CONTENTS
CHAPTER 1. BASIC RADIATION PHYSICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.1. Fundamental physical constants (rounded off to four
significant figures) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1.2. Important derived physical constants and relationships . . 1
1.1.3. Physical quantities and units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.1.4. Classification of forces in nature . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.5. Classification of fundamental particles . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.6. Classification of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5
1.1.7. Classification of ionizing photon radiation . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.8. Einstein’s relativistic mass, energy and momentum
relationships . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.9. Radiation quantities and units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2. ATOMIC AND NUCLEAR STRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.1. Basic definitions for atomic structure . . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.2.2. Rutherford’s model of the atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
1.2.3. Bohr’s model of the hydrogen atom . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2.4. Multielectron atoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
1.2.5. Nuclear structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14
1.2.6. Nuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
1.2.7. Radioactivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16
1.2.8. Activation of nuclides . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
1.2.9. Modes of radioactive decay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20
1.3. ELECTRON INTERACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22
1.3.1. Electron–orbital electron interactions . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.2. Electron–nucleus interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
1.3.3. Stopping power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
1.3.4. Mass scattering power . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.4. PHOTON INTERACTIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.1. Types of indirectly ionizing photon radiation . . . . . . . . . . . 26
1.4.2. Photon beam attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.4.3. Types of photon interaction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.4. Photoelectric effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.4.5. Coherent (Rayleigh) scattering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291.4.6. Compton effect (incoherent scattering) . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.4.7. Pair production . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
1.4.8. Photonuclear reactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.9. Contributions to attenuation coefficients . . . . . . . . . . . . . . 34
1.4.10. Relative predominance of individual effects . . . . . . . . . . . 36
1.4.11. Effects following photon interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
1.4.12. Summary of photon interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38
1.4.13. Example of photon attenuation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
1.4.14. Production of vacancies in atomic shells . . . . . . . . . . . . . . . 41
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
CHAPTER 2. DOSIMETRIC PRINCIPLES,
QUANTITIES AND UNITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
2.2. PHOTON FLUENCE AND ENERGY FLUENCE . . . . . . . . . . . . 45
2.3. KERMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.4. CEMA . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48
2.5. ABSORBED DOSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.6. STOPPING POWER . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2.7. RELATIONSHIPS BETWEEN VARIOUS DOSIMETRIC
QUANTITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.1. Energy fluence and kerma (photons) . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
2.7.2. Fluence and dose (electrons) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.7.3. Kerma and dose (charged particle equilibrium) . . . . . . . . 57
2.7.4. Collision kerma and exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
2.8. CAVITY THEORY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.8.1. Bragg–Gray cavity theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
2.8.2. Spencer–Attix cavity theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
2.8.3. Considerations in the application of cavity theory to
ionization chamber calibration and dosimetry protocols . 64
2.8.4. Large cavities in photon beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.8.5. Burlin cavity theory for photon beams . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.8.6. Stopping power ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70CHAPTER 3. RADIATION DOSIMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3.2. PROPERTIES OF DOSIMETERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1. Accuracy and precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.1. Type A standard uncertainties . . . . . . . . . . . . . . 72
3.2.1.2. Type B standard uncertainties . . . . . . . . . . . . . . 73
3.2.1.3. Combined and expanded uncertainties . . . . . . . 73
3.2.2. Linearity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.3. Dose rate dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.2.4. Energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75
3.2.5. Directional dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.6. Spatial resolution and physical size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.7. Readout convenience . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.2.8. Convenience of use . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
3.3. IONIZATION CHAMBER DOSIMETRY SYSTEMS . . . . . . . . . 77
3.3.1. Chambers and electrometers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77
3.3.2. Cylindrical (thimble type) ionization chambers . . . . . . . . 78
3.3.3. Parallel-plate (plane-parallel) ionization chambers . . . . . 79
3.3.4. Brachytherapy chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.3.5. Extrapolation chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
3.4. FILM DOSIMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.1. Radiographic film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.4.2. Radiochromic film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5. LUMINESCENCE DOSIMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
3.5.1. Thermoluminescence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.5.2. Thermoluminescent dosimeter systems . . . . . . . . . . . . . . . 86
3.5.3. Optically stimulated luminescence systems . . . . . . . . . . . . 88
3.6. SEMICONDUCTOR DOSIMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.1. Silicon diode dosimetry systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
3.6.2. MOSFET dosimetry systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
3.7. OTHER DOSIMETRY SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.7.1. Alanine/electron paramagnetic resonance dosimetry
system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
3.7.2. Plastic scintillator dosimetry system . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
3.7.3. Diamond dosimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 923.7.4. Gel dosimetry systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
3.8. PRIMARY STANDARDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
3.8.1. Primary standard for air kerma in air . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.8.2. Primary standards for absorbed dose to water . . . . . . . . . 95
3.8.3. Ionometric standard for absorbed dose to water . . . . . . . . 96
3.8.4. Chemical dosimetry standard for absorbed dose to water 96
3.8.5. Calorimetric standard for absorbed dose to water . . . . . . 97
