Nr. 1, 1981: "Grundsätze zur Bestrahlungsplanung mit Computern," Göt- tingen

DGMP-Bericht Nr. 2, 1982: "Tabellen der radialen Fluenzverteilung in aufgestreuten Elektronenstrahlbündeln mit kreisfömigem Querschnitt," Göttingen, ohne ISBN DGMP-Bericht Nr. 3 und PTB-Bericht -MM-3, 1985: Th. Bronder, J. Jakschik und

DGMP-Arbeitskreis, "Vorschlag für die Zustandsprüfung an Röntgenaufnahmeein- richtungen im Rahmen der Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik", ISSN 0721-0906

DGMP-Bericht Nr. 4 und PTB-Bericht -MM-4, 1987: Th. Bronder, J. Jakschik und DGMP-Arbeitskreis, "Vorschlag für die Zustandsprüfung an Röntgendurchleuch- tungseinrichtungen im Rahmen der Qualitätssicherung in der Röntgendiagnostik", ISSN 0721-0906, ISBN 3-88314-633-1

DGMP-Bericht Nr. 5, 1986, "Praxis der Weichstrahldosimetrie", ISBN 3-925218-30-0 DGMP-Bericht Nr. 6, 1989, "Praktische Dosimetrie von Elektronenstrahlung und ultrahar-

ter Röntgenstrahlung", ISBN 3-925218-40-8

DGMP-Bericht Nr. 7, gemeinsam mit DRG und DGN, 1990, "Pränatale Strahlenexposition aus medizinischer Indikation. Dosisermittlung, Folgerungen für Arzt und Schwan- gere", ISBN 3-925218-41-6

DGMP-Bericht Nr. 8, gemeinsam mit DRG und DGN, 1994, "Empfehlungen zum Perso- nalbedarf in der Medizinischen Strahlenphysik", ISBN 3-925218-54-8

DGMP-Bericht Nr. 9, 1997"Anleitung zur Dosimetrie hochenergetischer Photonenstrah- lung mit Ionisationskammern", ISBN 3-925218-42-4

DGMP-Bericht Nr. 10, gemeinsam mit DRG, DEGRO und DGN, 1998",Empfehlungen zum Personalbedarf in der Medizinischen Strahlenphysik Teil II: Ergänzungen für Spezialtechniken und Spezialaufgaben", ISBN: 3-925218-64-5

DGMP-Bericht Nr. 11, gemeinsam mit DEGRO und ARO, 1998: "Dosisspezifikation für die Teletherapie mit Photonenstrahlung", ISBN: 3-925218-65-3

DGMP-Bericht Nr. 12, gemeinsam mit DEGRO und ARO, 1998: "Konstanzprüfungen an Therapiesimulatoren", ISBN: 3-925218-66-1

Deutsche Gesellschaft für Medizinische Physik e.V.

Praktische Dosimetrie in der HDR-Brachytherapie

vorgelegt von

H. Krieger Ingolstadt, D. Baltas, Offenbach

1999

Inhalt

Vorwort

1 Dosimetrische Aufgaben

1.1 Definition und Messung der Kenndosisleistung von Bra- chytherapiestrahlern

6

1.1.1 Frei-Luft-Messung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR-Af- terloadingstrahlern mit Kompakt-Ionisationskammern

7 1.1.2 Messung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR-

Afterloadingstrahlern mit Schachtionisationskammern

10 1.1.3 Ermittlung der Kenndosisleistung durch Messungen einer Er-

satzdosisleistung mit Kompakt-Ionisationskammern in kalib- rierten Festkörperphantomen

11

1.2 Messung von Afterloading-Wasserenergiedosisverteil- ungen in Phantomen

12

1.3 Dosimetrische Qualitätskontrollen

programme

14 1.3.3 Bestimmung von relativen Schwächungsfaktoren für klinische

Applikatoren 14

1.4 In-vivo-Dosimetrie

2 Anleitungen

2.1 Berechnung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR- Afterloadingstrahlern bei Frei-Luft-Messungen

17

2.2 Berechnung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR- Afterloadingstrahlern bei Messungen mit Schachtionisati- onskammern

18

2.3 Berechnung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR- Afterloadingstrahlern bei Messungen im kalibrierten PMMA-Zylinderphantom

20

2.4 Berechnung der Wasserenergie-Referenzdosisleistung im PMMA-Zylinderphantom aus der Kenndosisleistung des Ir-Strahlers

22

2.5 Beitrag der Sekundärelektronenkontamination des Strah- lenbündels zur Messanzeige bei Frei-Luft-Messungen an 192-Ir-Afterloadingstrahlern

22

2.6 Bestimmung des Rückstreubeitrages und des systemati- schen Entfernungsfehlers bei Frei-Luft-Messungen mit Kompaktkammern

24

2.7 Raumstreubeiträge bei Kenndosisleistungsmessungen mit Schachtionisationskammern und mit dem PMMA-

Zylinderphantom

27

2.8 Displacement-Korrekturen bei Frei-Luft-Messungen mit Kompaktkammern und punktförmigen Strahlern

29

3 Literatur

Vorwort

In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen zur nationalen und internationalen Normung und Vereinheitlichung der medizinischen Brachytherapietechniken, der Spezifi- kationen und Dokumentation sowie der Dosimetrie im Zusammenhang mit der Brachythe- rapie unternommen. Für die Bundesrepublik werden die Ergebnisse dieser Normungsarbeit in der Deutschen Norm (DIN) zusammengefasst und dargestellt. Dieses Normenwerk re- präsentiert den Stand von Wissenschaft und Technik und sollte deshalb als Grundlage für die praktische medizinphysikalische Arbeit zu Rate gezogen werden. Der vorliegende DGMP-Report soll dagegen eine praxisbezogene Darstellung und Erläuterung der medi- zinphysikalischen Aufgaben im Zusammenhang mit der einschlägigen Dosimetrie in der Brachytherapie geben.

Der erste Teil dieses Berichtes enthält Diskussionen und Vorschläge für die praktische Lösung der mit der Brachytherapie verbundenen dosimetrischen Arbeiten für HDR- Iridiumstrahler. Neben den Methoden werden auch die benötigte Ausrüstung für HDR- Brachytherapie und die Brachytherapie mit radioaktiven Drähten dargestellt und bewertet.

Wegen der vergleichsweise geringen Verbreitung der Anwendung von radioaktiven per- manenten Implantaten (Seeds) wird die einschlägige Dosimetrie dieser Applikationsart ebenso wenig dargestellt wie für die Dosimetrie anderer in der Brachytherapie verwendeter Radionuklide. Insbesondere werden keine Aussagen zur Dosimetrie mit Betastrahlern ge- macht, wie sie beispielsweise für die endovasale Afterloadingtherapie eingesetzt werden.

Informationen zu anderen Radionukliden als 192-Iridium befinden sich z. B. in den ein- schlägigen deutschen Normen (z. B. DIN 6809-2).

Der zweite Teil des Reports enthält eine Zusammenstellung praktischer Anleitungen und Rechenverfahren zu den verschiedenen Methoden der Kenndosisleistungsmessungen sowie weitere Ausführungen zu Korrekturen und Verfahren bei der praktischen Dosimetrie.

Bei dieser Version des Berichtes 13 handelt es sich um eine auf sprachliche und sachliche Fehler in den Formeln auf den Seiten 20-22 korrigierte Version.

Im Juni 2006 H. Krieger

1 Dosimetrische Aufgaben

Der Bericht behandelt dosimetrische Probleme und ihre Lösungen für Gammastrahler in der HDR-Brachytherapie. Im Einzelnen handelt es sich um folgende klinische Dosimetrie- aufgaben:

• Messung der Kenndosisleistung der Strahler

• Messung der Dosis(leistungs)verteilungen im Phantom

• Dosimetrische Qualitätskontrollen

• in-vivo-Dosimetrie

Im Folgenden werden die einzelnen Dosimetrieaufgaben diskutiert und verschiedene prak- tische Lösungsmöglichkeiten dieser Aufgaben und die dazu verwendeten Verfahren darge- stellt. Die jeweils erforderliche technische Ausrüstung wird aufgeführt.

1.1 Definition und Messung der Kenndosisleistung von Brachythera- piestrahlern

Nach nationalen und internationalen Empfehlungen (DIN 6809-2, ICRU 38, ICRU 58) sollen Brachytherapiestrahler mit Hilfe der so genannten Kenndosisleistung spezifiziert werden. Darunter versteht man für punktförmige oder kurze linienförmige Brachytherapie- gammastrahler die Luftkermaleistung frei in Luft (K&_a)_a in 1 m Abstand vom Schwer- punkt des Strahlers oder davon abgeleitete Größen. Die Deutsche Norm (DIN 6809-2) versteht unter Kenndosisleistung ausschließlich die Luftkermaleistung in 1 m seitlichem Abstand gemessen in senkrechter Richtung zur Längsausrichtung des Strahlers¹. Die Kenndosisleistung ist einschließlich der in der Regel klinisch verwendeten Applikatoren und deren Einflüsse (Schwächung, Streuung) zu bestimmen. Für unterschiedliche Applika- toren sind also auch verschiedene Werte der Kenndosisleistung zu ermitteln. Die Kenndo- sisleistung (K&_a)_a wird üblicherweise in der praktischen Einheit cGy/h bzw. mGy/h ange- geben. Bei der Angabe der Kenndosisleistung erübrigt sich wegen der Festlegung der Re- ferenzentfernung von 1 m eine explizite Entfernungsangabe.

