Dose distribution measurements with Octavius 729XDR and their applications at MedAustron

Abstract

The goal of this master thesis was to analyze the abilities and measurement options of Octavius 729XDR and their influence on the measurements. Octavius 729XDR is a detector array consisting of 729 ionization chambers, which allows the measurement of the lateral dose distribution in a 27 cm 27 cm area. Besides the irradiation with photons, the device can also measure dose from ion irradiation. In the framework of this thesis, the detector array was irradiated with x-rays from an x-ray tube and protons delivered from the synchrotron at MedAustron. However, since the studies were targeted on application of Octavius 729XDR at MedAustron, the main focus laid on the proton measurements. The lateral dose distribution was quantitatively described by dose distribution parameters. For the analysis of the measurement data a self-written Python routine was implemented with respect to definitions of dose distribution parameters defined by MedAustron. The software provided by the manufacturer of Octavius 729XDR, also included a data analysis tool, which was utilized for the comparison with other dose distribution parameter definitions. The analysis of the parameter settings of the drift suppression revealed that this setting generally caused the suppression of the noise in non-irradiated areas and flattened the plateau of a lateral dose profile. These effects are also reflected in enhanced dose distribution parameters. On the contrary, the total accumulated dose during a measurement was reduced when the drift suppression was activated. Furthermore, a modified method for the determination of the drift suppression threshold value was developed in cooperation with the manufacturer of Octavius. Further findings were that the interval and the scanned beam option did not influence the measured dose. For proton measurements, a good accordance of the measured profiles with the planned dose profiles, reconstructed from treatment plans, was determined. The results of this thesis simplifies the adequate handling of the device and its settings for future users. Furthermore, the better understanding of the abilities of the device invites to find further application of Octavius 729XDR relevant for MedAustron in the non-clinical and clinical field.

Das Ziel der vorliegenden Diplomarbeit war die Analyse der Funktionen und Messoptionen des Octavius 729XDR und deren Einfluss auf die Messergebnisse. Octavius 729XDR ist ein Detektorarray bestehend aus 729 Ionisationskammern, welcher die Möglichkeit der Messung der lateralen Dosisverteilung einer 27 cm x 27 cm großen Fläche bietet. Neben der Bestrahlung mit Photonen kann das Gerät auch Dosis von Ionenbestrahlung messen. Im Zuge dieser Arbeit wurde der Detektorarray mit Röntgenstrahlung einer Röntgenröhre und Protonen des MedAustron Synchrotons bestrahlt. Da die Untersuchungen auf Anwendungen des Octavius 729XDR am MedAustron abzielten, standen die Messungen mit Protonenstrahl im Vordergrund. Die laterale Dosisverteilung wurde quantitativ mit Dosisverteilungsparametern beschrieben. Die Analyse der Messdaten erfolgte mit einem selbstgeschriebenen Python-Programm unter Berücksichtigung der Dosisverteilungsparameter, welche von MedAustron definiert wurden. Die Software, die vom Hersteller des Octavius 729XDR zur Verfügung gestellt wurde, beinhaltete ebenso ein Datenanalyse-Tool, welches zum Vergleich mit anderen Definitionen der Dosisverteilungsparameter herangezogen wurde. Die Analyse des einzustellenden Parameters drift suppression ergab, dass diese Option im Allgemeinen eine Unterdrückung des Rauschens in den nicht bestrahlten Bereichen und eine Glättung des Plateaus des lateralen Dosisprofils bewirkte. Diese Effekte spiegelten sich auch in den Dosisverteilungsparametern wieder. Andererseits reduzierte sich die akkumulierte Gesamtdosis bei Aktivierung der drift suppression. Des Weiteren wurde mit Unterstützung des Herstellers eine veränderte Methode zur Bestimmung des drift suppression-Schwellenwerts erstellt. Weitere Erkenntnisse waren, dass das Messintervall und die scanned beam option die gemessene Dosis nicht beeinflussten. Für die Messung im Protonenstrahl wurde eine gute Übereinstimmung der Profile mit den geplanten Profilen, welche aus den Bestrahlungsplänen rekonstruiert wurden, festgestellt. Die Ergebnisse dieser Arbeit erleichtern die fachgemäße Handhabung des Messgeräts und dessen Einstellungen für künftige Nutzer. Außerdem lädt das bessere Verständnis der Funktionen des Geräts zu weiteren Anwendungen im nicht-klinischen und klinischen Bereich ein, welche Relevanz für das MedAustron haben.