3.9. SUMMARY OF SOME COMMONLY USED DOSIMETRIC
SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
CHAPTER 4. RADIATION MONITORING INSTRUMENTS . . . . 101
4.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4.2. OPERATIONAL QUANTITIES FOR
RADIATION MONITORING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.3. AREA SURVEY METERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
4.3.1. Ionization chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.2. Proportional counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.3. Neutron area survey meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105
4.3.4. Geiger–Müller counters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106
4.3.5. Scintillator detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.6. Semiconductor detectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107
4.3.7. Commonly available features of area survey meters . . . . 108
4.3.8. Calibration of survey meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
4.3.9. Properties of survey meters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.9.1. Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.9.2. Energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110
4.3.9.3. Directional dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.9.4. Dose equivalent range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.9.5. Response time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.9.6. Overload characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
4.3.9.7. Long term stability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.9.8. Discrimination between different types
of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
4.3.9.9. Uncertainties in area survey measurements . . . 112
4.4. INDIVIDUAL MONITORING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113
4.4.1. Film badge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1134.4.2. Thermoluminescence dosimetry badge . . . . . . . . . . . . . . . . 115
4.4.3. Radiophotoluminescent glass dosimetry systems . . . . . . . 116
4.4.4. Optically stimulated luminescence systems . . . . . . . . . . . . 116
4.4.5. Direct reading personal monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
4.4.6. Calibration of personal dosimeters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.7. Properties of personal monitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.7.1. Sensitivity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
4.4.7.2. Energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.7.3. Uncertainties in personal monitoring
measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.7.4. Equivalent dose range . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
4.4.7.5. Directional dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
4.4.7.6. Discrimination between different types
of radiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
CHAPTER 5. TREATMENT MACHINES FOR EXTERNAL
BEAM RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
5.2. X RAY BEAMS AND X RAY UNITS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.1. Characteristic X rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.2. Bremsstrahlung (continuous) X rays . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
5.2.3. X ray targets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
5.2.4. Clinical X ray beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
5.2.5. X ray beam quality specifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.2.6. X ray machines for radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127
5.3. GAMMA RAY BEAMS AND GAMMA RAY UNITS . . . . . . . . 129
5.3.1. Basic properties of gamma rays . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
5.3.2. Teletherapy machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.3. Teletherapy sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
5.3.4. Teletherapy source housing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
5.3.5. Dose delivery with teletherapy machines . . . . . . . . . . . . . . 132
5.3.6. Collimator and penumbra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4. PARTICLE ACCELERATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 132
5.4.1. Betatron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.2. Cyclotron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5.4.3. Microtron . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1355.5. LINACS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
5.5.1. Linac generations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.2. Safety of linac installations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.5.3. Components of modern linacs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5.4. Configuration of modern linacs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
5.5.5. Injection system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
5.5.6. Radiofrequency power generation system . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.7. Accelerating waveguide . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 143
5.5.8. Microwave power transmission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
5.5.9. Auxiliary system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 145
5.5.10. Electron beam transport . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.5.11. Linac treatment head . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
5.5.12. Production of clinical photon beams in a linac . . . . . . . . . 147
5.5.13. Beam collimation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148
5.5.14. Production of clinical electron beams in a linac . . . . . . . . . 149
5.5.15. Dose monitoring system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
5.6. RADIOTHERAPY WITH PROTONS, NEUTRONS AND
HEAVY IONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
5.7. SHIELDING CONSIDERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
5.8. COBALT-60 TELETHERAPY UNITS VERSUS LINACS . . . . . 153
5.9. SIMULATORS AND COMPUTED
TOMOGRAPHY SIMULATORS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
5.9.1. Radiotherapy simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
5.9.2. Computed tomography simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 158
5.10. TRAINING REQUIREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 160
CHAPTER 6. EXTERNAL PHOTON BEAMS:
PHYSICAL ASPECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
6.2. QUANTITIES USED IN DESCRIBING A PHOTON BEAM . . 161
6.2.1. Photon fluence and photon fluence rate . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.2. Energy fluence and energy fluence rate . . . . . . . . . . . . . . . 162
6.2.3. Air kerma in air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
6.2.4. Exposure in air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.2.5. Dose to small mass of medium in air . . . . . . . . . . . . . . . . . . 164
6.3. PHOTON BEAM SOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1666.4. INVERSE SQUARE LAW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
6.5. PENETRATION OF PHOTON BEAMS INTO A
PHANTOM OR PATIENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
6.5.1. Surface dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.2. Buildup region . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 171
6.5.3. Depth of dose maximum z max . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.5.4. Exit dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6. RADIATION TREATMENT PARAMETERS . . . . . . . . . . . . . . . 172
6.6.1. Radiation beam field size . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 173
6.6.2. Collimator factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 174
6.6.3. Peak scatter factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 175
6.6.4. Relative dose factor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
6.7. CENTRAL AXIS DEPTH DOSES IN WATER:
SOURCE TO SURFACE DISTANCE SET-UP . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.7.1. Percentage depth dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
6.7.2. Scatter function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6.8. CENTRAL AXIS DEPTH DOSES IN WATER: SOURCE TO AXIS
DISTANCE SET-UP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.8.1. Tissue–air ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
6.8.2. Relationship between TAR(d, A Q , hn) and
PDD(d, A, f, hn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
6.8.3. Scatter–air ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 189
6.8.4. Relationship between SAR(d, A Q , hn) and S(z, A, f, hn) . 190
6.8.5. Tissue–phantom ratio and tissue–maximum ratio . . . . . . 190
6.8.6. Relationship between TMR(z, A Q , hn) and
PDD(z, A, f, hn) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
6.8.7. Scatter–maximum ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
6.9. OFF-AXIS RATIOS AND BEAM PROFILES . . . . . . . . . . . . . . 194
6.9.1. Beam flatness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 196
6.9.2. Beam symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
6.10. ISODOSE DISTRIBUTIONS IN WATER PHANTOMS . . . . . . . 197
6.11. SINGLE FIELD ISODOSE DISTRIBUTIONS IN PATIENTS . . 199
6.11.1. Corrections for irregular contours and oblique
beam incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.11.1.1. Effective source to surface distance method . . . 201
6.11.1.2. Tissue–air ratio or tissue–maximum ratio
method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2026.11.1.3. Isodose shift method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.11.2. Missing tissue compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
6.11.2.1. Wedge filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.11.2.2. Bolus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.11.2.3. Compensators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
6.11.3. Corrections for tissue inhomogeneities . . . . . . . . . . . . . . . . 204
6.11.4. Model based algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
6.12. CLARKSON SEGMENTAL INTEGRATION . . . . . . . . . . . . . . . . 206
6.13. RELATIVE DOSE MEASUREMENTS WITH
IONIZATION CHAMBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.14. DELIVERY OF DOSE WITH A SINGLE
EXTERNAL BEAM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 212
6.15. EXAMPLE OF DOSE CALCULATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 213
6.16. SHUTTER CORRECTION TIME . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
CHAPTER 7. CLINICAL TREATMENT PLANNING
IN EXTERNAL PHOTON BEAM
RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.2. VOLUME DEFINITION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 219
7.2.1. Gross tumour volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.2.2. Clinical target volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 220
7.2.3. Internal target volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.2.4. Planning target volume . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
7.2.5. Organ at risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.3. DOSE SPECIFICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 222
7.4. PATIENT DATA ACQUISITION AND SIMULATION . . . . . . 223
7.4.1. Need for patient data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.4.2. Nature of patient data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
7.4.2.1. Two dimensional treatment planning . . . . . . . . 223
7.4.2.2. Three dimensional treatment planning . . . . . . . 224
7.4.3. Treatment simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 225
7.4.4. Patient treatment position and immobilization devices . . 226
7.4.5. Patient data requirements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 228
7.4.6. Conventional treatment simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 229
7.4.6.1. Simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2297.4.6.2. Localization of the target volume and
organs at risk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4.6.3. Determination of the treatment beam geometry 230
7.4.6.4. Acquisition of patient data . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4.7. Computed tomography based conventional
treatment simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4.7.1. Computed tomography based patient data
acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 230
7.4.7.2. Determination of the treatment beam
geometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232
7.4.8. Computed tomography based virtual simulation . . . . . . . 233
7.4.8.1. Computed tomography simulator . . . . . . . . . . . . 233
7.4.8.2. Virtual simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 233
7.4.8.3. Digitally reconstructed radiographs . . . . . . . . . . 234
7.4.8.4. Beam’s eye view . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
7.4.8.5. Virtual simulation procedure . . . . . . . . . . . . . . . 235
7.4.9. Conventional simulator versus computed tomography
simulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 237
7.4.10. Magnetic resonance imaging for treatment planning . . . . 238
7.4.11. Summary of simulation procedures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 240
7.5. CLINICAL CONSIDERATIONS FOR PHOTON BEAMS . . . . 241
7.5.1. Isodose curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.5.2. Wedge filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 241
7.5.3. Bolus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
7.5.4. Compensating filters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 245
7.5.5. Corrections for contour irregularities . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.5.5.1. Isodose shift method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 246
7.5.5.2. Effective attenuation coefficient method . . . . . 248
7.5.5.3. Tissue–air ratio method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.5.6. Corrections for tissue inhomogeneities . . . . . . . . . . . . . . . . 248
7.5.6.1. Tissue–air ratio method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 249
7.5.6.2. Batho power law method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.5.6.3. Equivalent tissue–air ratio method . . . . . . . . . . 250
7.5.6.4. Isodose shift method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 250
7.5.7. Beam combinations and clinical application . . . . . . . . . . . 251
7.5.7.1. Weighting and normalization . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.5.7.2. Fixed source to surface distance versus isocentric
techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 251
7.5.7.3. Parallel opposed beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252
7.5.7.4. Multiple coplanar beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2537.5.7.5. Rotational techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
7.5.7.6. Multiple non-coplanar beams . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.5.7.7. Field matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 255
7.6. TREATMENT PLAN EVALUATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.6.1. Isodose curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.6.2. Orthogonal planes and isodose surfaces . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.6.3. Dose statistics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 257
7.6.4. Dose–volume histograms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.6.4.1. Direct dose–volume histogram . . . . . . . . . . . . . . 259
7.6.4.2. Cumulative dose–volume histogram . . . . . . . . . 259
7.6.5. Treatment evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 260
7.6.5.1. Port films . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
7.6.5.2. On-line portal imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262
7.7. TREATMENT TIME AND MONITOR UNIT
CALCULATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
7.7.1. Treatment time and monitor unit calculations for a fixed
