Flattening filter free beams in SBRT and IMRT: Dosimetric assessment of peripheral doses

PurposeRecently, there has been a growing interest in operating medical linear accelerators without a flattening filter. Due to reduced scatter, leaf transmission and radiation head leakage a reduction of out-of-field dose is expected for flattening filter free beams. The aim of the present study was to determine the impact of unflattened beams on peripheral dose for advanced treatment techniques with a large number of MUs.Material and methodsAn Elekta Precise linac was modified to provide 6 and 10 MV photon beams without a flattening filter. Basic beam data were collected and implemented into the TPS Oncentra Masterplan (Nucletron). Leakage radiation, which predominantly contributes to peripheral dose at larger distances from the field edge, was measured using a Farmer type ionisation chamber. SBRT (lung) and IMRT (prostate, head&neck) treatment plans were generated for 6 and 10 MV for both flattened and unflattened beams. All treatment plans were delivered to the relevant anatomic region of an anthropomorphic phantom which was extended by a solid water slab phantom. Dosimetric measurements were performed with TLD-700 rods, radiochromic films and a Farmer type ionisation chamber. The detectors were placed within the slab phantom and positioned along the isocentric longitudinal axis.ResultsUsing unflattened beams results in a reduction of treatment head leakage by 52% for 6 and 65% for 10 MV. Thus, peripheral doses were in general smaller for treatment plans calculated with unflattened beams. At about 20 cm distance from the field edge the dose was on average reduced by 23 and 31% for the 6 and 10 MV SBRT plans. For the IMRT plans (10 MV) the average reduction was 16% for the prostate and 18% for the head&neck case, respectively. For all examined cases, the relative deviation between peripheral doses of flattened and unflattened beams was found to increase with increasing distance from the field.ConclusionsRemoving the flattening filter lead to reduced peripheral doses for advanced treatment techniques. The relative difference between peripheral doses of flattened and unflattened beams was more pronounced when the nominal beam energy was increased. Patients may benefit by decreased exposure of normal tissue to scattered dose outside the field.

ZusammenfassungZielDas Betreiben medizinischer Linearbeschleuniger ohne Ausgleichsfilter gewinnt zunehmend an Bedeutung. Ein Argument für den Einsatz ausgleichsfilterfreier Photonenstrahlen ist die geringere periphere Dosis, die aus der Verringerung von Streustrahlung, Transmission und Strahlerkopf-Leakage resultiert. Das Ziel dieser Studie ist die Quantifizierung des Einflusses von ausgleichsfilterfreien Strahlen auf die Dosis außerhalb des Zielgebietes für SBRT und IMRT.Material und MethodenEin Linearbeschleuniger (Elekta Precise) wurde für den Betrieb von 6 und 10 MV Photonenstrahlen ohne Ausgleichsfilter modifiziert. Die entsprechenden Basisdaten wurden erhoben und in das Bestrahlungsplanungssystem Oncentra Masterplan (Nucletron) implementiert. Strahlerkopf-Leakage, welche mit zunehmendem Abstand von der Feldgrenze am stärksten zur peripheren Dosis beiträgt, wurde mithilfe einer Ionisationskammer bestimmt. SBRT- (Lunge) und IMRT- (Prostata, HNO) Pläne wurden für Strahlen mit und ohne Ausgleichsfilter und mit nominellen Energien von 6 und 10 MV erstellt. Die Pläne wurden auf die jeweilige Region eines anthropomorphen Phantoms appliziert, welches um ein Phantom bestehend aus wasseräquivalenten Platten erweitert wurde. Für die Messungen wurden TLDs, radiochromische Filme und eine Ionisationskammer herangezogen. Die Detektoren wurden im Plattenphantom entlang der longitudinalen Isozentrumsachse positioniert.ErgebnisseDurch den Gebrauch ausgleichsfilterfreier Strahlen wurde die Leakage-Strahlung um 52% für 6 und um 65% für 10 MV reduziert. Die periphere Dosis war im Allgemeinen niedriger für ausgleichsfilterfreie Strahlen. In einem Abstand von etwa 20 cm zum Strahlenfeld betrug die mittlere Reduktion der Dosis 23% (6 MV) und 31% (10 MV) für die SBRT-Pläne sowie 16% für Prostata- und 18% für HNO-IMRT (jeweils 10 MV). Bei allen Plänen zeigte sich mit zunehmendem Abstand vom Rand des Bestrahlungsfeldes ein Anstieg des relativen Unterschiedes zwischen der peripheren Dosis von konventionellen und ausgleichsfilterfreien Strahlen.SchlussfolgerungenDie Anwendung ausgleichsfilterfreier Strahlen im Rahmen moderner Bestrahlungstechniken führte zu einer Verringerung der peripheren Dosis. Das Erhöhen der nominellen Strahlenergie ergab einen größeren relativen Unterschied zwischen der peripheren Dosis von konventionellen und ausgleichsfilterfreien Strahlen. Die reduzierte Niedrigdosisexposition des Normalgewebes könnte bei der Behandlung von Patienten von Vorteil sein.