Die wichtigsten Verfahren zur praktischen Ermittlung der Kenndosisleistung sind:

• Die Frei-Luft-Messung mit Kompakt-Ionisationskammern

• Die Messung mit Schachtionisationskammern

• Die Messung mit Kompakt-Ionisationskammern in kalibrierten Festkörper- phantomen

1 Etwas abweichend davon empfiehlt AAPM (z. B. AAPM 1994, Nath et al. 1997) die Spezifikation von Bra- chytherapiestrahlern anhand der Größe "Kermastärke" (kerma-strength) SK.

a 2 a k (K )

S = & ⋅l

Darunter versteht man das Produkt aus Luftkermaleistung in Luft im Abstand l, in dem die Luftkerma- leistung bestimmt wurde, und dem Quadrat dieses Abstandes. Für die Kermastärke hat AAPM die Einheit U eingeführt mit

1 U = 1µGy⋅h⁻¹⋅m² bzw. 1 U = 1cGy⋅h⁻¹⋅cm².

1.1.1 Frei-Luft-Messung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR-After- loadingstrahlern mit Kompakt-Ionisationskammern

Bei Frei-Luft-Messungen wird ein Aufbau verwendet, bei dem der Strahler in einen Appli- kator eingeführt wird und eine Ionisationskammer in einer entsprechenden Halterung frei in Luft in einem oder mehreren Abständen positioniert wird. Diese Abstände müssen nicht notwendigerweise mit der Referenzentfernung von 1 m übereinstimmen. Als Abstand ist die Entfernung zwischen Strahlerschwerpunkt und Bezugsort der Kammer zu verwenden (Definitionen s. DIN 6800-1/2). Besonders bei Frei-Luft-Messungen sind die folgenden Probleme und Einflüsse zu beachten.

(a) Streustrahlungsbeiträge: Die Messsonde ist sowohl der Nutzstrahlung als auch unerwünschter Streustrahlung aus der Umgebung des Messaufbaus ausgesetzt.

Mögliche Streustrahlungsquellen sind:

• der Applikator und der Strahler

• der Messaufbau (Halterungen)

• Umgebungsmaterialien (Raumwände, sonstige Geräte wie Strahler- tresore, Afterloadinganlage, Liegen etc.)

• das Umgebungsmedium Luft.

(b) Kontamination des Strahlenfeldes mit Sekundärelektronen aus der unmittelbaren Umgebung des Strahlers und aus dem ortsunabhängigen Streustrahlungsfeld (c) mögliche Verwendung einer Aufbaukappe und deren Einfluss auf das Messer-

gebnis

(d) Stabilität des Messaufbaus und Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Kam- mer-Strahlerabstandsbestimmung

(e) Einfluss der Kammerdimensionen auf die Messortverschiebung innerhalb der Messsonde, die sowohl von der Entfernung als auch von Form und Messvolumen der Kammer abhängig ist.

(f) Kammerwahl (Verwendung von Kompaktkammern oder Flachkammern)

Streustrahlung

Photonen-Streustrahlungsbeiträge aus Strahler und Applikator sowie die Schwächung des Photonenstrahlungsfeldes unmittelbar im Strahler (einschließlich seiner Kapselung) und im Applikator sind definitionsgemäß Bestandteile der Kenndosisleistung und als solche nicht zu vermeiden oder zu korrigieren. Einflüsse auf den Messwert durch Streustrahlungsbei- träge aus dem Messaufbau und den Umgebungsmaterialien müssen dagegen durch geeig- nete Wahl des experimentellen Aufbaus und dessen Standortes minimiert werden. Insbe- sondere ist auf ein optimales Verhältnis von Nutzsignal in der Messsonde und dem Unter- grundsignal zu achten. Falls eine ausreichende Unterdrückung des Streustrahlungsbeitrages durch einen geeigneten Messaufbau nicht möglich ist, kann die Streuung auch rechnerisch korrigiert werden, sofern ihr Beitrag aus Experimenten bekannt ist. Ein im Prinzip hilfrei- ches Verfahren zur experimentellen rechnerischen Korrektur des ortsunabhängigen Streu- beitrages (Raumstreuung) und eines eventuellen systematischen Fehlers der Abstandsbe- stimmung bietet die Methode nach Goetsch (Goetsch et al.1991, s. Kap. 2.6), eine darauf basierende grafische Näherungsmethode findet sich ebenfalls im Kap. 2.6. Da für beide Methoden präzise Frei-Luft-Messungen in mehreren Abständen erforderlich sind, reduziert der damit verbundene Aufwand jedoch die klinische Praktikabilität dieses Verfahrens.

Streustrahlungsminimierung kann durch ausschließliche Verwendung von Materialien nie- driger Dichte in der Nähe des Messaufbaus sowie Einhaltung großer Abstände (größer als 1 m) zu allen massiven Streuern wie Wände, Boden, Geräte etc. erreicht werden. Unter diesen Bedingungen kann man für diese Umgebungs-Streustrahlungskomponente für die praktische Dosimetrie von einem geringen und ortsunabhängigen Streustrahlungsunter- grund ausgehen. Prinzipiell sind auch abstandsabhängige Streubeiträge aus der Luftumge- bung zu erwarten. Wegen der geringen Luftdichte (ca. 1,3 mg/cm³ unter Normalbedingun- gen) und dem Photonenenergiespektrum des 192-Iridiums (mittlere dosisgewichtete Pho- tonenenergie etwa 380-400 keV) spielen Luftstreubeiträge anders als die Streuung an dich- teren Materialien wie Metallen, Wänden etc. bei den üblichen Abständen zwischen Mess- sonde und Strahler keine quantitative Rolle und können deshalb in der praktischen Dosi- metrie immer vernachlässigt werden.

Sekundärelektronenkontamination, Verwendung einer Aufbaukappe

Sekundärelektronen entstehen für den Photonenenergiebereich des 192-Ir vor allem in Ma- terialien mit hoher Ordnungszahl und Dichte wie dem Strahler selbst, seiner Umhüllung, in Metallapplikatoren und anderen hochatomigen Materialien wie Abschirmungen. Bei sorg- fältigem, streustrahlungsminimiertem experimentellem Aufbau entstammen Sekundär- elektronen überwiegend dem Strahler und seiner Umhüllung sowie dem Applikator (s. aber auch Hinweise in Kap. 2.6). Der im Kammervolumen nachgewiesene relative Beitrag der Sekundärelektronenkontamination zum Messsignal ist bei gegebener Kammerwandstärke daher vom Abstand Strahler-Sonde abhängig. Die Wandstärke der in der klinischen Dosi- metrie kommerziell verfügbaren Kammern ist zur Abbremsung der Sekundärelektronen nicht ausreichend (Goetsch et al. 1991, Pychlau 1991). Dies gilt insbesondere für die so genannten Flachkammern mit ihren dünnen Strahleintrittsfenstern. Unter sonst gleichen Bedingungen ist der Sekundärelektronenbeitrag also auch von der Bauform und Wandstär- ke der verwendeten Ionisationssonde abhängig. Sekundärelektronenbeiträge liegen für Kompaktkammern mit ihren vergleichsweise dicken Wänden bereits zwischen 1-2% des Nutzsignals, sind also nicht zu vernachlässigen (Pychlau 1991, Krieger priv. Mitteilung, Kap. 2.7 dieses Reports). Eine numerische Korrektur des Sekundärelektronenbeitrages für nicht abgeschirmte Kammern erfordert daher sorgfältige experimentelle Untersuchungen, die für alle verwendeten Messsonden und Strahler-Applikator-Kombinationen durchge- führt werden müssen.

Eine Alternative ist die "sekundärelektronenfreie" Messung. Dazu muss die Sonde mit ei- ner die Sekundärelektronen abbremsenden Vorschaltschicht versehen werden. Wegen der Abbremsung der Elektronen in der Luftschicht zwischen Strahler und Kammer werden je nach gewähltem Messabstand bei Frei-Luft-Messungen unterschiedliche Mindeststärken der "Sekundärelektronenschutzkappen" benötigt. Die Aufgabe der Sekundärelektronenab- schirmung könnte durch handelsübliche Co-60-Aufbaukappen übernommen werden, die für das Erreichen des Sekundärelektronengleichgewichtes im Kammervolumen bei der Frei-Luft-Dosimetrie in der Regel bereits zur Verfügung stehen. Solche Aufbaukappen sind selbst für geringe Strahler-Sonden-Entfernungen bei Iridium-Messungen ausreichend dick. Sie schirmen allerdings nicht nur die Sekundärelektronen ab sondern schwächen auch abstandsabhängig das Photonenstrahlungsfeld. Diese unerwünschte Schwächung muss deshalb durch kammerspezifische Korrektionsfaktoren berücksichtigt werden (s. z. B.

