Investigation of radiochromatic EBT4 films in radiation oncology

Abstract

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.

This work benchmarks the newly introduced Gafchromic EBT4 film type by Ashland (Wilmington, DE, USA) against its predecessor, Gafchromic EBT3, to determine its validity as a successor.Dosimetric characteristics of the films, such as dose-response and sensitivity curves, as well as calibration accuracy were determined in a 6 MV photon beam and the plateau region of a 148.2 MeV proton beam. Films of both types were irradiated at 10 dose levels between 0.2 and 10 Gy in the photon beam of a linear accelerator at the Medical University of Vienna (Vienna, Austria) and the proton beam at MedAustron (Wr. Neustadt, Austria). In preparation of film calibration and further irradiations in a proton beam, the water equivalent thickness (WET) of EBT4 films was determined using a Peakfinder (PTW, Freiburg, Germany). The residuals of three calibration fit functions were compared to determine the most suitable fit for use in film analysis: a logarithmic function, a rational function, and a fourth-degree polynomial function. The polynomial function was chosen and consequently used for all following dosimetric film evaluations. Post-processing and dosimetric evaluation of films was performed with a custom in-house Python script using both single- and triple-channel analysis. The signal to noise ratio (SNR) was determined in terms of pixel value and reported dose for films at calibration in both photon and proton irradiation. The effect of long-term storage in three different environmental conditions on film development and dosimetric response of EBT3 and EBT4 was investigated. To this end, sets of both film types were placed into storage at three locations (office with air conditioning, office without air conditioning, refrigeration) and films from each storage location were consequently irradiated at 0.5, 2, and 5 Gy at three points in time spread across 260 days. To investigate linear energy transfer (LET) dependency, the response behaviour of films in a spread-out Bragg Peak was investigated: films of both types were placed at nine depths in a Spread-out Bragg Peak and their dosimetric response evaluated against the dose and LETD calculated by the treatment planning system RayStation and a reference ionization chamber. Additionally, the energy dependence of EBT4 films in relation to EBT3 in kilovoltage X-rays was examined by irradiating films at 15, 20, 25, 30, 50, 80, and 100 kV using an YXLON Maxishot X-ray source.EBT4 and EBT3 films showed similar dose-response behaviour and sensitivity in photon and proton beams across the investigated dose range. No significant difference in calibration accuracy was observed for EBT4 in comparison to EBT3. An improved SNR, determined for pixel value, was found for EBT4 across the entire dose range in photon irradiation and for all but the lowest dose levels (0.2, 0.5, 1 Gy) in proton irradiation. The SNR determined for reported dose showed a significant improvement for EBT4 in dose levels >1.5 Gy and worsening below 1.5 Gy in the red channel for both beam qualities, with larger differences between film types for triple-channel evaluations. The vast majority of SNR differences between film types was statistically significant with p<0.05 in a two-sided Wilcoxon Rank-Sum test. The WET of EBT4 corresponded to that of EBT3, at 0.36 mm. No significant difference between film types was observed in the spread-out Bragg Peak of a proton beam. The a maximal under-response was –4.9% for EBT3 and –5.6% for EBT4 in single-channel evaluation, and –7.3% for EBT3 and –7.1% for EBT4 in triple-channel evaluation. Both film types showed a similar under-response to kilovoltage X-rays when dosimetrically evaluated with a calibration curve established in megavoltage X-rays. Films stored at all locations showed a tendency toward increase in optical density and film response to exposure over time, primarily visible at lower doses, but not statistically significant. EBT4 showed a slightly higher sensitivity for environmental changes. For both film types, the lowest change in optical density and dose response was observed at 10°C storage temperature.Overall, our data show EBT4 presents a suitable successor to EBT3, with an improvement in signal to noise behaviour at the higher end of examined dose levels and similar constraints regarding its usage in kV X-rays as well as high linear energy transfer regions of proton beams.