Technische MitteilungCollimator optimization for small animal radiation therapy at a micro-CTOptimierung der Kollimatoren für die Kleintier-Strahlentherapie an einem Mikro-CT

PurposeIn radiation therapy of small animals treatment depths range from a few millimetres to several centimetres. In order to spare surrounding organs at risk steep dose gradients are necessary. To minimize the treatment time, and therefore the strain to the animals, a high dose rate is required. A description how these parameters can be optimized through an appropriate choice of collimators with different source surface distances (SSD) as well as different materials and geometries is presented.Material and methodsAn industrial micro-CT unit (Y.Fox, YXLON GmbH, Hamburg, Germany) was converted into a precision irradiator for small animals. Different collimators of either stainless steel (Fe) with cylindrical bores (SSD = 42 mm) or tungsten (W) with conical bores (SSD = 14 mm) were evaluated. The dosimetry of very small radiation fields presents a challenge and was performed with GafChromic EBT3 films (Ashland, Vayne, KY, USA) in a water phantom. The films were calibrated with an ionization chamber in the uncollimated field. Treatments were performed via a rotation of the objects with a fixed radiation source.ResultsAs expected, the shorter SSD of the W-collimators resulted in a (4.5 ± 1.6)-fold increase of the dose rates compared to the corresponding Fe-collimators. The ratios of the dose rates at 1 mm and 10 mm depth in the water phantom was (2.6 ± 0.2) for the Fe- and (4.5 ± 0.1) for the W-collimators. For rotational treatments in a cylindrical plastic phantom maximum dose rates of up to 1.2 Gy/min for Fe- and 5.1 Gy/min for W-collimators were measured.ConclusionChoosing the smallest possible SSD leads to a high dose rate and a high surface dose, which is of advantage for the treatment of superficial target volumes. For larger SSD the dose rate is lower and the depth dose curve is shallower. This leads to a reduction of the surface dose and is best suited for treatments of deeper seated target volumes. Divergent collimator bores have, due to the reduced scatter within the collimators, a steeper penumbra. The dosimetry of small kilovoltage beams with Gafchromic EBT3 films in a water phantom has proven successful.

ZusammenfassungZielZur Strahlenbehandlung kleiner Labortiere sind Behandlungstiefen von wenigen Millimetern bis zu mehreren Zentimetern erforderlich. Zur Schonung der umgebenden Risikoorgane sind steile Dosisgradienten nötig. Um die Behandlungsdauer und damit die Belastung der Tiere zu minimieren, ist eine ausreichend hohe Dosisleistung erforderlich. Nachfolgend wird beschrieben, wie durch eine geeignete Auswahl von Kollimatoren mit unterschiedlichen Quell-Oberflächen-Abständen (SSD) sowie unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Geometrien diese Parameter optimiert werden können.Material und MethodenEin industrielles Mikro-CT (Y. Fox, YXLON GmbH, Hamburg, Deutschland) wurde zu einem Präzisions-Bestrahlungsgerät für kleine Labortiere umgebaut. Es wurden verschiedene Kollimatoren aus Edelstahl (Fe) mit zylindrischen Bohrungen (SSD = 42 mm) sowie solche aus Wolfram (W) mit divergenten konischen Bohrungen (SSD = 14 mm) untersucht. Die Dosimetrie sehr kleiner Strahlenfelder ist eine Herausforderung und wurde mit GafChromic EBT3 Filmen (Ashland, Vayne, KY, USA) in einem Wasserphantom durchgeführt. Die Filme wurden mit einer Ionisationskammermessung im unkollimierten Feld kalibriert. Strahlenbehandlungen wurden durch Rotation der Objekte bei fixierter Röntgenröhre durchgeführt.ErgebnisseWie zu erwarten, führt der kürzere SSD der W-Kollimatoren im Vergleich mit den entsprechenden Fe-Kollimatoren zu einem (4,5 ± 1,6)-fachen Anstieg der Dosisleistung. Das Verhältnis der Dosisleistungen in 1 mm und 10 mm Tiefe im Wasserphantom war (2,6 ± 0,2) für die Fe- und (4,5 ± 0,1) für die W-Kollimatoren. In einem zylindrischen Plastikphantom wurden bei Rotationsbestrahlungen Dosisleistungen von maximal 1,2 Gy/min für die Fe- und 5,1 Gy/min für die W-Kollimatoren gemessen.SchlussfolgerungenEin möglichst geringer SSD führt zu einer hohen Dosisleistung und einer erhöhten Oberflächendosis, was bei oberflächennahen Tumoren von Vorteil ist. Bei größeren SSD ist die Dosisleistung geringer und durch einen flacheren Verlauf der Tiefendosiskurve wird die Oberflächendosis reduziert, so dass diese bei tiefer gelegenen Tumoren eingesetzt werden sollten. Divergent gebohrte Kollimatoren haben aufgrund ihrer geringeren Streuung innerhalb des Kollimators einen schärferen Halbschatten als zylindrisch gebohrte Kollimatoren. Die Dosimetrie kleiner Felder mit GafChromic EBT3 Filmen in einem Wasserphantom hat sich bewährt.