Pychlau 1991, Goetsch et al. 1991).

Es wird daher vorgeschlagen, Frei-Luft-Messungen der Kenndosisleistung von 192-Ir- Afterloadingstrahlern immer mit Kobalt-Aufbaukappe durchzuführen. Die Deutsche Norm (DIN 6809-2) macht bisher allerdings keine quantitative Aussage zur Verwendung von Aufbaukappen bei Frei-Luft-Kenndosisleistungsmessungen von Afterloadingstrahlern, da

der Einsatz von Aufbaukappen bisher in der Literatur umstritten war und die Strahlungs- feldschwächung selbstverständlich auch abhängig vom jeweiligen Nuklid und dessen Pho- tonenenergien ist.

Stabilität des Messaufbaus, Abstandsfehler

Die Stabilität des Messaufbaus und die Präzision der Abstandsbestimmung beeinflussen wegen der dominierenden Abstandsquadratabhängigkeit der Dosisleistung erheblich die Genauigkeit des Messergebnisses. Mit zunehmendem Strahler-Kammer-Abstand sind Posi- tionierungsfehler zwar von geringerer Bedeutung, die Größe des Messsignals nimmt aber quadratisch mit dem Abstand ab. Wenn die Dosimeter dadurch nicht mehr im zulässigen Anzeigebereich betrieben werden können, müssen Kammern mit größeren Messvolumina eingesetzt werden. Volumenvergrößerungen der Kammer führen jedoch zu einer Zunahme der Verschiebung des effektiven Messortes der Sonde (Displacementeffekt, s. u.), die wie- der durch abstands- und kammerabhängige Korrekturen berücksichtigt werden muss. Je größer der Sonden-Strahler-Abstand wird, umso höher ist auch der relative Beitrag der ortsunabhängigen Streustrahlungsbeiträge im Vergleich zum Nutzsignal.

Messvolumeneffekt bei der Verwendung von Kompaktkammern

Bei der Verwendung von Kompaktkammern kommt es anders als bei Flachkammern zu bauartbedingten Messortverschiebungen durch den so genannten Messvolumeneffekt (dis- placement, s. z.B. Kondo und Randolph 1960). Dies kann je nach Kalibrierbedingungen entweder zu unterschiedlichen Kalibrierfaktoren oder zu einer räumlichen Fehlzuordnung des Messsignals zum Strahlenfeld führen. Nach DIN 6809-2 sollen die entsprechenden Korrekturen nach der Methode von Kondo-Randolph vorgenommen werden, wenn als Be- zugspunkt für Kalibrierung und Messung der Referenzpunkt auf der Kammerachse ver- wendet wird. Entscheidend für den numerischen Wert dieser Displacement-Korrekturen sind sowohl der Abstand zwischen Strahler und Sonde als auch die Abmessungen der Son- de. Wird zusätzlich zu den bei Kondo unterstellten Bedingungen auch die endliche Aus- dehnung der Strahler berücksichtigt, vermindern sich die Volumen-Korrekturfaktoren vor allem im Nahbereich des Strahlers wegen der dann unterschiedlichen Dosisleistungsgra- dienten im Vergleich zur Geometrie bei der Kammerkalibrierung. Solche Korrekturfakto- ren stehen für die üblichen Strahlergeometrien und die in der klinischen Dosimetrie ver- wendeten Kompaktkammern in der Regel nicht zur Verfügung. Sie müssen deshalb entwe- der durch aufwendige Messungen oder Berechnungen z. B. nach der Monte-Carlo-Inte- grationsmethode für die jeweilige Geometrie bestimmt werden (Baltas et al. 1998). Mes- sungen bei kleinen Abständen, die wegen der Minimierung von Raumstreubeiträgen be- sonders günstig wären, erfordern also nicht nur eine besonders hohe Präzision der Ab- standsbestimmung sondern zusätzliche Displacement-Korrekturen (numerische Werte für kommerzielle Kammern s. Kap. 2.8).

Kammerwahl

Für Flachkammern stehen wegen ihrer Bauart i. a. keine Kalibrierfaktoren für Frei-Luft- Messungen zur Verfügung. Durch den massiven Kammerkörper zeigen sie außerdem er- hebliche und von der Entfernung Strahler-Sonde abhängige Rückstreubeiträge. Anders als beim bestimmungsgemäßen Gebrauch in der üblichen perkutanen Dosimetrie entstehen durch das flache Messvolumen im Nahbereich um die Strahler wegen der großen Dosis- leistungsgradienten auch bei Flachkammern geometrisch bedingte Messortverschiebungen.

Für beide Effekte werden vom DIN keine Korrekturfaktoren oder einfache standardisierte Verfahren zu ihrer experimentellen oder rechnerischen Bestimmung vorgehalten. Flach- kammern sind deshalb für Frei-Luft-Messungen an HDR-Iridiumstrahlern nicht geeignet.

Für Kompaktkammern stehen in der Regel geeignete Kalibrierfaktoren auch für Frei-Luft- Messungen zur Verfügung. Ihr Einsatz erfordert aber wie oben ausgeführt sorgfältige geo- metrische Bedingungen und von der individuellen Messgeometrie abhängige Korrekturen des Messvolumeneffektes. Kompaktkammern sind also im Prinzip für Frei-Luft-Mes- sungen geeignet, erfordern aber, wie oben ausgeführt, wegen ihrer Geometrie eine Reihe sorgfältiger Korrektionen und sorgfältige Abstandsbestimmung.

Benötigte Ausrüstung

− Kompakt-Ionisationskammer (empfohlen: Volumen 0,3-1,0 cm³)

− Anzeigegerät

− Radioaktive Kontrollvorrichtung

− Frei-Luft-Stativ mit Kammerhalterung und Sondenaufnahme in streuarmer Geo- metrie für Messungen zwischen 10 und 30 cm Strahler-Sonden Abständen.

− Repräsentativer Applikator mit bekannter Schwächung Zusammenfassung Frei-Luft-Messungen

Bei Frei-Luft-Messungen der Kenndosisleistung von 192-Ir-Afterloadingstrahlern muss ein Kompromiss zwischen ausreichender Ionisationskammeranzeige (kleiner Sonden-Strahler-Abstand), Messgeometrie (Messortverschiebung in der Ionisations- kammer, Genauigkeit der Abstandsbestimmung) und Streustrahlungsfreiheit des Dosimetrieaufbaus geschlossen werden.

Es sollten "klinisch übliche" Kompaktkammern mit 60-Co-Aufbaukappen eingesetzt werden, da für Flachkammern einerseits keine geeigneten Kalibrierfaktoren zur Ver- fügung stehen und andererseits die Kammerkörper von Flachkammern besonders im Nahbereich um die Strahler zu erheblichen geometrischen Fehlern führen können.

Die Deutsche Norm (DIN 6809-2) schreibt deshalb vor, Frei-Luft-Messungen in Son- den-Strahler-Abständen nicht kleiner als 5 cm durchzuführen. Eine quantitative Analyse und Abwägung der verschiedenen Fehlermöglichkeiten zeigt, dass bei den üblichen Kompaktkammervolumina zwischen 0,3 und etwa 1 cm³ für Frei-Luft-Mes- sungen zum Erreichen einer klinisch notwendigen Genauigkeit tatsächlich nur Mess- abstände zwischen etwa 10 und 30 cm in Frage kommen.

1.1.2 Messung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR-Afterloadingstrah- lern mit Schachtionisationskammern

Seit einigen Jahren stehen spezielle kommerzielle Schachtionisationskammern zur Ermitt- lung der Kenndosisleistung von 192-Ir-HDR-Afterloadingstrahlern zur Verfügung (Goetsch et al. 1991, Goetsch et al. 1992, Podgorsak et al. 1992, Baltas et al. 1999, DIN 6809-2). Diese müssen in geeigneter Weise zur Anzeige der Frei-Luft-Kermaleistung für den verwendeten Strahlertyp, das verwendete Radionuklid und den klinischen Applikator kalibriert sein. Bei HDR-Strahlern kann das Ansprechvermögen der Schachtionisations- kammer zu hoch sein. Dem kann durch Verwendung eines Einsatzes mit bekannter Schwä- chung für das verwendete Radionuklid Rechnung getragen werden. Auch bei der Kenndo- sisleistungsmessung mit Schachtionisationskammern muss zur Vermeidung von Streu- strahlungseinflüssen aus der Umgebung ein Mindestabstand (größer als 30 cm) von größe- ren Streuern eingehalten werden (Podgorsak et al. 1992, Baltas et al. 1999, s. a. Kap. 2.7).

Das Ansprechvermögen der Schachtionisationskammern hängt darüber hinaus deutlich vom Abstand des Strahlers vom Kammerboden ab (AAPM 41 und dortige Referenzen, Podgorsak et al. 1992, Baltas et al. 1999). Diese Abhängigkeit muss in Form einer Lage- Empfindlichkeitskurve bekannt sein bzw. im Einzelfall experimentell bestimmt werden (s.

