Cherenkov emission-based external radiotherapy dosimetry: I. Formalism and feasibility.

قياس جرعات العلاج الإشعاعي الخارجي القائم على انبعاث تشيرينكوف: I. الصياغة النظرية والجدوى.

Clicks: 449
ID: 57313
2019
Article Quality & Performance Metrics
Overall Quality
Not rated
Combines reader engagement with the AI quality analysis. This article has not been analysed, so there is no overall score — reader engagement is measured and shown alongside.
AI Quality Assessment
Not analyzed
Readership in this journal
Steady

Ranked #7 of 56 articles by views in Medical physics

Most read Least read

Bar heights use a square-root scale.

Mint this article as an NFT
Not yet minted

Create a permanent, verifiable on-chain record of this article on the Scimatic Network. The NFT is held in your Journament account, and you can withdraw it to your own wallet at any time.

5 SUSD one-off · no wallet required
Abstract
Cherenkov emission (CE)-based external beam dosimetry is envisioned to involve the detection of CE directly in water with placement of a high-resolution detector out of the field, avoiding perturbations encountered with traditional dosimeters. In this work, we lay out the groundwork for its implementation in the clinic and motivate CE-based dosimeter design efforts. To that end, we examine a formalism for broad-beam in-water CE-based dosimetry of external radiotherapy beams, design and test a Monte Carlo (MC) simulation framework for the calculation of CE-to-dose conversion factors used by the formalism, and demonstrate the experimental feasibility of this method.The formalism is conceptually analogous to ionization-based dosimetry and employs CE-to-dose conversion factors, , including only and all CE generated within polar angles θ ± δθ on beam axis. The EGSnrc user code SPRRZnrc is modified to calculate , as well as CE spectral and angular distributions. The modified code is tested with monoenergetic parallel electrons on a thin water slab. Detector configurations are examined for broad 6-22 MeV electron beams from a BEAMnrc TrueBeam model, with a focus on (4π detection), , and ( is the CE angle of relativistic electrons in water). We perform a relative experimental validation at with electron beams, using a simple detector design with spherical optics and geometrical optics approximation of the sensitive volume, which spans the water tank. Due to transient charged particle equilibrium, broad photon beams are generally less sensitive to beam quality, depth, and angle.For 0.1-50 MeV electrons on a thin water slab, the code outputs CE photon spectral density per unit mass (calculated from dose and ) and angle in agreement with theory within ±0.03% and , respectively, corresponding to the output precision. The configuration was found impractical due to detection considerations. Detection at for small δθ exhibited beam quality dependence of the same order as well as strong superficial depth dependence. A 4π configuration ameliorates these effects. A more practical approach may employ a large numerical aperture. In comparing with literature, we find that these effects are less pronounced for broad photon beams in water, as expected. Measured relative at small δθ were within 1% of simulated factors (relative to their local average) for percent-depth CE (PDC) >50%. At other depths, deviations were in accordance with signal-to-noise, known detector limitations, and approximations. It was found that the CE spectrum is beam quality and depth invariant, while for electron beams the CE angular distribution is strongly dependent on beam quality and depth. However, the uncertainty of CE and PDC measurement at detection for small δθ due to deviations around δθ was shown to be ≤1% and <0.1% (k = 1), respectively. The robustness to expected detector setup variations was found to result in ≤1% (k = 1) local uncertainty contribution for PDC >50%.Based on our MC and experimental studies, we conclude that the CE-based method is promising for high-resolution, perturbation-free, three-dimensional dosimetry in water, with specific applications contingent on comprehensive detector development and characterization.
