Dosimetric characteristics of a low-kV intra-operative x-ray source: Implications for use in a clinical trial for treatment of low-risk breast cancer

2427
M. A. Ebert and B. Carruthers: Dosimetric characteristics of a low-kV x-ray
2427
Medical Physics, Vol. 30, No. 9, September 2003

---

ment uses a 30 mm diameter applicator with a dose prescrip-
tion of 5 Gy to a point 10 mm distal to the applicator surface.
Values calculated with Monte Carlo are compared to those
calculated with the primary beam model.
Figure 8 shows results of Monte Carlo calculations indi-
cating the effect of the skin/air interface adjacent to the treat-
ment site. The percentage dose reduction relative to the full
backscatter situation is shown for situations where the
applicator-surface to skin distance is 10 mm, 30 mm and 50
mm.
E. Dose prescription
In Fig. 9, the minimum, mean and maximum dose over
the ‘‘target’’ region of a spherical shell 10 mm in width about
each applicator are shown for a range of applicator sizes. The
three potential prescription methods are shown with normal-
ization such that the minimum dose for treatment with the 30
mm diameter applicator
共i.e., the dose at 10 mm from the
applicator surface
兲 is equal to unity.
IV. DISCUSSION
A. Dosimetric modeling
The use of basic dose distributions in water makes an
intercomparison of measurement, the primary beam model
and Monte Carlo model difficult as these distributions dis-
play relative insensitivity to spectral variations at these ener-
gies. An examination of Fig. 3 shows that there is very little
difference in dose fall-off characteristic for the three x-ray
energies. Greater sensitivity is naturally found in the exami-
nation of actual spectral variations with distance as seen in
Fig. 2. Here we see the influence of beam hardening with
distance in water as changes in (
␮
¯
en
/
␳
)
w/air
of up to 5% over
100 mm for the 50 kV beam. The inclusion of scatter in the
Monte Carlo model is expressed predominantly in the 30 kV
beam as an additional backscatter component at shallow
depths
共see Fig. 2兲. As we move through the 40 kV beam to
the 50 kV beam, this shifts to a greater effect of scattered
x-rays at greater distances from the source.
The relative dose distributions shown in Fig. 3 indicate
good agreement between measurement and both the primary
beam and Monte Carlo models. The primary beam and
Monte Carlo models slowly separate at depth reflecting the
increasing range of secondary particles though, in general, it
appears that the primary beam model provides a suitable fast
and simple approximation in this homogeneous situation.
The principle discrepancy with measurement occurs for all
three energies at the measurement point closest to the source.
This is very likely to be due to the steepness of the dose
gradient at this point and the effect of averaging across the
volume of the PTW Type M23342 soft x-ray parallel plate
chamber. This chamber has a width of 1 mm in the direction
of the dose fall-off, corresponding to a change in dose of
greater than 50% at 5 mm distance from the source at 50 kV.
The effective depths in breast tissue relative to water for
the three x-ray energies shown in Fig. 4 shows that this ratio
rapidly shallows with distance from the Intrabeam source.
For the 50 kV beam at depths relevant to dose prescription
共approximately 10 mm to 40 mm兲 there will be an approxi-
F
IG
. 6. Variations in absolute output for the 50 kV beam for a variety of
applicator sizes, in this case defined as dose-rate at a distance of 30 mm
from the Intrabeam source. Results of Monte Carlo simulations are shown
with the manufacturer’s measured data. Normalization is to the output for
the bare probe.
F
IG
. 7. The variation in dose to the first 1 mm of bone in water as the
water/bone interface is moved away from the Intrabeam source.
F
IG
. 8. The effect of a lack of backscatter due to the patient external contour
adjacent to the treatment site. The graph shows a % dose reduction due to
the presence of the skin/air interface relative to the full backscatter situation,
for several applicator–surface separations. For all cases, a 50 kV beam with
a 30 mm diameter applicator has been utilized.