Kap. 2.2). Strahler müssen zum Erreichen reproduzierbarer Messergebnisse im Maximum dieser Empfindlichkeitskurven positioniert werden, da nur dort die mitgelieferten Kam- merkalibrierfaktoren gelten. Schachtionisationskammern sind als offene Systeme ausge- legt. Die Messergebnisse müssen deshalb wie üblich bezüglich Luftdruck und Temperatur korrigiert werden. Die Berechnung der Kenndosisleistung des Strahlers aus dem gemesse- nen maximalen Ionisationsstrom der Kammer wird in Kap. 2.2 beschrieben.

Benötigte Ausrüstung

− Schachtionisationskammer

− Anzeigegerät

− radioaktive Kontrollvorrichtung

− eventuell Schwächungseinsatz bei der Messung von HDR-Strahlern

− repräsentativer Applikator mit bekannter Schwächung.

1.1.3 Ermittlung der Kenndosisleistung durch Messungen einer Ersatz- dosisleistung mit Kompakt-Ionisationskammern in kalibrierten Festkörperphantomen

Bei Messungen der Kenndosisleistung von Afterloadingstrahlern in Festkörperphantomen sollten aus den oben genannten Gründen ebenfalls Kompaktkammern verwendet werden.

Diese müssen in geeigneter Weise zur Anzeige der Kenndosisleistung kalibriert sein. In der Kalibrierung des Festkörperphantoms muss dabei sowohl der Phantomeinfluss als auch die Schwächung im verwendeten Applikator enthalten sein. Eventuelle Volumeneffektkor- rekturen der Ionisationskammer in der verwendeten Geometrie müssen ebenfalls berück- sichtigt werden. Messanzeigen aus Kenndosisleistungsmessungen in Festkörperphantomen sind weniger anfällig für Streueinflüsse aus der Umgebung als die aus Frei-Luft-Messun- gen. Eine Abhängigkeit der Messanzeigen von der Umgebungsstreuung kann durch geeig- nete Abstände zum nächsten größeren Streuer leicht minimiert werden (s. Kap. 2.7). Der wichtigste Vorteil von Festkörperphantomen ist die stabile geometrische Anordnung und die daher resultierenden konstanten und reproduzierbaren Strahler-Sonden-Abstände. Für die vom jeweiligen Nutzer bevorzugten Ionisationskammertypen können bei gleicher Messgeometrie auswechselbare Einsätze verwendet werden.

Kenndosisleistungsmessergebnisse in Festkörperphantomen sind bei geeigneter geometri- scher Auslegung des Phantoms weitgehend unabhängig von der exakten longitudinalen Po- sitionierung des Strahlers im Applikator, sie sind aber wegen des Abstandquadratgesetzes stark abhängig von eventuellen lateralen Fehlpositionierungen des Strahlers im Applikator.

Geeignete Festkörperphantome bieten deshalb die Möglichkeit, Messungen in vier um je 90° versetzte Richtungen zum Applikator durchzuführen. Dadurch kann eine eventuelle seitliche Lageunsicherheit der Strahler im Führungssystem der Afterloadinganlage experi- mentell herausgemittelt werden. Es sind verschiedene Bauformen und Materialien von Festkörperphantomen denkbar wie Plattenphantome (Baltas 1993) oder zylindrische Phan- tomformen (Krieger 1988, Krieger2 1988). Ein in der klinischen Dosimetrie bevorzugtes Material ist Plexiglas (PMMA, Polymethylmetacrylat). In Kap. 2.3 wird die Anwendung des vom DGMP-Arbeitskreis Brachytherapie-Dosimetrie empfohlenen rotationssymmetri- schen PMMA-Zylinderphantoms vorgestellt (Krieger 1991). Ein analoger Formalismus gilt

auch für andere Festkörperphantomgeometrien, wenn bei deren Einsatz die individuellen experimentell ermittelten Phantom-Kalibrierfaktoren verwendet werden.

Messung der Wasserenergie-Referenzdosisleistung im Zylinderphantom

Mit dem gleichen Messwert, der für die Kenndosisleistungsbestimmung verwendet wird, kann die Referenzdosisleistung (das ist die Wasserenergie-Dosisleistung am Messort) im Zylinderphantom bestimmt werden. Sie dient zur arbeitstäglichen Kalibrierung der in-vivo- Dosimeter (z. B. Blasen- und Rektum-Sonde der Fa. PTW-Freiburg). Die Referenzdosis- leistung muss wie die Kenndosisleistung im Prinzip nur einmal experimentell bestimmt werden, für die spätere Verwendung kann sie dann bei nuklidreinen Strahlern über den radioaktiven Zerfall des Strahlers rechnerisch korrigiert werden. Das Zylinderphantom wurde geometrisch so ausgelegt, dass die Wasserenergie-Referenzdosisleistung in den pe- ripheren Bohrungen etwa 1cGy/min pro 37GBq Strahleraktivität beträgt.

Benötigte Ausrüstung:

− Festkörperphantom (Zylinderphantom mit Kammer-, Applikator- und Blind- einsätzen)

− Stativ

− Kompaktionisationskammer (Zylinderform)

− Anzeigegerät

− Radioaktive Kontrollvorrichtung

− Repräsentativer Applikator mit bekannter Schwächung

Zusammenfassende Empfehlung zur Kenndosisleistungsmessung an 192-Ir-HDR- Afterloadingstrahlern

Frei-Luft-Messungen werden für HDR-Strahler wegen unsicherer Geometrie, even- tueller Streueinflüsse beim Messaufbau und wegen der Unsicherheit bei der Verwen- dung von Aufbaukappen als klinische Standardmethode zur Kenndosisleistungsmes- sung nicht empfohlen.

Kenndosisleistungsmessungen mit Schachtionisationskammern werden insbesondere für Afterloadingstrahler mit niedriger Dosisleistung und für Linienstrahler wie z.B.

Iridiumdrähte empfohlen.

Kenndosisleistungsmessungen mit kalibrierten Festkörperphantomen werden als Standardmethode zur Bestimmung der Kenndosisleistung von HDR-Afterloading- strahlern empfohlen (s. a. Krieger 1991). Sie bieten zusätzlich die Möglichkeit, in- vivo-Messsonden ohne größeren Aufwand unter klinischen Bedingungen zu kalibrie- ren.

1.2 Messung von Afterloading-Wasserenergiedosisverteilungen in Phan- tomen

Messungen der Dosisleistungsverteilungen in Phantomen zählen üblicherweise nicht zur klinischen Routinedosimetrie. Sie sind vielmehr Teil von Grundlagenuntersuchungen. Im normalen klinischen Betrieb müssen daher keine diesbezüglichen dosimetrischen Mittel und Verfahren zur Verfügung gestellt werden. Sollen dennoch punktweise Dosismessun- gen in Phantomen z. B. zur Überprüfung eines physikalischen Planungsergebnisses durch- geführt werden, wird wegen der hohen Dosisleistungsgradienten in der Nähe von Afterloa-

dingstrahlern die Verwendung von kleinvolumigen Kompaktionisationskammern empfoh- len. Als Phantommaterialien können entweder ferngesteuerte Wasserphantome oder geeig- nete wasseräquivalente Festkörperphantome eingesetzt werden (z. B. aus RW1).

Geeignet für Punktdosismessungen ist auch der Einsatz von Thermolumineszenzdetekto- ren. Solche Detektoren müssen durch Kalibriermessungen allerdings für die jeweilige Strahlungsqualität im Phantom kalibriert sein. Um diesbezügliche Fehler gering zu halten, sollten - wenn möglich - gewebeähnliche Detektormaterialien mit geringer Energieabhän- gigkeit ihrer Anzeige wie beispielsweise LiF verwendet werden.

Benötigte Ausrüstung

− Festkörperphantom aus wasseräquivalentem Material (z. B. RW1)

− ferngesteuertes Wasserphantom

− Kompaktionisationskammer (Zylinderform, wasserdicht)

− Anzeigegerät

− Radioaktive Kontrollvorrichtung

− Repräsentativer Applikator mit bekannter Schwächung oder

− Thermolumineszenzdetektoren

− TLD-Leser

− TLD-Ofen

− Kalibrierphantom für TLD

− TLD-Werkzeug (Vakuumpinzetten, Träger,...)

− Repräsentativer Applikator mit bekannter Schwächung Empfehlung:

Messungen der Wasserenergiedosisverteilungen um Afterloadingstrahler in Phanto- men sind nicht Bestandteil normaler klinischer Routine-Dosimetrie. Zur Überprü- fung der Funktionstüchtigkeit der Afterloadinganlage stehen besser geeignete und weniger aufwendige Verfahren zur Verfügung. Sollen im Rahmen von Grundlagen- untersuchungen z. B. zur Überprüfung von Planungsalgorithmen Wasserenergiedo- sismessungen in Phantomen durchgeführt werden, so dürfen nur Detektoren mit ge- ringer und bekannter Energieabhängigkeit verwendet werden.

