SRS Dosimetry

Sonja Dieterich, PhD, DABRStanford University Hospital

Ellen Wilcox, PhDSt Francis Hospital, CT

Carlo Cavedon, D.S.Ospedale San Bartolo, Vicenza, Italy

With slides from Remy Durand, Huaying Ji, Joseph Novotny

Conflict of Interest Sonja Dieterich has a consulting agreement with Cyberheart Inc.

Learning Objectives Describe the basic concepts of small field reference dosimetry

Know which detectors are appropriate to use

Learn the right questions to ask when you see a plan

Be aware of whole body dose

90% of attention goes to:90% of attention goes to: Spatial Accuracy

Robot pointing accuracy (calibration verification): 0.2 mm – 0.3 mm

Closer to clinical reality: End‐to‐end (E2E)

Manufacturer E2E spec: <0.95 mm

My clinic: 0.3 mm – 0.7 mm I start to investigate if E2E > 0.7 mm Older paper by Yu et al (E2E = 1.1 mm) Older paper by Yu et al (E2E   1.1 mm) 

had 2 mm slice thickness

Known dependency of spatial accuracy vs. slice thickness

1 mm or 1.25 mm is currently standard slice thickness

Think of dosimetric accuracy as y“shifting isodose lines”

Why is Dosimetry important? In the brain:

Pre‐SRS AVM embolization with Onyx or glue Near cavities or superficial tumors

SRS has moved outside the brain:L Lung

T‐spine Our Small Fields are getting smaller Our Small Fields are getting smaller What is the WB dose for 85 (!) lesions?

T bl f CTable of Contents

Reference Dosimetry What is a small field?  The new IAEA framework for SRS fields

Relative (Patient) Dosimetry Relative (Patient) Dosimetry Dose calculation algorithms In‐vivo dosimetryv vo dos et y Whole‐body dose

What is a “Small Field”? “Small” changes with time:

No lateral e‐ equilibrium (quick: what is that for 6MV?) < 10 mm < 4 mm?

Ch ll Challenges: How to build a collimator Focal spot size large compared to collimator Focal spot size large compared to collimator Inverse square law breaking down Detector resolution …

Why Microbeams? Functional targets:

Epilepsy, Parkinson’s (for non‐DBS candidates))

Neurology: Facet blocks, hyperhydrosis

Intractable pain (palliative, Intractable pain (palliative, capsulotomy)

Obsessive‐Compulsive Disorder Intractable  severe depression  Intractable, severe depression (fMRI: hyperactivity of Brodmann25)

Small animal applications Small animal applications

R f d f d d fi ldReference dose for non‐standard fields

TG‐51 presentations: “Must have 10 cm x 10 cm field”

Gammaknife? Cyberknife? Tomotherapy? y py

These fields are not flat over detector volume

IAEA and AAPM task groups on small field dosimetry

The IAEA conceptThe IAEA concept

(TG 51) 60 mm cone for CK  Standard beam data acquisition (TPR, OCR) for CK: 80 cm SAD How to obtain 100 cm SSD ? Easy: move robot up (by how much?)

How to obtain kQ?N  fl tt i  filt     bl  (  DWO R ) No flattening filter – no problem (see DWO Rogers)

How to handle gradient corrections?

TG 51 output = 1.0153 cGy/MU at dmaxTG 21 output = 1.0162 cGy/MU at dmax same dayp y/ max y

15

Effects of Detector Size onReference Dosimetry

1.2

0.8

1

0.4

0.6plan

BeamData

0

0.2

30 -20 -10 0 10 20 30

• No flattening filter: round edges• Length of Farmer ~ 2 cm

Practical Procedure (1) Move robot up to extend SSD to 100 cm. Eqv square = 0.9   Eqv circle *q q 9 q

Eqv square = 0.9  6  100/80 = 6.75 cm @ 100 cm SSD

%dd( ) h b f Measure %dd(10,6.75,100) with CyberKnife.  Compare %dd(10,6.75,100) with local or reference data (e g  BJR sup 25†)(e.g. BJR sup 25†)

* Day MJ & Aird EGA in BJR sup 25, 1996, p138-153†

17

† Jordan TJ in in BJR sup 25, 1996, p62 - 110

Practical Procedure (2) Take the corresponding %dd(10,10,100) from the reference data‐set. 

Obtain kQ with %dd(10,10,100).

Obtain P (10 10 100) from reference dataObtain Pgr(10,10,100) from reference data.

Change calibration condition to CyberKnife calibration condition (SSD setup to SAD setup)condition (SSD setup to SAD setup).

18

Practical Procedure (3) Perform measurement based upon standard TG 51 procedure.

