Designing an analysis tool for film based dosimetry and applications - Evaluation of breast cancer treatment plans in external radiotherapy, using GafChromic EBT3 film and a flat-bed scanner

Abstract

Filmdosimetri ved bruk av radiokromisk EBT3 film og en transmisjonsskanner av type flat-bed CCD viser en ikke-uniform skanner-avlesning, som kan korrigeres ved hjelp av en absolutt korreksjonsmatrise som er uavhengig av dosenivå. Det ble også forsøkt å bruke radiokromisk XR-QA2 film, men denne må undersøkes mer før den kan tas i bruk på klinikken. Spesielt energiavhengigheten til radiokromisk XR-QA2 film må undersøkes nærmere. Et Python-program, døpt FIDORA, ble utviklet for å fungere som et filmdosimetri-verktøy, sammen med radiokromisk film og en Epson v750 Pro skanner av type flat-bed. FIDORA utfører en korreksjon av den ikke-uniforme skanner-avlesningen og korrigerer for alle tre fargekanaler i landskapsmodus. FIDORA gir muligheten til å etablere kalibreringskurver basert på filmer som er bestrålt med en referansedose, og aksepterer flere skannede bilder av den samme referansedosen. En kan dermed bruke den gjennomsnittlige skanner-avlesningen for å minimere effekten av skann-til-skann variasjoner. Andre funksjonaliteter som finnes i FIDORA er muligheten til å kartlegge dosen i en skannet film og evaluere profiler for et gitt område, ved bruk av en valgfri kalibreringskurve som er lagret i FIDORA. Profil-funksjonaliteten i FIDORA muliggjør en sammenligning av filmmålinger og doseplan-beregningene gjort i RayStation 8B, som er behandlingsplanleggingssystemet brukt ved St. Olavs Hospital. Basert på behandlingsplanene som ble undersøkt i dette prosjektet viser FIDORA seg å være et pålitelig filmdosimetri-verktøy som kan anvendes i undersøkelsen av områder hvor en ønsker å validere den beregnede dosen i behandlingsplanleggingssystemet.

FIDORA ble anvendt til å undersøke oppbyggingsdosen i målbrystet og dosen til motsatt bryst. Oppbyggingsdistansen i målbrystet ble målt fra inngangsdosen ved hudens overflate, til dosen nådde 90% av måldosen. Dette resulterte i en asymmetrisk oppbyggingsdistanse ved det mediale og laterale segmentet av målbrystet, noe som potensielt kan resultere i mer hudskade i det laterale segmentet av brystet. Dosen fra 15 fraksjoner til motsatt bryst ble målt ved radiokromisk EBT3 film, og resulterte i en jevnt over høyere dose enn det som ble beregnet i doseplanene med 90° kollimatorvinkel, med unntak av en veldig høy inngangsdose som ble observert ved det mediale segmentet i doseplanen og ikke i filmmålingene. Denne forskjellen mellom målt og beregnet dose ble imidlertid ikke funnet for en behandlingsplan med 0° kollimatorvinkel. Denne planen viste en langt bedre overensstemmelse mellom de målte og beregnede dosene, med unntak av den høye inngangsdosen som ble observert ved det mediale segmentet i doseplanen. Dette indikerer muligens at lineærakselerator-modellen som brukes i RayStation ikke er like pålitelig utenfor feltet som er definert av Y-blenderne. Behandlingsplanene i dette prosjektet som brukte en kollimatorvinkel lik 90° hadde et potensiale til å redusere dosen som ble gitt til det motsatte brystet. Denne besparende effekten viste seg dog å være mindre enn antatt. Istedenfor ble det observert en betydelig besparende effekt i dosen som ble gitt til motsatt bryst i en filter-fri VMAT behandlingsplan. Denne planen viste seg å redusere dosen til motsatt bryst ved minst 38%, sammenlignet med en tangentiell field-in-field plan.

This study has shown that the nonuniformity effect along the detector array in radiochromic film dosimetry using a CCD-based flat-bed scanner, can be properly corrected for using one absolute correction matrix independent of dose level, as shown for GafChromic EBT3 film. However, more investigations towards characterising the GafChromic XR-QA2 must be done before it can be used in the clinic. Especially the energy dependence of the XRQA2 film should be studied in more detail. A Python program named FIDORA was developed to perform various analysis associated with film dosimetry, using GafChromic film and an Epson v750 Pro flat-bed scanner. FIDORA performs a correction of the nonuniform read-out of the scanner and corrects for all three color channels in land-scape mode. FIDORA provides the opportunity to establish calibration curves based on films irradiated to reference doses, and can accept multiple images irradiated at the same reference dose, and use the average in order to reduce the influence of the scan-to-scan variation. Other functionalities offered by FIDORA is to map the dose in a scanned image, as well as evaluation of profiles for a given region of interest, using a calibration of choice. The profiles functionality in FIDORA enables the comparison of a film measurement with the dose plan matrix that is calculated in RayStation 8B, the treatment planning system used in St. Olavs Hospital. Based on the investigation of several treatment plans, FIDORA poses as a good film-based dosimetry tool and can be applied to various regions where one is interested in validating the calculated dose in the treatment planning system.

FIDORA was applied to investigate the build-up dose to the target breast, as well as the dose to the contralateral breast (CLB). The build-up distance in the target breast, measured from the entrance dose to 90% of the target dose, resulted in a slightly asymmetrical film measure of the medial and lateral segment of the breast for all treatment plans, yielding less lateral skin sparing. The dose from 15 fractions in the CLB, measured with GafChromic EBT3 film, resulted in an overall higher measured dose in the 90° collimator angle plans than what was calculated in the dose plan, with the only exception being a very high entrance dose observed in the dose plan at medial incidence. An evaluated treatment plan employing a 0° collimator angle demonstrated an all over better correspondence between the calculated and measured dose than what was seen in the 90° collimator angle plans, but also showed a very high entrance dose in the dose plan at medial incidence that was not found in the film measurement. These findings might indicate that the linear accelerator model in RayStation is not as reliable outside the fields limited by the (lower) jaws. Evaluating the treatment plans investigated in this project, the potential reduction in dose to the CLB using a collimator angle of 90° demonstrated little sparing effect to the CLB. Instead, a sparing effect to the CLB was found through the use of a filter-free VMAT treatment plan. This plan offered at worst a 38% reduction in dose to the center of the CLB compared to a tangential field-in-field plan.