1.3 Dosimetrische Qualitätskontrollen

Zu den dosimetrischen Qualitätskontrollen zählen die Überprüfung der Kenndosisleistung der verwendeten Strahler (Halbwertzeitüberprüfung, Radionuklidreinheit), die Prüfungen der Strahlerpositionierung für repräsentative Bewegungsprogramme und Zeitmuster von HDR-Strahlern und deren Positionierung innerhalb ihrer Umhüllung und in den Applikato- ren vor der jeweiligen Applikation sowie die Kontrollen von relativen Schwächungsfakto- ren einzelner klinischer Applikatoren. Die wichtigsten Aufgaben sind:

• Die periodische Kenndosisleistungsüberprüfung und Prüfung der Radionuk- lidreinheit

• die periodische Prüfung der Strahlerpositionierung

• die einmalige Ermittlung von Schwächungsfaktoren von Applikatoren.

1.3.1 Überprüfung der Kenndosisleistung und Nuklidreinheit

Zur laufenden Kenndosisleistungsüberprüfung wird die gleiche Ausrüstung wie bei der Erstbestimmung der Kenndosisleistung verwendet (s. Kap. 1.1). Am günstigsten werden solche Messungen mit Schachtionisationskammern oder dem in Kap. 1.1.3 empfohlenen zylindrischen Festkörperphantom durchgeführt. Durch wiederholte Messungen und Ver- gleich der Messergebnisse mit berechneten "Abklingwerten" nach der physikalischen Halbwertzeit des verwendeten Radionuklids kann außerdem simultan die Radionuklidrein- heit überprüft werden.

1.3.2 Überprüfung der Strahlerpositionierung und der Bewegungspro- gramme

Zur diesbezüglichen Überprüfung können im Prinzip alle Messverfahren verwendet wer- den, die eine ortsbezogene Dosisbestimmung ermöglichen wie beispielsweise Messungen von Dosisprofilen in mehreren Ebenen mit Ionisationskammern. Für die alltägliche Über- prüfung sind jedoch einfachere Verfahren ausreichend, sofern sie die Feststellung von rela- tiven Strahlerpositionen ermöglichen. Die wegen des geringen Aufwandes vorzuziehende Methode ist die Kontaktradiografie mit Filmen oder z. B. Gafchromic-Folien. Gängige Praxis sind Belichtungen in geeigneten Phantomen, die Skalierungen und Aufnahmen für die verschiedenen zu untersuchenden Applikatoren enthalten und kommerziell erhältlich sind.

1.3.3 Bestimmung von relativen Schwächungsfaktoren für klinische Ap- plikatoren

Werden in der klinische Routine Applikatoren verwendet, deren Bauform (Materialien, Wandstärken, Form) von denen bei der Basisdosimetrie abweichen, so sind deren Einflüsse auf das Strahlungsfeld, insbesondere die relative Strahlungsfeldschwächung durch Ver- gleichmessungen zu bestimmen. Für solche Messungen können bevorzugt das in Kap.

1.1.3 beschriebene PMMA-Zylinderphantom oder Schachtionisationskammern verwendet werden. Schwächungsfaktoren sollten als Kenndosisleistungs-Korrekturfaktoren relativ zum Standard-Dosimetrieapplikator bestimmt werden.

Empfehlung

Zur periodischen Überprüfung der Kenndosisleistung und der Radionuklidreinheit werden Schachtionisationskammermessungen oder Messungen in kalibrierten Fest- körperphantomen vorgeschlagen. Für diese dosimetrischen Qualitätskontrollen wer- den keine zusätzliche Ausrüstungen oder weitere Verfahren benötigt.

Zur Prüfung der Strahlerpositionen und Bewegungsprogramme werden Direktradio- grafien mit Filmen in speziellen Prüfphantomen empfohlen.

Zur Applikatorschwächungsmessung besonders geeignet ist das unter Kap. 1.1.3 be- schriebene PMMA-Zylinderphantom mit variablen Kammer- und Applikatoreinsät- zen.

1.4 In-vivo-Dosimetrie

In-vivo-Dosimetrie dient zur punktweisen Überprüfung von Dosisleistungsverteilungen oder der Bestimmung von Maximaldosen während einer therapeutischen Applikation. Bei- spiele sind Messungen der Dosen in Risikobereichen wie am Septum zwischen Rektum und Vagina oder Vagina und Blasenboden bei gynäkologischen Anwendungen. Unabding- bare Voraussetzung zur Interpretation der Ergebnisse solcher in-vivo-Messungen ist die exakte Lokalisation der Detektoren, ihre Lagezuordnung relativ zu den Strahlern und die zeitliche Konstanz dieser Positionen. Der erste Schritt zur in-vivo-Dosimetrie ist also die Lokalisation über geeignete Rekonstruktionsverfahren mit Hilfe bildgebender Verfahren wie konventioneller Röntgenprojektionen, CT, MR oder Ultraschall.

Die verwendeten Messsonden können entweder Kompaktionisationskammern, Halbleiter- sonden oder, wenn die online-Datenauswertung keine Bedingung ist, auch gekapselte und erst nach der Exposition auszuwertende Festkörperdosimeter wie TLD sein. Da in unmit- telbarer Nähe der Afterloadingstrahler gemessen werden soll, müssen alle Sonden kleinvo- lumig sein, richtungsunabhängige Messsignale, also von ihrer relativen Orientierung zu den Strahlern weitgehend unabhängige Anzeigen aufweisen. Alle Detektoren müssen was- serdicht, die Gasdetektoren wegen der hohen Temperatur- und eventuellen Druckdifferen- zen zusätzlich gasdichte Ausfertigungen sein. Insbesondere Halbleiterdetektoren müssen vor ihrer Anwendung in der Patientendosimetrie auf ihr Temperaturverhalten und wegen der individuellen Fertigung auf die Richtungsabhängigkeit ihrer Anzeigen überprüft wer- den. Eventuelle Messortverschiebungen bei Kompaktionisationskammern müssen nach den üblichen Verfahren korrigiert werden, was wegen der hohen Dosisgradienten im Nahbe- reich um die Strahler zusätzliche Anstrengungen bei der Lokalisation erfordert. Alle Son- den müssen in bildgebenden Verfahren lokalisierbar, also z. B. auf Röntgenfilmen als röntgendichte Objekte deutlich erkennbar sein.

Für jede Detektorart muss ein geeignetes klinisches Kalibrierverfahren zur Verfügung ste- hen. Bei Kompaktionisationskammern wird dies durch Verwendung der vom Hersteller gelieferten Kalibrierfaktoren, der in DIN 6809-2 aufgeführten sonstigen dosimetrischen Faktoren und durch Verwendung einer Kontrollvorrichtung bewerkstelligt. Bei Halbleiter- detektoren ist mangels geeigneter Kalibrierfaktoren in der Literatur die Kalibrierung in der verwendeten Strahlungsqualität z. B. im oben beschriebenen Festkörperphantom vorzuzie- hen. Bezüglich der TLD-Detektor-Kalibrierung gilt das bereits oben gesagte.

Benötigte Ausrüstung

− Lokalisationseinrichtung zur räumlichen Erfassung der Strahler- und Sondenposi- tionen

− Kompaktionisationskammern (z. B. Rektum- und Blasensonde in Zylinderform)

− Anzeigegerät

− radioaktive Kontrollvorrichtung (KV)

oder

− Thermolumineszenzdetektoren

− TLD-Leser

− TLD-Ofen

− Kalibrierphantom für TLD

− TLD-Werkzeug (Vakuumpinzetten, Träger,...) oder

− 2 kompakte Halbleiterdetektoren (z. B. 5-fach-Rektumsonde, 1-fach-Blasensonde)

− Anzeigegerät (teilweise in die Afterloadinggeräte eingebaut)

− Festkörperphantom für die Kalibrierung

Empfehlung:

Messungen von Punktdosen während der therapeutischen Applikation sollten wegen der hohen Lageunsicherheiten und der damit bedeutungslosen Aussage der Messwer- te nur nach vorheriger sorgfältiger Rekonstruktion aller Strahler-, Applikator- und Sondenpositionen vorgenommen werden. Einfache klinische Röntgenbilder (auch die in zwei Ebenen angefertigten Aufnahmen) reichen ohne rechnerische Rekonstruktion zur Bestimmung von Punktdosen an Risikoorganen nicht aus.

Bei der Wahl der Detektoren sind gasdichte Kompaktionisationskammern wegen der durch ihre Bauart bedingten rotationssymmetrischen Anzeigen anderen Detektorar- ten vorzuziehen. Allerdings sind dabei sorgfältige Volumeneffekt-Korrekturen erfor- derlich.

Bei kommerziellen Halbleitersonden ist unbedingt zunächst die Temperaturabhän- gigkeit und Richtungsabhängigkeit der Anzeigen zu untersuchen, da solche Detekto- ren erfahrungsgemäß einer erheblichen Exemplarstreuung unterliegen.

Die Verwendung der sehr kompakten TLD-Detektoren ist für die in-vivo-Dosimetrie ein geeignetes Verfahren, jedoch sowohl apparativ als auch personell und wegen der individuell zu bestimmenden Kalibrierfaktoren sehr aufwendig.