source to surface distance set-up . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 265
7.7.2. Monitor unit and treatment time calculations for
isocentric set-ups . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
7.7.3. Normalization of dose distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.7.4. Inclusion of output parameters in the dose
distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 270
7.7.5. Treatment time calculation for orthovoltage
and cobalt-60 units . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 271
CHAPTER 8. ELECTRON BEAMS:
PHYSICAL AND CLINICAL ASPECTS . . . . . . . . . . . 273
8.1. CENTRAL AXIS DEPTH DOSE DISTRIBUTIONS IN WATER 273
8.1.1. General shape of the depth dose curve . . . . . . . . . . . . . . . . 273
8.1.2. Electron interactions with an absorbing medium . . . . . . . 274
8.1.3. Inverse square law (virtual source position) . . . . . . . . . . . 276
8.1.4. Range concept . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 277
8.1.5. Buildup region (depths between the surface and
z (i.e. 0 £ z £ z max )) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 279
8.1.6. Dose distribution beyond z max (z > z max ) . . . . . . . . . . . . . . 279
max8.2. DOSIMETRIC PARAMETERS OF ELECTRON BEAMS . . . . 281
8.2.1. Electron beam energy specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
8.2.2. Typical depth dose parameters as a function of energy . . 281
8.2.3. Percentage depth dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
8.2.3.1. Percentage depth doses for small electron
field sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 282
8.2.3.2. Percentage depth doses for oblique beam
incidence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
8.2.4. Output factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 284
8.2.5. Therapeutic range R 90 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.2.6. Profiles and off-axis ratios . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.2.7. Flatness and symmetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
8.3. CLINICAL CONSIDERATIONS IN ELECTRON
BEAM THERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.3.1. Dose specification and reporting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 286
8.3.2. Small field sizes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.3.3. Isodose curves . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
8.3.4. Field shaping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.3.4.1. Electron applicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.3.4.2. Shielding and cut-outs . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
8.3.4.3. Internal shielding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.3.4.4. Extended source to surface distance
treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 290
8.3.5. Irregular surface correction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.3.6. Bolus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 291
8.3.7. Inhomogeneity corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
8.3.7.1. Coefficient of equivalent thickness . . . . . . . . . . 292
8.3.7.2. Scatter perturbation (edge) effects . . . . . . . . . . . 293
8.3.8. Electron beam combinations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.3.8.1. Matched (abutted) electron fields . . . . . . . . . . . 295
8.3.8.2. Matched photon and electron fields . . . . . . . . . . 295
8.3.9. Electron arc therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
8.3.10. Electron therapy treatment planning . . . . . . . . . . . . . . . . . 298
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
CHAPTER 9. CALIBRATION OF PHOTON AND ELECTRON
BEAMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 301
9.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3019.1.1. Calorimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302
9.1.2. Fricke dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 303
9.1.3. Ionization chamber dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 304
9.1.4. Mean energy expended in air per ion pair formed . . . . . . 304
9.1.5. Reference dosimetry with ionization chambers . . . . . . . . . 305
9.1.5.1. Standard free air ionization chambers . . . . . . . 305
9.1.5.2. Cavity ionization chambers . . . . . . . . . . . . . . . . 306
9.1.5.3. Phantom embedded extrapolation chambers . . 306
9.1.6. Clinical beam calibration and measurement chain . . . . . . 307
9.1.7. Dosimetry protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
9.2. IONIZATION CHAMBER BASED DOSIMETRY SYSTEMS . 308
9.2.1. Ionization chambers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 308
9.2.2. Electrometer and power supply . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 309
9.2.3. Phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 310
9.3. CHAMBER SIGNAL CORRECTION FOR
INFLUENCE QUANTITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.3.1. Air temperature, pressure and humidity
effects: k T,P . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312
9.3.2. Chamber polarity effects: polarity correction
factor k pol . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 313
9.3.3. Chamber voltage effects: recombination correction
factor k sat . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 314
9.3.4. Chamber leakage currents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 318
9.3.5. Chamber stem effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
9.4. DETERMINATION OF ABSORBED DOSE USING
CALIBRATED IONIZATION CHAMBERS . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
9.4.1. Air kerma based protocols . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 320
9.4.2. Absorbed dose to water based protocols . . . . . . . . . . . . . . 323
9.5. STOPPING POWER RATIOS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 326
9.5.1. Stopping power ratios for electron beams . . . . . . . . . . . . . 326
9.5.2. Stopping power ratios for photon beams . . . . . . . . . . . . . . 327
9.6. MASS–ENERGY ABSORPTION COEFFICIENT RATIOS . . . 328
9.7. PERTURBATION CORRECTION FACTORS . . . . . . . . . . . . . . . 329
9.7.1. Displacement perturbation factor p dis and effective
point of measurement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 330
9.7.2. Chamber wall perturbation factor p wall . . . . . . . . . . . . . . . . 3319.7.3. Central electrode perturbation p cel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
9.7.4. Cavity or fluence perturbation correction p cav . . . . . . . . . . 334
9.8. BEAM QUALITY SPECIFICATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
9.8.1. Beam quality specification for kilovoltage
photon beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 336
9.8.2. Beam quality specification for megavoltage
photon beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 337
9.8.3. Beam quality specification for megavoltage
electron beams . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 339
9.9. CALIBRATION OF MEGAVOLTAGE PHOTON
AND ELECTRON BEAMS: PRACTICAL ASPECTS . . . . . . . . . 342
9.9.1. Calibration of megavoltage photon beams based on the air
kerma in air calibration coefficient N K,Co . . . . . . . . . . . . . 342
9.9.2. Calibration of megavoltage photon beams based on
the dose to water calibration coefficient N D,w,Co . . . . . . . . 343
9.9.3. Calibration of megavoltage electron beams based on the
air kerma in air calibration coefficient N K,Co . . . . . . . . . . . 345
9.9.4. Calibration of high energy electron beams based on the
dose to water calibration coefficient N D,w,Co . . . . . . . . . . . . 346
9.10. KILOVOLTAGE DOSIMETRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 347
9.10.1. Specific features of kilovoltage beams . . . . . . . . . . . . . . . . 347
9.10.2. Air kerma based in-phantom calibration method
(medium energies) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
9.10.3. Air kerma based backscatter method (low and medium
photon energies) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 349
9.10.4. Air kerma in air based calibration method for very