Measure P (CK) at the measurement point Measure Pgr(CK) at the measurement point. Calculate dose to dmax:

Q

TPRorddNM

DQ

wDQw %

,

PMM raw )100,10,10()(60

,,gr

grQ

CowD

QwD P

CKPkNN

19

Example   SSD 6      %dd( 6 )   6 %1. 100 cm SSD 60 mm cone, %dd(10,6.75,100) = 64.02%.

2. %dd(10,10,100) = 65.4% *.3 With this %dd(10 10 100)  k = 0 99283. With this %dd(10,10,100), kQ= 0.9928.4. Pgr(10,10,100) = 0.9897*. 5. 78.5 cm SSD, 60 mm cone, %dd(10,5.3,78.5) = 59.43%.5. 78.5 c SS , 60 co e, %dd( 0,5.3,78.5) 59.43%.6. Pgr(10,5.3,78.5) = 0.98787. CyberKnife new kQ = 0.9909Q

8. TG 51 output = 1.0153 cGy/MU at dmax

9. TG 21 output = 1.0162 cGy/MU at dmax same day

20

* Calculated from BJR data.

Back to: The IAEA conceptBack to: The IAEA concept

Example for a device: GKExample for a device: GK

Measuring each field not possibleMeasuring each field not possible Even with Perfexion, 8 segments Plan‐class: Isocentric, all beams, defined , ,collimator

GK Plan‐Class Specific Reference pCalibration

Verification of Dose Calculation

Suitable Detectors ? Plus Plus: BANG gels Diamond Diamond OLD …

Uncertainties for Output Factors• Error  bars getting larger     below 20 mm

MC f b•MC of beam

•MC of detectors 

Fi ld D SiField vs. Detector Size1.000

1 5cm depth Wid h  f   0.800

1.5cm depth

5c 7.5c

10c 12.5c

Width of a PTW60012 diode compared to small 

0.600

15c site 5c

site 7.5c site 10c

site 12.5c site 15c

compared to small collimator OARs

0.400

0 000

0.200

0.0000.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0

Al ith i ( ld ) C i l SRSAlgorithms in (older) Cranial SRS A head is very similar to a ysphere (surface corrections!)

Fairly homogeneous Fairly homogeneous Nasopharynx AVM embolizations …

Density can be i t d b  H O approximated by H2O 

(hence no CT used on Gamma Knife)

Need for better algorithms in SRS Most systems used path‐length correction Narrow beams: 

field dimensions smaller then maximum range of secondary electrons

Steep dose gradients Steep dose gradients Gets exacerbated by tissue heterogeneity

Better alternative:Better alternative: Collapsed cone convolution‐superposition Monte Carlo

Example:Example: 6 MV Photon Monte Carlo

Use MC in all lung cases, T‐spine, Head & Neck

Brain: supra‐orbital, pituitary, <1.5 cm to skin, embolizedAVM

Re‐calculation or re‐optimization

Older (e.g. Ray‐tracing) algorithms: +8%‐14% off for RPC lung phantom (RTOG‐0236)

D  diff    b   h hi h  f   ll l i (  t   %!)  Dose difference may be much higher for small lesions (up to 40%!)  Dose difference of varying % known issue for all older Tx planning 

algorithms in combination with small beams, not limited to C b k ifCyberknife

Example I: Dosimetry for SBRTa p e : os et y o S

Example II: Dosimetry for SBRTa p e : os et y o S

Independent verification of MCIndependent verification of MC

Recently got approved for RTOG‐0618 RTOG‐0618 = RTOG‐0236 + inhomogeneity3 g ycorrections

Done on a motion platform

June 11, 2009 9th ISRS Congress, Seoul, Korea 2009

Why In‐Vivo Dosimetry?Why? Challenges? Frameless SRS Field size: no exit field for 

di d   l SBRT: Gating/ABC Motion‐adaptive with 

diode placement Imaging: No space for EPID 

(Gamma Knife)Motion adaptive with Synchrony

Motion‐adaptive with moving MLC

Non‐isocentricity(Cyberknife)

C Field matching for 

retreatments

Just one idea for in‐vivo Antenna is very similar to a gold seedAntenna is very similar to a gold seed Invasive procedure to implant marker

Implantable Dosimeter

1 25 mm CT slice thickness• 1.25 mm CT slice thickness• Looks like two closely placed

fiducials!fiducials!• Not uncommon in patients …

01/26/2007 6th Annual Cyberknife Users’ Meeting 39

Why is it important? We are treating benign & functional cases

Long survival Pediatrics (protons!) Pediatrics (protons!) MU per delivered dose

The issues: What is the error bar on secondary cancer risk? Absolute vs  relative risk Absolute vs. relative risk Delayed radiation response Risk of treating vs. no treatment/other treatmentsDiff  i   i k  l  (  R dO  N ) Difference in risk tolerance (e.g. RadOnc vs. Neurosurgeon)

GK: Extracranial Dose for SingleGK: Extracranial Dose for Single Isocenter

Travel home safely!Travel home safely!