2 Anleitungen

2.1 Berechnung der Kenndosisleistung ( K

)

von 192-Ir-HDR-After- loadingstrahlern bei Frei-Luft-Messungen

Im Folgenden wird die Berechnung der Kenndosisleistung eines Afterloading-Strahlers aus den Messanzeigen bei einer Frei-Luft-Messung mit Kompaktkammern gemäß Kap. 1.1.1 in Anlehnung an DIN 6809-2 für die beiden wichtigsten Kalibrierarten (Luftkerma in Luft und Wasserenergiedosis in Wasser) sowie die veraltete, teilweise noch gültige Standardio- nendosis-Kalibrierung dargestellt. Hier nicht aufgeführte Korrektionen sind nach DIN 6800-2 vorzunehmen. Dazu zählen insbesondere die Sättigungskorrektur für kontinuierli- che Strahlung, die Korrektion für die Polarität der Kammerspannung und je nach experi- mentellem Aufbau etwaige Korrektionen von Streustrahlungsbeiträgen aus der Umgebung des Aufbaus (s. dazu die Ausführungen in Kap. 1.1.1).

Luftkerma-in-Luft-Kalibrierung der Kompaktkammer:

M N k k r ) (r k k k ) K

( ² _{AK Q K}

0 a M

, as V a 100 ,

a = ⋅ ⋅ _ρ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

& (1)

Wasserenergiedosis-in-Wasser-Kalibrierung der Kompaktkammer:

M N k k r ) (r g ) 1 ( 1 t k 1 k k k ) K

( ² _{AK Q D}

0 M a en

wa wa a

, as V a 100 ,

a ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ −

⋅

⋅

⋅

⋅

= _ρ

& (2)

Standardionendosis-Kalibrierung der Kompaktkammer:

M N k k r ) (r e k W g ) 1 ( 1 k k k ) K

( ² _{AK Q S}

0 RC M

a a

, as V a 100 ,

a ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅

⋅ −

⋅

⋅

= _ρ

& (3)

Die Variablen in den Formeln (1-3) haben dabei folgende Bedeutungen:

M Messanzeige des Dosimeters

NK Kalibrierfaktor für Luftkerma frei in Luft

ND Kalibrierfaktor für Wasserenergiedosis in Wasser NS Standardionendosis-Kalibrierfaktor

kQ Korrektionsfaktor für die von 60-Co abweichende Strahlungsqualität, dem Herstel- lerzertifikat zu entnehmen (ggf. durch Interpolation des Kalibrierfaktors von 60-Co und der höchsten Röntgenstrahlungsqualität). Bei modernen Kompaktkammern ist die Strahlungsqualitätsabhängigkeit so gering, dass kQ=1 verwendet werden kann.

Die energiedosis-gewichtete mittlere Photonenenergie von 192-Ir beträgt etwa 380- 400 keV.

kAK Korrektion bei Verwendung einer 60-Co-Aufbaukappe (empfohlener Wert kAK = 1,005)

kV Korrektion für die räumliche Ausdehnung der Messsonde (nach Kondo-Randolph) kas,a Korrektion von Schwächung und Streuung der Strahlung im Umgebungsmaterial

Luft. Für 192-Ir beträgt der Wert 1,00.

kρ Korrektion für die Luftdichte (p,T-Korrektur: kρ = (p0T)/(pT0) mit p0 = 1013 hPa, und T0 = 273,15 K), kann auch mit Hilfe einer radioaktiven Kontrollvorrichtung

(KV) ermittelt werden. Der kρ-Faktor lautet dann kρ = KVsoll/KVist, wenn KVsoll die zerfallskorrigierte Tagessollanzeige für die entsprechende KV ist.

rM Messabstand

r0 Bezugsabstand für die Kenndosisleistungsspezifikation (100 cm)

kwa Korrektionsfaktor für den Übergang vom Umgebungsmaterial Wasser zum Umge- bungsmaterial Luft (Wert nach DIN z. Zt. kwa = 1,00)

en

t wa Verhältnis der über die Energieverteilung am Messort gemittelten Massenenergie- absorptionskoeffizienten von Wasser und Luft für 192-Ir-Strahlung (µen/ρ)w/(µen/ρ)a). (Wert für 192-Ir: 1,111)

ga relative Bremstrahlungsverluste in Luft für 192-Ir-Strahlung (Bruchteil der kineti- schen Anfangsenergien der Sekundärteilchen, die in Luft in Bremsstrahlung umge- wandelt wird). Wert für 192-Ir-Gammastrahlung: ga = 0,001

W/e mittlere absorbierte Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares in trockener Luft dividiert durch die Elementarladung (W/e = 33,97 V)

kRC Umrechnungsfaktor 1 Röntgen/(1 Coulomb/kg) =2,58⋅10^-4

2.2 Berechnung der Kenndosisleistung ( K &

)

von 192-Ir-HDR-After- loadingstrahlern bei Messungen mit Schachtionisationskammern

Bei der Ermittlung der Kenndosisleistung von Afterloadingstrahlern werden die Schacht- ionisationskammern im Strombetrieb verwendet. Die Berechnung der Kenndosisleis- tungsmessung eines 192-Ir-HDR-Afterloadingstrahlers aus dem Wert des maximalen Ionisationsstromes der Kammer erfolgt nach folgender Formel.

ion max k

a 100 ,

a ) N k I k

K

(& = ⋅ _ρ⋅ ⋅ (4)

mit folgenden Bedeutungen der Variablen:

Nk Kalibrierfaktor für die Luftkermaleistung (in Gy⋅h^-1⋅A^-1 in 1m). Er ist wegen der Referenzentfernung von 1 m numerisch gleich dem Kermastärke-Kalibrierfaktor SK

(s. Fußnote 1 in Kap. 1.1) in der Einheit Gy⋅h^-1⋅m²⋅A^-1. Dieser Faktor kann dem Ka- librierzertifikat der Kammer entnommen werden.

k_ρ Korrekturausdruck für den aktuellen Luftdruck p und die Temperatur T bei der Messung und die entsprechenden Werte p0, T0 unter Referenzbedingungen bei der Kammerkalibrierung.

0 0

T T p

k_ρ = p ⋅ (5)

Imax Maximalwert des gemessenen Ionisationsstromes der Schachtkammer. Da das An- sprechvermögen von Schachtionisationskammern abhängig vom Abstand des Strahlers vom Kammerboden ist, enthalten die Kammerzertifikate vom Hersteller beigefügte Verläufe des Ansprechvermögens als Funktion der Strahlerposition (ef- ficiency-Positions-Kurven, s. a. Abb. 2.1).

kion Kehrwert des Ionensammlung-Efficiency-Faktors Aion, der mit Hilfe der Ladungs- anzeige bei der Nominalspannung der Kammer (300V) Q1 und der Anzeige bei der halben Spannung (150 V) Q2 berechnet wird (Attix 1984):



 



 ⋅

−

= Α

2 1

ion Q

Q 3 1 3

4 (6)

Schachtionisationskammern zeigen eine deutliche Abhängigkeit der Messanzeige (Kam- merstrom) von der Position des eingebrachten Strahlers, die bei der Kenndosisleistung be- rücksichtigt werden muss. Vor dem Einsatz solcher Schachtionisationskammern muss des- halb dieser Einfluss experimentell bestimmt werden oder eventuell vom Hersteller beige- fügten Zertifikaten entnommen werden. Nach DIN 6809-2 ist der Strahler bei Kenndosis- leistungsmessungen im Maximum der Empfindlichkeitskurven zu positionieren.

Die folgende Abbildung zeigt beispielhaft die experimentell bestimmten relativen Anzei- gewahrscheinlichkeiten für zwei kommerzielle offene Schachtionisationskammern als Funktion des Abstandes vom Kammerboden (Kammertypen: SDS², HDR-1000³, nach Bal- tas et al. 1999). In der praktischen Arbeit wird statt dieses Abstandes besser die entspre- chende Ausfahrlänge des Strahlers im Applikator als Positionierungsangabe verwendet.

Abb. 2.1: Relativer (auf das jeweilige Anzeigemaximum normierter) Kammerstrom für zwei kommerzielle Schachtionisationskammern als Funktion des Abstandes Strahler-Kammerboden (nach Baltas et al. 1999).

2 SDS-Kammer: Nucletron, Veenendaal, Holland

3 HDR-1000-Kammer: Standard Imaging Inc., Middleton, USA

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 0,50

0,55 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 1,00 1,05

SDS-Schachtkammer HDR-1000-Schachtkammer

Rel at iver Kamm er st ro m

Abstand vom Kammerboden (mm)

2.3 Berechnung der Kenndosisleistung ( K &

)

von 192-Ir-HDR-After- loadingstrahlern bei Messungen im kalibrierten PMMA-Zylinder- phantom

Im Folgenden wird die Anwendung des vom DGMP-Arbeitskreis Brachytherapie-Dosime- trie empfohlenen rotationssymmetrischen PMMA-Zylinderphantoms vorgestellt und disku- tiert (Krieger 1991). Der gleiche Formalismus, allerdings mit anderen Geometrie- und Phantomkalibrierfaktoren kann auch für andere Festkörperphantomgeometrien angewendet werden. Kenndosisleistungsmessungen werden am ruhenden Strahler in der vordersten Position im Applikator senkrecht zur Applikatorlängsachse vorgenommen.