low energies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
9.10.5. Absorbed dose to water based calibration method . . . . . . 351
9.11. ERROR AND UNCERTAINTY ANALYSIS FOR IONIZATION
CHAMBER MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9.11.1. Errors and uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9.11.2. Classification of uncertainties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
9.11.3. Uncertainties in the calibration chain . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 353CHAPTER 10. ACCEPTANCE TESTS AND COMMISSIONING
MEASUREMENTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.2. MEASUREMENT EQUIPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.2.1. Radiation survey equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
10.2.2. Ionometric dosimetry equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.2.3. Film . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.2.4. Diodes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 356
10.2.5. Phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
10.2.5.1. Radiation field analyser and water phantom . . 357
10.2.5.2. Plastic phantoms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
10.3. ACCEPTANCE TESTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 358
10.3.1. Safety checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
10.3.1.1. Interlocks, warning lights and patient
monitoring equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
10.3.1.2. Radiation survey . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 359
10.3.1.3. Collimator and head leakage . . . . . . . . . . . . . . . 360
10.3.2. Mechanical checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.3.2.1. Collimator axis of rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.3.2.2. Photon collimator jaw motion . . . . . . . . . . . . . . . 361
10.3.2.3. Congruence of light and radiation field . . . . . . . 362
10.3.2.4. Gantry axis of rotation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 363
10.3.2.5. Patient treatment table axis of rotation . . . . . . . 363
10.3.2.6. Radiation isocentre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
10.3.2.7. Optical distance indicator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 364
10.3.2.8. Gantry angle indicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.3.2.9. Collimator field size indicators . . . . . . . . . . . . . . 365
10.3.2.10. Patient treatment table motions . . . . . . . . . . . . . 365
10.3.3. Dosimetry measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 365
10.3.3.1. Photon energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
10.3.3.2. Photon beam uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
10.3.3.3. Photon penumbra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 366
10.3.3.4. Electron energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 367
10.3.3.5. Electron beam bremsstrahlung contamination . 367
10.3.3.6. Electron beam uniformity . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
10.3.3.7. Electron penumbra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
10.3.3.8. Monitor characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
10.3.3.9. Arc therapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37010.4. COMMISSIONING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
10.4.1. Photon beam measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
10.4.1.1. Central axis percentage depth doses . . . . . . . . . 370
10.4.1.2. Output factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
10.4.1.3. Blocking tray factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.4.1.4. Multileaf collimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
10.4.1.5. Central axis wedge transmission factors . . . . . . 374
10.4.1.6. Dynamic wedge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 375
10.4.1.7. Transverse beam profiles/off-axis energy
changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 376
10.4.1.8. Entrance dose and interface dosimetry . . . . . . . 376
10.4.1.9. Virtual source position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 377
10.4.2. Electron beam measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 378
10.4.2.1. Central axis percentage depth dose . . . . . . . . . . 378
10.4.2.2. Output factors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 380
10.4.2.3. Transverse beam profiles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.4.2.4. Virtual source position . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 383
10.5. TIME REQUIRED FOR COMMISSIONING . . . . . . . . . . . . . . . . 384
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 385
CHAPTER 11. COMPUTERIZED TREATMENT PLANNING
SYSTEMS FOR EXTERNAL PHOTON BEAM
RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
11.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 387
11.2. SYSTEM HARDWARE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
11.2.1. Treatment planning system hardware . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
11.2.2. Treatment planning system configurations . . . . . . . . . . . . . 389
11.3. SYSTEM SOFTWARE AND CALCULATION ALGORITHMS 390
11.3.1. Calculation algorithms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 390
11.3.2. Beam modifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
11.3.2.1. Photon beam modifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 393
11.3.2.2. Electron beam modifiers . . . . . . . . . . . . . . . . . . 394
11.3.3. Heterogeneity corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
11.3.4. Image display and dose–volume histograms . . . . . . . . . . . 395
11.3.5. Optimization and monitor unit calculations . . . . . . . . . . . . 396
11.3.6. Record and verify systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 396
11.3.7. Biological modelling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39711.4. DATA ACQUISITION AND ENTRY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
11.4.1. Machine data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 397
11.4.2. Beam data acquisition and entry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 398
11.4.3. Patient data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
11.5. COMMISSIONING AND QUALITY ASSURANCE . . . . . . . . . . 400
11.5.1. Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 400
11.5.2. Verification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 401
11.5.3. Spot checks . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
11.5.4. Normalization and beam weighting . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 402
11.5.5. Dose–volume histograms and optimization . . . . . . . . . . . . 403
11.5.6. Training and documentation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
11.5.7. Scheduled quality assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
11.6. SPECIAL CONSIDERATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 404
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 405
CHAPTER 12. QUALITY ASSURANCE OF EXTERNAL
BEAM RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
12.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
12.1.1. Definitions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
12.1.1.1. Quality assurance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 407
12.1.1.2. Quality assurance in radiotherapy . . . . . . . . . . . 407
12.1.1.3. Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
12.1.1.4. Quality standards . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 408
12.1.2. Need for quality assurance in radiotherapy . . . . . . . . . . . . 408
12.1.3. Requirements on accuracy in radiotherapy . . . . . . . . . . . . 409
12.1.4. Accidents in radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 411
12.2. MANAGING A QUALITY ASSURANCE PROGRAMME . . . 414
12.2.1. Multidisciplinary radiotherapy team . . . . . . . . . . . . . . . . . . 414
12.2.2. Quality system/comprehensive quality assurance
programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 416
12.3. QUALITY ASSURANCE PROGRAMME
FOR EQUIPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
12.3.1. Structure of an equipment quality
assurance programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 418
12.3.1.1. Equipment specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 419
12.3.1.2. Acceptance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41912.3.1.3. Commissioning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
12.3.1.4. Quality control . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 420
12.3.2. Uncertainties, tolerances and action levels . . . . . . . . . . . . . 421
12.3.3. Quality assurance programme for cobalt-60
teletherapy machines . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 423
12.3.4. Quality assurance programme for linacs . . . . . . . . . . . . . . 425
12.3.5. Quality assurance programme for treatment
simulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 425
12.3.6. Quality assurance programme for computed
tomography scanners and computed tomography
simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 429
12.3.7. Quality assurance programme for treatment
planning systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 430
12.3.8. Quality assurance programme for test equipment . . . . . . 431
12.4. TREATMENT DELIVERY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
12.4.1. Patient charts . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 433
12.4.2. Portal imaging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 434
12.4.2.1. Portal imaging techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
12.4.2.2. Future developments in portal imaging . . . . . . . 439
12.4.3. In vivo dose measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 439
12.4.3.1. In vivo dose measurement techniques . . . . . . . . 440
12.4.3.2. Use of electronic portal imaging systems for
in vivo dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
12.4.4. Record and verify systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 443
12.5. QUALITY AUDIT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
12.5.1. Definition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 445
12.5.2. Practical quality audit modalities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
12.5.2.1. Postal audit with mailed dosimeters . . . . . . . . . 446
12.5.2.2. Quality audit visits . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
12.5.3. What should be reviewed in a quality audit visit? . . . . . . . 447
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 448
CHAPTER 13. BRACHYTHERAPY:
PHYSICAL AND CLINICAL ASPECTS . . . . . . . . . . . 451
13.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 451
13.2. PHOTON SOURCE CHARACTERISTICS . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
13.2.1. Practical considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45513.2.2. Physical characteristics of some photon emitting
brachytherapy sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
13.2.3. Mechanical source characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 456
13.2.4. Source specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 457
13.2.4.1. Specification of g ray sources . . . . . . . . . . . . . . . 457
13.2.4.2. Specification of b ray sources . . . . . . . . . . . . . . . 459
13.3. CLINICAL USE AND DOSIMETRY SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . 460
13.3.1. Gynaecology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
13.3.1.1. Types of source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
13.3.1.2. Dose specification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
13.3.1.3. Source arrangement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
13.3.1.4. Applicators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
13.3.1.5. Rectal and bladder dose monitoring . . . . . . . . . 461
13.3.2. Interstitial brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
13.3.2.1. Patterson–Parker system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 461
13.3.2.2. Quimby system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
13.3.2.3. Paris system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462
13.3.3. Remote afterloading systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463
13.3.4. Permanent prostate implants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 464
13.3.4.1. Choice of radionuclide for prostate
implants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
13.3.4.2. Planning technique: ultrasound or computed
tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
13.3.4.3. Preplanning, seed placement and dose
distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
13.3.4.4. Post-implant dose distributions
and evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 465
13.3.5. Eye plaques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
13.3.6. Intravascular brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
13.4. DOSE SPECIFICATION AND REPORTING . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.4.1. Intracavitary treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.4.2. Interstitial treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 467
13.5. DOSE DISTRIBUTIONS AROUND SOURCES . . . . . . . . . . . . . 468
13.5.1. AAPM TG 43 algorithm . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 468
13.5.2. Other calculation methods for point sources . . . . . . . . . . . 471
13.5.3. Linear sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 473
13.5.3.1. Unfiltered line source in air . . . . . . . . . . . . . . . . . 47313.5.3.2. Filtered line source in air . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
13.5.3.3. Filtered line source in water . . . . . . . . . . . . . . . . 475
13.6. DOSE CALCULATION PROCEDURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
13.6.1. Manual dose calculations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 475
13.6.1.1. Manual summation of doses . . . . . . . . . . . . . . . . 475
13.6.1.2. Precalculated dose distributions (atlases) . . . . . 475
13.6.2. Computerized treatment planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.6.2.1. Source localization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.6.2.2. Dose calculation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.6.2.3. Dose distribution display . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 476
13.6.2.4. Optimization of dose distribution . . . . . . . . . . . . 477
13.6.3. Calculation of treatment time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 477
13.6.3.1. Use of Patterson–Parker tables . . . . . . . . . . . . . 477
13.6.3.2. Choice of reference points . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
13.6.3.3. Decay corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 478
13.7. COMMISSIONING OF BRACHYTHERAPY COMPUTER
TREATMENT PLANNING SYSTEMS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.7.1. Check of the reconstruction procedure . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.7.2. Check of consistency between quantities and units . . . . . . 479
13.7.3. Computer versus manual dose calculation for
a single source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.7.4. Check of decay corrections . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 479
13.8. SOURCE COMMISSIONING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
13.8.1. Wipe tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
13.8.2. Autoradiography and uniformity checks of activity . . . . . 480
13.8.3. Calibration chain . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 480
13.9. QUALITY ASSURANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.9.1. Constancy check of a calibrated dosimeter . . . . . . . . . . . . 481
13.9.2. Regular checks of sources and applicators . . . . . . . . . . . . . 481
13.9.2.1. Mechanical properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.9.2.2. Source strength . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 481
