3-d gamma knife dose distribution by normoxic gel dosimetry near tissue inhomogeneties

Abstract

ÖZETDOKU INHOMOJENITE YAKINLARINDA ÜÇ BOYUTLU GAMMAKNIFE DOZ DAGILIMININ NORMOKSIK JEL DOZIMETRE ILEINCELENMESIBu çalismadaki ana hedef Gamma Biçagi tedavisinde doku inhomojeniteleri yakinlarindaolusan doz dagilimini normoksik polimer jel fantomlar ile 3 boyutlu incelemektir. Jel fantomisinlanmasinin ardindan MR ile görüntülenmekte ve bu görüntülerin yeniden islenmesi ile hernoktadaki gerçek T2 degeri ile o noktaya verilen doz hesaplanmaktadir. Insan kafasinda yer alanyumusak doku-hava inhomojeniteleri yakinlarinda, elektron dengesi olusamamasi nedeniyle, tümkafa içi dokulari su esdegeri kabul eden tedavi planlama algoritmalari hatali doz dagilimiöngörebilmektedir. Bu problem fiziksel fantomlar ile simüle edildi. Birinci deneyde kulak içihava boslugu, diger deneyde ise sinüs hava boslugu yakinlarindaki bölgelere verilen dozlarin buhava bosluklarindan etkilenmeleri ve dagilimlari arastirilmistir. Kulak boslugunun çalisildigideneyde, cam balon içine hava bosluklarini temsil eden iki sise mantari uçlara yerlestirilmistir.Sinüslerin çalisildigi deneyde ise maksimal sinüslere benzesim yapacak boyutlarda bir mantar ilehomojen olmayan fantom olusturulmustur. Her iki deneyde de içi MAGIC polimer jel iledoldurulmus 16 cm çapindaki cam balonlar, homojen fantom olarak kullanilmistir. Her biri 100ml. hacimli plastik siselere doldurulmus jeller belirli dozlar ile isinlanarak doz-R2 kalibrasyonegrisi elde edilmistir. Deneylerde homojen ve homojen olmayan fantomlarda ayni koordinattakinoktala ra tek bir atislik doz verilmis ve olusan doz dagilim haritalari hesaplanmistir. Doz kalitekontrolü açisindan, Gamma Biçagi Planlama Sisteminin hesapladigi doz dagilimi ile deneyselsonuçlar karsilastirilmistir. Homojen fantom için gel dozimetrenin hesapladigi doz dagilimi ileGammaPlan'in hesapladigi doz dagilimi birbirleri ile uyum içindedir. Ancak homojen olmayanfantomda doz dagilimi uzaysal olarak farklidir ve degisik doz seviyeleri gözlemlenmistir.Yumusak doku-hava arayüzüne yakin bölgelerdeki dozun hizli azalmasi, bizleri GammaPlan'inbölgesel olarak fazla doz hesapladigi sonucuna götürmektedir. Kulak içi hava boslugu deneyindehomojen ve homojen olmayan fantomlarda olusan doz dagilimlarinda, aksiyel eksen Z=105 mmdüzleminde %50'lik izodoz egrilerinin çaplari X ekseni boyunca %35, Y ekseni boyunca % 1;yine koronal eksen Y=105 düzleminde ise X eksen boyunca %39 ve Z ekseni boyunca %5'lik farkgöstermistir. Paranosal Sinüs boslugu deneyinde ise homojen ve homojen olmayan fantomlardaZ=71, 75 ve 79 mm'lerde yer alan aksiyel düzlemlerde %50'lik izodoz egrilerinin X ve Y eksenleriboyuncaki çaplari sirasiyla %42 ve %47; %42 ve %60 ve de %52 ve %70'lik farklar göstermistir.GammaPlan'in bazi lezyonlarin arkasinda veya yakinlarindaki hava bosluklari yakininda olusan anidoz düsümünü hesaplayamamasi, gerçekte verilen dozun daha fazla olarak hesaplanmasina nedenolmaktadir. Bu da insan kafasinda doku inhomojeniteleri yakinlarindaki lezyonlara gerekendendenaz doz verilmesi dolayisiyla lezyon kontrolünü azaltabilmektedir.Anahtar Sözcükler: Polimer jel, Jel dozimetre, Doz dagilimi, Doku Inhomojenitesi, StereotaktikRadyo-cerrahi, Gamma Biçagi.

ABSTRACT3-D GAMMA KNIFE DOSE DISTRIBUTION BY NORMOXIC GELDOSIMETRY NEAR TISSUE INHOMOGENETIESThe primary goal in this study was to investigate the three dimensional dose distributions,near the areas of tissue inhomogeneities, in Gamma Knife Radiosurgery with the normoxicgel dosimetry. Following irradiation, when scanned in MR and post processing the MRimages, dose imparted to any particular point in the gel phantom can be calculated via thetrue T2 relaxation time at that point. In the neighborhood of air-tissue inhomogeneity inthe head, electronic disequilibrium can lead to errors in dose calculated with the treatmentplanning algorithms that presume the head as a homogeneous media. Two experimentswere designed to investigate the inhomogeneity effects in the Gamma Knife radiosurgery:one experiment simulating the volume near the auditory canal cavity and, the othersimulating the volume near the paranosal sinuses cavity. In the auditory canal cavityexperiment, an identical balloon of a diameter of 16 cm with two corks placed on each sideto represent the air cavities constitutes the inhomogeneous phantom. In the paranosalsinuses cavity experiment, a cylindrical cork is placed to represent the maximal sinuses. Inboth experiments, the homo geneous phantom is a spherical glass balloon filled withnormoxic polymer gel. For dose calibrations, 100 ml vials filled with the same gel areirradiated at predefined doses, and the R2 -dose calibration curve is extracted. Dosedistributions are the results of a single shot, by using all 201 Cobalt sources, delivered to aknown point in the phantoms. In the aspect of dosimetrical quality control, the GammaKnife planning system predicted dose distribution is compared with the experimentalresults. In the homogeneous phantoms, the gel dosimetry calculated dose distribution is ingood agreement with the GammaPlan predicted dose distribution. However, in the case ofinhomogeneous phantoms, the dose distribution is spatially different and significantdifferences in dose levels are observed. The dose decrease near the air-tissue interfacecauses the overshooting of the dose by the GammaPlan. This underdosing effect can beessential for the lesions near tissue inhomogeneities. In the auditory canal cavityexperiment, the diameter of the 50% isodose curves differ by 35% in the X axis and 1% inthe Y axis for Z=105 mm axial plane; and by 39% in the X axis and 5% in the Z axis forY=105 mm coronal plane in the inhomogeneous phantom as compared to thehomogeneous phantom. In the paranosal sinuses cavity experiment, the diameter of the50% isodose curves differ by 42% in the X axis and 47 %in the Y axis for Z=71mm axialplane; 42% in the X axis and 60%in the Y axis for Z=75 mm axial plane; 52% in the Xaxis and 70% in the Y axis for Z=79 mm axial plane respectively in the inhomogeneousphantom when compared to the homogeneous phantom. The dose decrease near the air-tissue interface causes the Gamma Plan?s predicted dosage to be higher than that actuallydelivered. The resulting underdosing effect can be critical for the control of the lesionsnear tissue inhomogeneities.Keywords : Polymer Gel, Gel Dosimetry, Dose distribution, Tissue Inhomogeneity, StereotacticRadiosurgery, Gamma Knife.