Beträgt der Messwert für die Messzeit τ (in min) M0 (in Digits pro Messzeit τ) und der Quellenausfahrmesswert ma, erhält man für die auf die Quellenlaufzeit korrigierte Messan- zeige M

M =M₀ −m_a (7)

Der Messzeitkorrektionsfaktor (Hochrechnung von τ min auf 1 h) beträgt τ

τ =60/

k (8)

Die pT-Korrektion der mit Hilfe der aus dem Kalibrierprotokoll entnommen Sollanzeige KVsoll der Kontrollvorrichtung und der mit Hilfe der Kontrollvorrichtung gemessenen und gemittelten Anzeigewerte des Dosimeters KVist beträgt

k_KV =KV_soll /KV_ist (9)

Alternativ dazu können die klimatischen Bedingungen rechnerisch korrigiert werden. Der kKV-Faktor wird dann durch die folgende rechnerische Korrektur k_ρ ersetzt:

/p p ) t t)/(273,5 (273,15

k_ρ= + + ₀ ⋅ ₀ (10)

Weichen die Temperatur der Kontrollvorrichtung tKV und die Zylinderphantom-Tempera- tur tzp voneinander ab (beide wie in Gl. 10 in Grad Celsius angegeben), so kann die Mess- anzeige im Phantom mit

) t 15 , 273 /(

) t 15 , 273 (

k_T = + _zp + _KV (11)

auf gleiche Temperatur wie in der Kontrollvorrichtung korrigiert werden. Das Produkt (kKV⋅kT) entspricht dann kρ. Die Dosisleistungskorrektur vom Messabstand 8 cm (Abstand Sondenmitte-Strahlerschwerpunkt im Zylinderphantom) auf den Referenzabstand 1m für die Kenndosisleistung wird nach dem Abstandsquadratgesetz berechnet.

0064 , 0 ) 100 / 8 (

k_r = ² = (12)

Die letzte Korrektion kzp berücksichtigt die Anwesenheit des absorbierenden und streuen- den Zylinderphantoms anstelle des Umgebungsmediums Luft. Dieser Korrekturfaktor wurde experimentell ermittelt (Krieger 1988, Krieger 1991). Er enthält zudem die Volu- menkorrektion⁴ für die Kompaktkammer M23332 im Abstand 8 cm. Sein Wert ist

4 Bei der Verwendung anderer Kompaktkammern "i" ist der kzp-Faktor mit dem Displacementfaktorverhältnis kV,i/kV,M23332 zu korrigieren.

012 , 0 187 , 1

k_zp = ± (13)

Die verwendeten Kalibrier-, Umrechnungs- und bisher nicht erwähnten Kammer-Korrek- tionsfaktoren hängen von der Kalibrierungsart des Dosimeters ab. Die drei wichtigsten Kammer-Kalibrierungen sind Standardionendosis-in-Luft, Wasserenergiedosis und Luft- kerma-in-Luft. Für diese Kalibrierarten werden die Umrechnungen im Folgenden explizit ausgeführt.

Umrechnung der Messanzeige für Standardionendosis-Kalibrierung:

M N k k k k k k e k

w g

1 ) 1 K

( _{RC ap zp r Q X}

a a

100 ,

a ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅



 



⋅



 





= − _{τ ρ}

& (14)

Umrechnung der Messanzeige für Wasserenergiedosis-Kalibrierung:

M N k k k k k k t / g 1 1 ) 1 K

( ^en_{w,a wp zp r Q W}

w a

100 ,

a ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅



 





= − _{τ ρ}

& (15)

Umrechnung der Messanzeige für Luftkerma-in-Luft-Kalibrierung:

M N k k k k k k ) K

(&_{a,100 a} = _ap⋅ _zp⋅ _τ⋅ _ρ⋅ _r⋅ _Q⋅ _K⋅ (16)

Die Variablen in den Gleichungen (12 bis 16) haben folgende Bedeutungen:

M Korrigierte Messanzeige im Zylinderphantom nach Gl. (7) (Digits/h) k_τ Messzeitkorrektur von der Messzeit τ auf 60 min

kKV Klima- und Verstärkungskorrektion mit Hilfe der radioaktiven Kontrollvorrich- tung, alternativ dazu kρ verwenden

kT Korrektion für unterschiedliche Temperatur von Zylinderphantom und Kontroll- vorrichtung

k_ρ Korrektion für die Luftdichte (p,T-Korrektur: k_ρ = (p0T)/(pT0) mit p0 = 1013 hPa, und T0 = 273,15 K), kann auch mit Hilfe einer radioaktiven Kontrollvor- richtung (KV) ermittelt werden.

kr Abstandskorrektur nach Gl. (12) 0.0064

kzp Geometriefaktor für Zylinderphantom nach Gl. (13) = 1,187

Nx Kalibrierfaktor für Standardionendosis für 60-Co-Strahlung nach Herstellerzerti- fikat (R/Digit)

Nw Kalibrierfaktor für Wasserenergiedosis für 60-Co-Strahlung (mGy/Digit) NK Kalibrierfaktor für Luftkerma in Luft für 60-Co-Strahlung (mGy/Digit)

kQ Korrektionsfaktor für die von 60-Co abweichende Strahlungsqualität, dem Her- stellerzertifikat zu entnehmen (ggf. durch Interpolation des Kalibrierfaktors von 60-Co und der höchsten Röntgenstrahlungsqualität). Bei modernen Kompakt- kammern ist die Strahlungsqualitätsabhängigkeit so gering, dass kQ=1 verwendet werden kann. Die energiedosis-gewichtete mittlere Photonenenergie von 192-Ir beträgt etwa 380-400 keV.

kap Feldstörungskorrektur (perturbation-factor) beim Übergang von Luftumgebung zu Plexiglas. Für zylindrische Kompaktkammern mit PMMA-Wänden und In- nengrafitierung gilt nach DIN 6809-2 in guter Näherung der Zahlenwert ≈1,0 kwp Feldstörungskorrektion beim Übergang von Wasser in PMMA ≈1.0

W/e mittlere absorbierte Energie zur Erzeugung eines Ionenpaares in trockener Luft dividiert durch die Elementarladung = 33,97 V ⋅

ga relative Bremstrahlungsverluste in Luft für 192-Ir-Strahlung (Bruchteil der kine- tischen Anfangsenergien der Sekundärteilchen, die in Luft in Bremsstrahlung umgewandelt wird). Wert für 192-Ir-Gammastrahlung: ga = 0,001

gw relative Bremsstrahlungsverluste in Wasser für 192-Ir Wert = 0,001 kRC Umrechnungsfaktor 1 Röntgen/(1 Coulomb/kg) = 2,58⋅10^-4

en

t wa Verhältnis der über die Energieverteilung am Messort gemittelten Massenener- gieabsorptionskoeffizienten von Wasser und Luft für 192-Ir-Gammastrahlung (t =(µ^en_wa en/ρ)w/(µen/ρ)a = 1,111)

2.4 Berechnung der Wasserenergie-Referenzdosisleistung im PMMA-Zy- linderphantom aus der Kenndosisleistung des 192-Ir-HDR-After- loadingstrahlers

Die Referenzdosisleistung berechnet man unabhängig von der jeweiligen Kalibrierungsart des Dosimeters am besten direkt aus der gemessenen und nach den Gleichungen (14-16) berechneten Kenndosisleistung (Luftkermaleistung). Da für die Referenzdosisleistung die absorbierte Energie benötigt wird, muss der Bremstrahlungsverlust der Sekundärteilchen berücksichtigt werden. Die Kerma muss zudem vom Medium Luft auf Wasser umgerech- net werden. Der Abstand muss von 1 m auf 8 cm korrigiert und der Zylinderphantomfaktor wieder heraus gerechnet werden. Für die Zylinderphantom-Wasserenergiedosisleistung (in mGy/h) in 8 cm Entfernung vom Strahler erhält man mit den oben aufgeführten Symbolen und Einheiten

a 100 , a zp r en wa w zp

,

w (1 g ) t 1/k 1/k (K )

D& = − ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ & (17)

Mit den Zahlenwerten der einzelnen Faktoren aus der obigen Tabelle und der zusätzlichen Umrechnung in (cGy/min) erhält man dann die Wasser-Referenzdosisleistung zu

) m 1

; h / mGy ( ) K ( 2435 , 0 ) cm 8 min;

/ cGy (

D&_w,zp = ⋅ &_{a,100 a} (18)

2.5 Beitrag der Sekundärelektronenkontamination zur Messanzeige bei Frei-Luft-Messungen mit Kompaktkammern an 192-Ir-HDR-Strah- lern

Sekundärelektronen entstehen bei der Wechselwirkung des primären Strahlungsfeldes von Iridiumstrahlern vor allem mit dichten Materialien wie Strahler, Applikator und Halterun- gen oder sonstigen Strukturteilen des Messaufbaus. In der Literatur wird deshalb unter- stellt, dass diese Elektronen das Strahlungsfeld besonders im Nahbereich um den Strahler kontaminieren. Der durch Sekundärelektronen aus dem Strahler und dem Applikator bei Frei-Luft-Messungen erzeugte relative Sekundärelektronen-Dosisleistungsbeitrag zum Strahlungsfeld ist wegen der Abbremsung der Elektronen in der Luftschicht zwischen Strahler und Sonde entfernungsabhängig. Bei einer Vergrößerung des Messabstandes

nimmt daher der relative Elektronenbeitrag entsprechend der individuellen Reichweite der Sekundärelektronen ab. Im Kammerwandmaterial der Messsonden verlieren die Sekundär- elektronen zwar einen Anteil ihrer Energie, die Wandstärken von handelsüblichen Kom- paktkammern reichen zur vollständigen Abbremsung der Sekundärelektronen allerdings in der Regel nicht aus. Da zudem das auch vom Messaufbau abhängige Sekundärelektronen- spektrum nicht bekannt ist und somit keine verlässlichen theoretischen Aussagen über die Reichweiten gemacht werden können, muss der relative Sekundärelektronenbeitrag expe- rimentell ermittelt werden. Entstehen Sekundärelektronen ausschließlich in den genannten schweren strahlernahen Materialien, so lassen sich Dosisbeiträge durch Sekundärelektro- nen zum Messsignal prinzipiell durch große Messabstände vermeiden, die wegen der un- günstigen Nutzstrahlungs-Streustrahlungs-Verhältnisse und wegen des Anzeigebereiches der Dosimeter allerdings nicht beliebig groß gewählt werden können.