13.9.2.3. Wipe tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 482
13.9.3. Checks of source positioning with afterloading devices . . 482
13.9.4. Radiation monitoring around patients . . . . . . . . . . . . . . . . 482
13.9.5. Quality management programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48213.10. BRACHYTHERAPY VERSUS EXTERNAL BEAM
RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 483
CHAPTER 14. BASIC RADIOBIOLOGY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
14.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
14.2. CLASSIFICATION OF RADIATIONS IN RADIOBIOLOGY . 486
14.3. CELL CYCLE AND CELL DEATH . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 487
14.4. IRRADIATION OF CELLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 488
14.4.1. Direct action in cell damage by radiation . . . . . . . . . . . . . . 488
14.4.2. Indirect action in cell damage by radiation . . . . . . . . . . . . 488
14.4.3. Fate of irradiated cells . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
14.5. TYPE OF RADIATION DAMAGE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
14.5.1. Timescale . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 489
14.5.2. Classification of radiation damage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
14.5.3. Somatic and genetic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 490
14.5.4. Stochastic and deterministic (non-stochastic) effects . . . . 491
14.5.5. Acute versus late tissue or organ effects . . . . . . . . . . . . . . . 491
14.5.6. Total body radiation response . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 491
14.5.7. Foetal irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
14.6. CELL SURVIVAL CURVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 492
14.7. DOSE RESPONSE CURVES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 494
14.8. MEASUREMENT OF RADIATION DAMAGE IN TISSUE . . . 496
14.9. NORMAL AND TUMOUR CELLS:
THERAPEUTIC RATIO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 497
14.10. OXYGEN EFFECT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 498
14.11. RELATIVE BIOLOGICAL EFFECTIVENESS . . . . . . . . . . . . . . 500
14.12. DOSE RATE AND FRACTIONATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 501
14.13. RADIOPROTECTORS AND RADIOSENSITIZERS . . . . . . . . . 503
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 504
CHAPTER 15. SPECIAL PROCEDURES AND TECHNIQUES
IN RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
15.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 505
15.2. STEREOTACTIC IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 506
15.2.1. Physical and clinical requirements for radiosurgery . . . . . 506
15.2.2. Diseases treated with stereotactic irradiation . . . . . . . . . 50715.2.3. Equipment used for stereotactic radiosurgery . . . . . . . . . 507
15.2.4. Historical development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 508
15.2.5. Radiosurgical techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
15.2.5.1. Gamma Knife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
15.2.5.2. Linac based radiosurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 509
15.2.5.3. Miniature linac on robotic arm . . . . . . . . . . . . . . 511
15.2.6. Uncertainty in radiosurgical dose delivery . . . . . . . . . . . . . 512
15.2.7. Dose prescription and dose fractionation . . . . . . . . . . . . . . 513
15.2.8. Commissioning of radiosurgical equipment . . . . . . . . . . . . 514
15.2.9. Quality assurance in radiosurgery . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 514
15.2.10. Gamma Knife versus linac based radiosurgery . . . . . . . . . 515
15.2.11. Frameless stereotaxy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
15.3. TOTAL BODY IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 516
15.3.1. Clinical total body irradiation categories . . . . . . . . . . . . . . 516
15.3.2. Diseases treated with total body irradiation . . . . . . . . . . . 517
15.3.3. Technical aspects of total body irradiation . . . . . . . . . . . . . 517
15.3.4. Total body irradiation techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 518
15.3.5. Dose prescription point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 519
15.3.6. Commissioning of total body irradiation procedure . . . . . 519
15.3.7. Test of total body irradiation dosimetry protocol . . . . . . . 521
15.3.8. Quality assurance in total body irradiation . . . . . . . . . . . . 521
15.4. TOTAL SKIN ELECTRON IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . . . 522
15.4.1. Physical and clinical requirements for total skin electron
irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523
15.4.2. Current total skin electron irradiation techniques . . . . . . 523
15.4.3. Selection of total skin electron irradiation technique . . . . 524
15.4.4. Dose calibration point . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
15.4.5. Skin dose rate at the dose prescription point . . . . . . . . . . . 525
15.4.6. Commissioning of the total skin electron irradiation
procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 525
15.4.7. Measurement of clinical total skin electron irradiation
dose distributions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 526
15.4.8. Quality assurance in total skin electron irradiation . . . . . 526
15.5. INTRAOPERATIVE RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
15.5.1. Physical and clinical requirements for intraoperative
radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 527
15.5.2. Intraoperative radiotherapy radiation modalities and
techniques . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52715.5.3. Commissioning of an intraoperative radiotherapy
programme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 528
15.5.4. Quality assurance in intraoperative radiotherapy . . . . . . . 528
15.6. ENDOCAVITARY RECTAL IRRADIATION . . . . . . . . . . . . . . . 529
15.6.1. Physical and clinical requirements for endorectal
irradiation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 529
15.6.2. Endorectal treatment technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 530
15.6.3. Quality assurance in endorectal treatments . . . . . . . . . . . . 531
15.7. CONFORMAL RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 531
15.7.1. Basic aspects of conformal radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . 531
15.7.2. Multileaf collimators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 532
15.7.3. Acceptance testing of multileaf collimators . . . . . . . . . . . . 533
15.7.4. Commissioning of multileaf collimators . . . . . . . . . . . . . . . 534
15.7.5. Quality assurance programme for multileaf collimators . 534
15.7.6. Intensity modulated radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 534
15.7.7. Commissioning of intensity modulated radiotherapy
systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 535
15.7.8. Quality assurance for intensity modulated radiotherapy
systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
15.7.9. Dose verification for intensity modulated radiotherapy
treatment plans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 537
15.8. IMAGE GUIDED RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 538
15.8.1. Cone beam computed tomography . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 539
15.8.2. Computed tomography Primatom . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 540
15.8.3. Tomotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 541
15.8.4. BAT system . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
15.8.5. ExacTrac ultrasonic module . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 542
15.8.6. CyberKnife . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 543
15.9. ADAPTIVE RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 544
15.10. RESPIRATORY GATED RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . 544
15.11. POSITRON EMISSION TOMOGRAPHY/COMPUTED
