Impact of a flattening filter free linear accelerator on structural shielding design

PurposeThe present study aimed to assess the effects of a flattening filter free medical accelerator on structural shielding demands of a treatment vault of a medical linear accelerator. We tried to answer the question, to what extent the required thickness of the shielding barriers can be reduced if instead of the standard flattened photon beams unflattened ones are used.Material and MethodsWe chose both an experimental as well as a theoretical approach. On the one hand we measured photon dose rates at protected places outside the treatment room and compared the obtained results for flattened and unflattened beams. On the other hand we complied with international guidelines for adequate treatment vault design and calculated the shielding barriers according to the therein given specifications. Measurements were performed with an Elekta Precise™ linac providing nominal photon energies of 6 and 10 MV. This machine underwent already earlier some modifications in order to be able to operate both with and without a flattening filter. Photon dose rates were measured with a LB133-1 dose rate meter manufactured by Berthold. To calculate the thickness of shielding barriers we referred to the Austrian standard ÖNORM S 5216 and to the US American NCRP Report No. 151.ResultsWe determined a substantial photon dose rate reduction for all measurement points and photon energies. For unflattened 6 MV beams a reduction factor ranging from 1.4 to 1.8 was identified. The corresponding values for unflattened 10 MV beams were 2.1 and 3.2. The performed shielding calculations indicated the same tendency: For all relevant radiation components we found a reduction in shielding thickness when unflattened beams were used. The required thickness of primary barriers was reduced up to 8.0%, the thickness of secondary barriers up to 11.4%, respectively.ConclusionsFor an adequate dimensioning of treatment vault shielding barriers it is by no means irrelevant if the accommodated linac operates with or without a flattening filter. The lower consumption of shielding space and material for new treatment vaults housing a FFF machine may reduce building costs, whereas for existing vaults one might benefit in terms of increased weekly workload. Also a more frequent use of monitor unit intense treatment techniques as well as aiming at reduced occupational exposure for staff is conceivable.

ZusammenfassungZielZiel der vorliegenden Arbeit war die Evaluierung der Auswirkungen des Betriebs eines ausgleichsfilterfreien medizinischen Linearbeschleunigers auf den baulichen Strahlenschutz. Insbesondere sollte der Frage nachgegangen werden, inwieweit eine Reduktion der für den Bestrahlungsbunker erforderlichen Wandstärken im Vergleich zu Photonenstrahlung mit Ausgleichsfilter möglich ist.Material und MethodenZur Beantwortung dieser Fragestellung wurde sowohl ein experimenteller als auch ein theoretischer Ansatz gewählt. Einerseits wurden vergleichende Messungen von Ortsdosisleistungen an abzuschirmenden Aufenthaltsplätzen außerhalb des Bestrahlungsraumes für Photonenstrahlen mit und ohne Ausgleichsfilter durchgeführt. Andererseits wurde anhand internationaler Richtlinien der Einfluss der Applikation ausgleichsfilterfreier Strahlung auf den baulichen Strahlenschutz rein rechentechnisch untersucht. Zur Verwendung kam ein mit Photonenenergien von 6 und 10 MV ausgestatteter medizinischer Linearbeschleuniger des Typs Elekta Precise™. Dieser wurde bereits im Vorfeld für den experimentellen Betrieb ohne Ausgleichsfilter modifiziert. Die Ortsdosisleistungen wurden mit dem Dosisleistungsmessgerät LB133-1 der Firma Berthold erhoben. Zur Berechnung der Abschirmdicken wurden die ÖNORM S 5216 und der US-amerikanische NCRP Report No. 151 herangezogen.ErgebnisseDurch die Verwendung ausgleichsfilterfreier Strahlen konnte eine erhebliche Reduktion der mittleren Ortsdosisleistungen für alle Messorte und Photonenenergien beobachtet werden. Für 6 MV Strahlen ohne Ausgleichsfilter wurde ein Reduktionsfaktor zwischen 1,4 und 1,8 ermittelt. Für 10 MV ausgleichsfilterfreie Strahlung lag der entsprechende Faktor zwischen 2,1 und 3,2. Die durchgeführten Berechnungen wiesen dasselbe Verhalten auf: Für alle die Bemessung des baulichen Strahlenschutzes maßgeblich beeinflussenden Strahlungskomponenten konnte eine Verringerung der erforderlichen Abschirmdicken berechnet werden. Die Dicke von primären Abschirmwänden könnte demnach um bis zu 8,0% verringert werden, die Dicke von sekundären Abschirmwänden um bis zu 11,4%.SchlussfolgerungenFür eine adäquate Dimensionierung eines Strahlenschutzbunkers für einen medizinischen Linearbeschleuniger ist es keineswegs irrelevant, ob die Anlage mit oder ohne Ausgleichsfilter betrieben wird. Unsere Resultate zeigen, dass ausgleichsfilterfreie Geräte vergleichsweise weit weniger Abschirmmaterial benötigen als mit Ausgleichsfilter betriebene Maschinen. Durch den reduzierten Material- und Platzbedarf ist für neu zu errichtende Bunker eine Kostenersparnis denkbar. Bereits bestehende Bunker könnten in Form von erhöhter wöchentlicher Betriebsbelastung, vermehrtem Anwenden monitoreinheitenintensiver Techniken oder reduzierten effektiven Dosen beim beruflich strahlenexponierten Personal profitieren.