Zur Verminderung der Sekundärelektronenbeiträge zum Messsignal können die verwende- ten Kompaktkammern mit so genannten Aufbaukappen versehen werden, deren Stärke ausreicht, Sekundärelektronen mit der maximal zu erwartenden Energie abzubremsen. Sol- che Aufbaukappen stehen kommerziell zur Verfügung. Eine einfache theoretische Ab- schätzung zeigt, dass die üblichen 60-Co-Aufbaukappen bereits ausreichende Wandstärken zur Abbremsung von Sekundärelektronen aus 192-Ir-Gammastrahlung aufweisen. Aller- dings schwächen sie auch das Feld der primären Photonen. Messanzeigen mit Aufbaukap- pen müssen deshalb mit entsprechenden Korrekturfaktoren versehen werden.

Abb. 2.2: Verhältnis der Frei-Luft-Messwerte ohne und mit PMMA-60-Co-Aufbaukappe Mohne/Mmit als Funktion des Abstandes r zwischen Strahler und Sonde für einen punktförmigen 192-Ir-HDR-Strahler, gemessen mit einer 0,3 cm³ Kompakt- kammer (Typ M23232, nach Krieger, priv. Mitteilung)

Zur Überprüfung der relativen Sekundärelektronenbeiträge zum Messsignal kann das Ver- hältnis der Messwerte ohne und mit Aufbaukappe für zunehmende Abstände Strahler- Sonde untersucht werden. Wenn Sekundärelektronenbeiträge nur im Nahbereich um die

1,000 1,010 1,020 1,030 1,040 1,050

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Abstand r(cm) Mohne/Mmit

Strahler existieren, muss dieses Verhältnis für größere Messabstände einen Sättigungswert erreichen, der der Schwächung des primären Strahlungsfeldes entspricht. Berechnungen und Messungen verschiedener Autoren (Goetsch et al. 1991, Pychlau 1991) mit zuneh- menden Wandstärken der Aufbaukappen zeigen, dass bei 192-Ir für 60-Co-Aufbaukappen mit einem Schwächungswert zwischen etwa 0,4% (Graphit) und 0,5% (Plexiglas) zu rech- nen ist.

Der in Abbildung 2.2 dargestellte Verlauf des Anzeigeverhältnisses Mohne/Mmit zeigt tat- sächlich andeutungsweise ein Sättigungsverhalten. Die Sättigung ist allerdings selbst bei Abständen von 70 cm noch nicht erreicht. Darüber hinaus ist der Sättigungswert deutlich höher als die für PMMA erwarteten 0,5% (entsprechend einem Anzeige-Verhältniswert von 1,005). Dies bedeutet, dass - die Richtigkeit der Schwächungsberechnungen für die Aufbaukappe unterstellt - ähnlich wie bei der Streustrahlung auch ein ortsunabhängiges Sekundärelektronenfeld existiert, das selbst bei für Frei-Luft-Messungen wegen der in der Regel geringeren Abstandsfehler günstigen Entfernungen zwischen 10 und 30 cm nicht unerheblich zum Messsignal beiträgt. Die Anzahl dieser Sekundärelektronen ist nicht nur entfernungsunabhängig, sondern hängt auch vom individuellen Aufbau ab. Es gibt daher keine einfachen experimentellen Verfahren für den dosimetrischen Alltag, um diese indi- viduellen Sekundärelektronenbeiträge zu bestimmen und deshalb Frei-Luft-Messungen ohne Aufbaukappe durchzuführen zu können.

Zur Bestimmung der Aufbaukappenschwächung des Nutzstrahlenfeldes ist man daher auf die theoretisch berechneten Schwächungskoeffizienten oder auf die experimentellen Schwächungsexperimente mit zunehmender Aufbaukappenstärke (Pychlau 1991, Goetsch et al. 1991) angewiesen. Für die 60-Co-Aufbaukappe beträgt der Schwächungsfaktor 0,5%, der entsprechende Korrekturfaktor hat also den Wert kAK = 1,005.

2.6 Bestimmung des Raumstreubeitrages und des systematischen Entfer- nungsfehlers bei Frei-Luft-Messungen mit Kompaktionisationskam- mern

Neben der Problematik der Sekundärelektronenbeiträge müssen bei Frei-Luft-Messungen auch eventuelle Photonen-Streubeiträge (Raumstreuung) und systematische Abstandsfehler Sonde-Strahler berücksichtigt werden. Das im Folgenden beschriebene experimentelle Verfahren erlaubt die simultane Bestimmung dieser beiden Einflüsse aus Frei-Luft- Messergebnissen für unterschiedliche Entfernungen zwischen Messsonde und Strahler.

Wie oben schon ausgeführt (s. a. Kap. 1.1.1), ist vor allem der isotrope orts- und abstands- unabhängige Photonen-Raumstreubeitrag S zu berücksichtigen, der aus der Wechselwir- kung des 192-Ir-Strahlungsfeldes mit den Wänden des Bestrahlungsraumes und sonstigen festen Aufbauten entsteht. Dieser Streubeitrag ist selbstverständlich proportional zur Kenndosisleistung des untersuchten Strahlers, stellt bei gegebener Aktivität bzw. Kenndo- sisleistung eines Afterloadingstrahlers aber einen konstanten Beitrag zum Messsignal dar.

Bei geringen Entfernungen zwischen Strahler und Sonde fällt dieser Beitrag unter realisti- schen Bedingungen kaum ins Gewicht. Bei größeren Entfernungen, die zum Erreichen eines geringen relativen Abstandsfehlers besonders günstig sind, kann der Raumstreubei- trag aber im Allgemeinen nicht vernachlässigt werden.

Das abstandsabhängige Messsignal Mexp(rexp) setzt sich also aus dem abstandsabhängigen Anteil des primären Strahlungsfeldes des Strahlers M0(rexp) und einem konstanten additi- ven Raumstreubeitrag S zusammen.

Mexp(rexp) = M0(rexp) + S (19) Die zweite systematische Fehlerquelle bei solchen Frei-Luft-Messungen tritt bei der Ab- standsbestimmung zwischen Strahler und Messsonde auf, die z. B. aus mangelnder Kennt- nis der Strahlerposition im Applikator oder dem unbekanntem Bezugspunkt der Sonde entstehen kann. Bezeichnet man die systematische Abweichung der experimentellen Mess- entfernung rexp von der "wahren" Entfernung r0 mit c, so erhält man:

r0 = rexp +c (20)

Der "wahre" Messwert ohne Streubeitrag in der "wahren" Entfernung r0 Sonde-Strahler soll als M0(r0) bezeichnet werden. Die strenge Gültigkeit des Abstandsquadratgesetzes für die Dosisleistung im primären Strahlungsfeld vorausgesetzt (dies bedeutet rexp >> Strahler- länge) erhält man dann folgendes Gleichungssystem für die Beziehung zwischen gemesse- nen und "wahren" Größen:

M0(r0) ⋅ (r0)² = (Mexp(rexp) – S) ⋅ (rexp+c)² = b (21)

Abb. 2.3: Reziproke Wurzeldarstellung der Messanzeigen einer Ionisationssonde bei Frei- Luft-Messungen im Strahlungsfeld eines punktförmigen HDR-192-Ir-Strahlers als Funktion des Abstandes rexp Strahler-Sonde. Die obere Gerade ("M0") stellt eine lineare Anpassung an die Messwerte bis 20 cm Entfernung dar, die untere Kurve ("Mexp") ist lediglich die Verbindungslinie der einzelnen experimentellen Messwerte. Der systematische Ortsfehler c beträgt in dieser Grafik c= -0,5 cm, der Streubeitrag S entspricht 30% des Messwertes bei 40 cm. Sowohl Entfer- nungsfehler c als auch Streubeitrag S wurden in diesem Beispiel aus Darstel- lungsgründen übertrieben groß gewählt. Die eingezeichneten Fehlerbalken be- tragen je 5% der Messwerte.