Investigation of radiochromatic EBT4 films in radiation oncology

In dieser Arbeit wurden die von Ashland (Wilmington, DE, USA) neu entwickelten Gafchromic EBT4 Filme gegen ihre Vorgänger, Gafchromic EBT3, verglichen, um sie als Nachfolger zu validieren.Sowohl in einem 6 MV Photonenstrahl (am Linearbeschleuniger der Medizinischen Universität Wien, Österreich), als auch in einem 148.2 MeV Protonenstrahl (am MedAustron, Wr. Neustadt, Österreich), wurden dosimetrische Charakteristika wie das Ansprechverhalten sowie die Sensitivität der Filme untersucht. Dafür wurden 10 Filme jedes Typs bei 10 Dosiswerten zwischen 0.2 und 10 Gy bestrahlt. In Vorbereitung auf die Messungen im Protonenstrahl wurde die wasseräquivalente Dicke der EBT4 Filme mittels einem Peakfinder (PTW, Freiburg, Deutschland) System bestimmt. Drei verschiedene Kalibrierfunktionen (logarithmisch, rational, sowie ein Polynom vierten Grades) wurden angewandt und deren Residuen verglichen. Die polynomiale Fitfunktion wurde daraufhin als Fitfunktion für alle weiteren Auswertungen verwendet. Die Nachbearbeitung, sowie dosimetrische Evaluierung der Filme erfolgten mit einem intern entwickelten Python Skript, sowohl per „single-channel“ Analyse (mittels eines einzigen Farbkanals) als auch „triple-channel“ Analyse (mittels dreier Farbkanäle). In beiden Strahlenqualitäten wurde das Signal-Rausch-Verhältnis mittels Pixelwert als auch gemessener Dosis bestimmt. Der Einfluss der Filmelagerung unter unterschiedlichen Umgebungsbedingungen (Temperatur, Luftfeuchtigkeit) auf Entwicklung und dosimetrisches Ansprechvertalten von EBT3 und EBT4 wurde untersucht. Hierfür wurden Filme beider Typen an drei Orten gelagert (Büro mit Klimaanlage, Büro ohne Klimaanlage, Kühlschrank), und daraufhin zu drei Zeitpunkten im Laufe von 260 Tagen mit 0.5, 2 und 5 Gy bestrahlt. Nach der Filmkalibrierung im Protonenstrahl wurde die Abhängigkeit des Dosis-Ansprechverhaltens der Filme von linearem Energietransfer (LET) in einem Spread-Out Bragg Peak untersucht. Filme beider Typen wurden in 9 Tiefen im Spread-Out Bragg Peak positioniert und mit der berechneten Dosis sowie des LET des Bestrahlungsplanungssystems RayStation sowie eines Rferenzdetektors verglichen. Außerdem wurde die Energieabhängigkeit von EBT4 in Röntgenstrahlen im kV Bereich mit jener von EBT3 verglichen, indem Filme bei 15, 20, 25, 30, 50, 80, and 100 kV in einer YXLON Maxishot Quelle bestrahlt wurden.EBT4 und EBT3 zeigten ein ähnliches Dosisansprechverhalten und Sensitivität im Photonen- und Protonenstrahl. Zwischen den Filmtypen wurde kein signifikanter Unterschied in deren Kalibriergenauigkeit gefunden. Für das Signal-Rausch-Verhältnis im Bezug auf die Pixelwerte wurde eine Verbesserung für EBT4 im Photonenstrahl im gesamten untersuchten Dosisbereich gefunden. Im Protonenstrahl war diese Verbesserung nur für Dosen über 1 Gy zu sehen. Das Signal-Rausch-Verhältnis im Bezug auf gemessene Dosis zeigte für EBT4 eine signifikante Verbesserung bei Dosen >1.5 Gy und Verschlechterung unter 1.5 Gy im roten Kanal für beide Strahlenqualitäten. Eine Auswertung mit ``triple-channel'' Analyse hatte eine Erhöhung der Differenzen zwischen EBT3 und EBT4 zur Folge. Die überwiegende Mehrheit der Differenzen zwischen Signal-Rausch-Verhältnissen beider Filmtypen war statistisch signifikant mit p<0.05 eines zweiseitigen Wilcoxon Rangsummen Tests. Die wasseräquivalente Dicke von EBT4 stimmt mit 0.36 mm mit der von EBT3 überein. Im Spread-Out Bragg Peak wurden keine signifikanten Unterschiede des Ansprechverhaltens beider Filmtypen gefunden. Jeweils für ``single-channel'' und ``triple-channel'' Analyse fiel die maximale Differenz der Dosisantwort der Filme zum Behandlungsplanungssystem auf –4.9 % und –7.3 % für EBT3 und –5.6 % und –7.1 % für EBT4. In Röntgenstrahlen im kV Energiebereich zeigen beide Filmtypen bei Evaluierung mit Kalibrierkurve aus einem MV Photonenstrahl ein ähnliches Verhalten (mit Dosis der ausgewerteten Filme niedriger als Referenz). Filme aus allen Lagerungsorten zeigten eine Tendenz zu steigender optischer Dichte sowie Dosisansprechverhaltens, welche primär bei niedrigen Dosisleveln ersichtlich waren. EBT4 zeigte eine leicht höhere Sensitivität für Unterschiede in Umgebungsbedingungen. Für beide Filmtypen zeigten Filme bei Lagerung bei 10°C die höchste Stabilität.Im Gesamten zeigen unsere Daten, dass EBT4 ein geeignetes Nachfolgermodell zu EBT3 ist, mit einer Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses bei höheren Dosisleveln und ähnlichen Beschränkungen bezüglich ihrer Anwendung in kV-Röntgenstrahlen sowie Regionen mit hohem linearen Energietransfer in Protonenstrahlen.