يُتصور أن قياس الجرعات الإشعاعية للحزم الخارجية القائم على انبعاث تشيرينكوف (Cherenkov emission - CE) يتضمن الكشف المباشر عن هذا الانبعاث في الماء مع وضع كاشف عالي الدقة خارج الحقل الإشعاعي، مما يتيح تجنب الاضطرابات المصاحبة لمقاييس الجرعات التقليدية. نضع في هذا العمل الأساس لتطبيقه السريري ونحفز جهود تصميم مقاييس الجرعات المعتمدة على انبعاث تشيرينكوف. ولتحقيق هذه الغاية، نبحث صياغة رياضية لقياس الجرعات للحزم العريضة في الماء والمعتمدة على انبعاث تشيرينكوف لحزم العلاج الإشعاعي الخارجي، ونصمم ونختبر إطار محاكاة بطريقة مونت كارلو (Monte Carlo - MC) لحساب عوامل التحويل من انبعاث تشيرينكوف إلى الجرعة والمستخدمة في هذه الصياغة، ونثبت الجدوى التجريبية لهذه الطريقة. تتماثل هذه الصياغة مفاهيميًا مع قياس الجرعات القائم على التأين، وتستخدم عوامل تحويل من انبعاث تشيرينكوف إلى الجرعة تشمل حصرًا جميع انبعاثات تشيرينكوف المتولدة ضمن الزوايا القطبية θ ± δθ على محور الحزمة. جرى تعديل كود المستخدم SPRRZnrc في حزمة EGSnrc لحساب هذه العوامل، بالإضافة إلى حساب التوزيعات الطيفية والزاوية لانبعاث تشيرينكوف. واختُبر الكود المعدل باستخدام إلكترونات متوازية أحادية الطاقة على شريحة ماء رقيقة. كما فُحصت تهيئات الكواشف لحزم إلكترونية عريضة بطاقة تتراوح بين 6 و22 ميغا إلكترون فولت مولدة بنموذج TrueBeam في برمجية BEAMnrc، مع التركيز على تهيئة الكشف بزاوية مجسمة كاملة ($4\pi$)، وتهيئتي الكشف الأخرى (حيث تمثل زاوية انبعاث تشيرينكوف للإلكترونات النسبوية في الماء). وأجرينا تحققًا تجريبيًا نسبيًا لحزم الإلكترونات، باستخدام تصميم بسيط للكاشف يشتمل على بصريات كروية وتقريب البصريات الهندسية للحجم الحساس الذي يمتد عبر خزان الماء. ونظرًا للاتزان العابر للجسيمات المشحونة، فإن حزم الفوتونات العريضة تكون عمومًا أقل حساسية لجودة الحزمة، والعمق، والزاوية. وبالنسبة للإلكترونات بطاقة تتراوح بين 0.1 و50 ميغا إلكترون فولت على شريحة ماء رقيقة، أظهر الكود توافقًا في الكثافة الطيفية لفوتونات انبعاث تشيرينكوف لكل وحدة كتلة (المحسوبة من الجرعة) والزاوية مع النظرية في حدود ±0.03% و على التوالي، وهو ما يتطابق مع دقة المخرجات. وتبيّن أن إحدى التهيئات غير عملية بسبب اعتبارات الكشف. كما أظهر الكشف عند زوايا لقيم δθ صغيرة اعتمادًا على جودة الحزمة من نفس الرتبة بالإضافة إلى اعتماد قوي على العمق السطحي. وتسهم تهيئة $4\pi$ في التخفيف من هذه التأثيرات، في حين قد يوظف نهج أكثر عملية فتحة عددية كبيرة. وبالمقارنة مع المنشورات العلمية، نجد أن هذه التأثيرات أقل وضوحًا لحزم الفوتونات العريضة في الماء، كما كان متوقعًا. وكانت عوامل التحويل النسبية المقاسة عند قيم δθ صغيرة ضمن حدود 1% من العوامل المحاكاة (مقارنة بمتوسطها المحلي) لنسبة انبعاث تشيرينكوف مع العمق (PDC) التي تتجاوز 50%. أما عند الأعماق الأخرى، فكانت الانحرافات متوافقة مع نسبة الإشارة إلى الضوضاء، ومحدوديات الكاشف المعروفة، والتقريبات المستخدمة. ووُجد أن طيف انبعاث تشيرينكوف ثابت لا يتغير بتغير جودة الحزمة أو العمق، بينما يعتمد التوزيع الزاوي لانبعاث تشيرينكوف في حزم الإلكترونات اعتمادًا قويًا على جودة الحزمة والعمق. ومع ذلك، أظهرت النتائج أن عدم اليقين في قياس انبعاث تشيرينكوف وPDC عند الكشف لقيم δθ صغيرة والناتج
Reference Key
zlateva2019cherenkovmedical Use this key to autocite in the manuscript while using SciMatic Manuscript Manager or Thesis Manager
Authors
Journal Medical physics
Year 2019
DOI
10.1002/mp.13414
URL
Keywords

Citations

No citations found. To add a citation, contact the admin at info@scimatic.org

No comments yet. Be the first to comment on this article.