TOMOGRAPHY SCANNERS AND POSITRON EMISSION
TOMOGRAPHY/COMPUTED TOMOGRAPHY
IMAGE FUSION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 545
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 548CHAPTER 16. RADIATION PROTECTION AND SAFETY IN
RADIOTHERAPY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
16.1. INTRODUCTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 549
16.2. RADIATION EFFECTS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
16.2.1. Deterministic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
16.2.2. Stochastic effects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 550
16.2.3. Effects on the embryo and foetus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
16.3. INTERNATIONAL CONSENSUS AND RADIATION SAFETY
STANDARDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 551
16.4. TYPES OF RADIATION EXPOSURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 552
16.5. QUANTITIES AND UNITS USED IN RADIATION
PROTECTION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
16.5.1. Physical quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
16.5.2. Radiation protection quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 554
16.5.2.1. Organ dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
16.5.2.2. Equivalent dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 555
16.5.2.3. Effective dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 556
16.5.2.4. Committed dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 557
16.5.2.5. Collective dose . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
16.5.3. Operational quantities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
16.5.3.1. Ambient dose equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 558
16.5.3.2. Directional dose equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . 558
16.5.3.3. Personal dose equivalent . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 559
16.6. BASIC FRAMEWORK OF RADIATION PROTECTION . . . . . 559
16.7. GOVERNMENTAL REGULATION AND NATIONAL
INFRASTRUCTURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 560
16.8. SCOPE OF THE BASIC SAFETY STANDARDS . . . . . . . . . . . . 561
16.9. RESPONSIBILITIES FOR IMPLEMENTATION
OF BASIC SAFETY STANDARDS REQUIREMENTS . . . . . . . 562
16.10. SAFETY IN THE DESIGN OF RADIATION SOURCES AND
EQUIPMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 562
16.10.1. Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563
16.10.2. Sealed sources . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 565
16.10.3. Safety in the design of facilities and ancillary
equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
16.10.3.1. Manual brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 567
16.10.3.2. Remote control brachytherapy and
external beam radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . . . 56916.11. SAFETY ASSOCIATED WITH ACCEPTANCE TESTS,
COMMISSIONING AND OPERATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 570
16.11.1. Safe operation of external beam radiotherapy . . . . . . . . . 572
16.11.2. Safe operation of brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 572
16.11.2.1. Safe operation of manual brachytherapy . . . . . . 574
16.11.2.2. Safe operation of remote control
afterloading brachytherapy . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
16.12. SECURITY OF SOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 575
16.13. OCCUPATIONAL EXPOSURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 577
16.13.1. Responsibilities and conditions of service . . . . . . . . . . . . . 577
16.13.2. Use of dose constraints in radiotherapy . . . . . . . . . . . . . . 577
16.13.3. Investigation levels for staff exposure in radiotherapy . . . 578
16.13.4. Pregnant workers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 578
16.13.5. Classification of areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
16.13.6. Local rules and supervision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 579
16.13.7. Protective equipment and tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 580
16.13.8. Individual monitoring and exposure assessment . . . . . . . . 580
16.13.9. Monitoring of the workplace . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
16.13.10. Health surveillance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 581
16.13.11. Records . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 582
16.14. MEDICAL EXPOSURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
16.14.1. Responsibilities for medical exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . 583
16.14.2. Justification of medical exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 584
16.14.3. Optimization of exposure and protection . . . . . . . . . . . . . . 584
16.14.4. Calibration of radiotherapy sources and machines . . . . . . 585
16.14.5. Clinical dosimetry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 587
16.14.6. Quality assurance for medical exposure . . . . . . . . . . . . . . . 587
16.14.7. Constraints for comforters and visitors . . . . . . . . . . . . . . . . 589
16.14.8. Discharge of patients . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 589
16.14.9. Investigation of accidental medical exposure . . . . . . . . . . 590
16.15. PUBLIC EXPOSURE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
16.15.1. Responsibilities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
16.15.2. Access control for visitors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 591
16.15.3. Radioactive waste and sources no longer in use . . . . . . . . 591
16.15.4. Monitoring of public exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 592
16.16. POTENTIAL EXPOSURE AND EMERGENCY PLANS . . . . . 592
16.16.1. Potential exposure and safety assessment . . . . . . . . . . . . . 59216.16.2. Mitigation of consequences: emergency plans . . . . . . . . . . 593
16.16.2.1. Lost source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 593
16.16.2.2. Stuck source . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 594
16.16.2.3. Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
16.16.2.4. Off-site accidents . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
16.16.2.5. Patient accidental exposure . . . . . . . . . . . . . . . . . 595
16.17. GENERAL SHIELDING CALCULATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . 596
16.17.1. Step one: Design dose in occupied areas
(annual dose and weekly dose) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 597
16.17.2. Step two: Calculation of the radiation field
(air kerma in air) in the occupied area without shielding . 598
16.17.3. Step three: Attenuation by shielding barriers . . . . . . . . . . 599
16.18. TYPICAL LINAC INSTALLATION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
16.18.1. Workload . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 600
16.18.2. Calculation of the primary barrier transmission factor . . . 602
16.18.3. Calculation of the scatter barrier transmission factor . . . . 603
16.18.4. Calculation of the leakage barrier transmission factor . . . 603
16.18.5. Determination of barrier thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 604
16.18.6. Consideration of neutron production in a high
energy linac . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
16.18.7. Door of a linac room . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 605
16.18.8. Other considerations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
16.19. SHIELDING DESIGN FOR BRACHYTHERAPY
FACILITIES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 606
BIBLIOGRAPHY. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 607
INTERNATIONAL ORGANIZATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 611
ABBREVIATIONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 613
SYMBOLS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 619
BIBLIOGRAPHY . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 627
INDEX . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 639
· · · · · · (收起)