Development and application of a dose verification tool using a small field model for TomoTherapy

Helical TomoTherapy® is a radiation delivery technique that uses the superposition of many small fields to precisely deliver the prescribed dose to the patient. This work presents a dose verification tool that can be used as part of a quality assurance program for a tomotherapy system. This tool is based on a small field model that takes into account the two main effects that influence the dose distribution in small fields: the extended shape of the radiation source and the loss of lateral charged particle equilibrium (CPE) within the field. The dose verification tool was implemented for simple beam configurations and used to study the influence of temporal beam parameter variations on the delivered dose. After comparing measured and calculated output factors (OFs) and dose profiles for different field configurations, it was found that they agree well to within the globally-defined gamma acceptance criteria of 2%/2mm. The study demonstrated that none of the studied systematic and random variations applied resulted in failed gamma scores using gamma acceptance criteria of 3%/3mm. The developed model implemented in the verification tool allows to evaluate the performance of devices applying narrow photon beams in the treatment delivery and, in particular, to evaluate the delivery performance of a tomotherapy unit.

ZusammenfassungHelical TomoTherapy® ist die Firmenbezeichnung einer Bestrahlungstechnik, die auf der Überlagerung vieler kleiner Strahlenfelder beruht, um die vorgeschriebene Dosis zur Behandlung einer Tumorerkrankung zu erreichen. In dieser Arbeit wird ein Dosis-Berechnungsmodell vorgestellt, das im Rahmen der Qualitätssicherung als eine Methode der Dosisverifikation an einer Tomotherapie-Anlage eingesetzt werden kann. Die Berechnungsmethode beruht auf einem Modell für kleine Felder, das die beiden wichtigsten Effekte der Dosisverteilung kleiner Felder in Betracht zieht: (1) die laterale Ausdehnung der Strahlenquelle und (2) das Fehlen des Sekundärelektronengleichgewichts senkrecht zur Strahlrichtung. Die Berechnungsmethode wurde für einfache Strahlkonfigurationen implementiert und eingesetzt, um bei der Tomotherapie den Einfluss von möglichen Änderungen von Kontrollparametern auf die Dosisverteilung studieren zu können. Durch Vergleich von gemessenen und berechneten Output-Faktoren (OFs) und Dosis-Profilen konnte innerhalb eines global definierten Akzeptanzkriteriums von 2%/2mm eine gute Übereinstimmung gezeigt werden. Die Untersuchungen der Parameter-Variationen ergaben, dass sich die als zufällig angenommenen Variationen während der Behandlung meist aufheben und dass keine der als möglicherweise systematisch auftretenden Variationen Abweichungen größer als 3%/3mm in der gesamten Behandlung ergaben. Das entwickelte Verifikationswerkzeug erlaubt die quantitative Bewertung der Leistung allgemein von Bestrahlungsgeräten, die dynamisch veränderte kleine Photonenfelder zur Behandlung von Tumoren einsetzen, und insbesondere die Bewertung der Lieferungsleistung einer Tomotherapie-Anlage.