1986
 

Ontwikkeling "EPID" megavolt röntgencamera in het AvL

Epid prototype.jpg 

Deze kleine beelddetector uit 1984 is het eerste werkende prototype van het Electronic Portal Imaging Device (EPID) dat in het Antoni van Leeuwenhoek is ontwikkeld.  Op de foto wordt een kunsthoofd van het "Alderson" testfantoom in beeld gebracht. Met de injectiespuit rechts wordt de ruimte tussen de printplaten gevuld met trimethylpentaan. Overtollige vloeistof wordt opgevangen in het flesje.

1st EPID air ionchambers.jpg 

 Het hart van de prototype beelddetector is een platte sandwich van 2 printplaten. Op de platen is een patroon van 30 evenwijdige koperbanen geëtst. De platen zijn onderling 90 graden gedraaid zodat een matrix ontstaat van 30x30 kruisingen tussen de bovenste en onderste koperbanen.  Ieder kruispunt vormt een ionisatiekamer van ongeveer 2 mm3.  Het totale beeldvlak is 7,5 x 7,5 cm.

 Onder invloed van de fotonenstraling uit de versneller vloeit in de kamers door ionisatie een kleine electrische stroom die in verhouding staat tot de intensiteit van de straling. In enkele seconden worden na elkaar de strips van de ene plaat op hoogspanning geschakeld, en van de strips op de andere plaat worden de stroomsterktes gemeten. Uit de 900 meetwaarden wordt een electronische megavoltfoto berekend. De foto toont een vroeger prototype dat met lucht is gevuld. Het definitieve model wordt gevuld met een vloeistof, waardoor de gevoeligheid aanzienlijk toeneemt. Ook treedt een kortdurend geheugeneffect op waardoor de meetsignalen in de gepulste straling van de versneller beter kunnen worden verwerkt. 

Het belang van online megavolt beelddetectie.

In de klinische praktijk van de radiotherapie in de jaren '80 wordt de megavolt  portal film opname een belangrijk onderdeel van de dagelijkse kwaliteitscontrole op de uitvoering van bestralingen. De  treatment planning software en de computersystemen  voor de dosisberekeningen  worden steeds beter, en de kliniek ontwerpt  daarmee complexe bestralingsgeometrieën.  De dagelijkse aantallen portal image controles wordt zo groot dat de veelal handmatige verwerking van de films tekort schiet. Er ontstaat een dringende behoefte aan snelle en automatische portal image controle op de uitvoering van de bestralingen. Wereldwijd werken researchgroepen aan het ontwerp van een megavolt beelddetector.  Dat betreft vaak constructies met een videocamera die via een spiegel het beeld van een fluorescerende plaat  opnemen, of met een scannende rij detectoren. Het AVL kiest voor de radicale benadering om een platte detector te ontwerpen die net zo handig is in het gebruik als de traditionele röntgen filmcassette.

  Fysicus Harm Meertens is in het AVL de eerste die experimenteert met een zelfgebouwde dradenkamer. Daarin wordt de ionisatie van lucht ten gevolge van de stralenbundel gemeten tussen elkaar kruisende metaaldraden. Door twee reeksen draden haaks op elkaar te plaatsen ontstaat  op ieder kruispunt een kleine ionisatiekamer en dit geheel zou een grove megavoltfoto kunnen opleveren. Het principe werkt maar is te ongevoelig voor een praktische toepassing. 

 Ontwikkeling megavolt röntgencamera door    Marcel van Herk en Jan de Gans.

VanHerk.jpg
1988 Jan de Gans.jpg

Prof. dr. Marcel van Herk (li)                   ing. Jan de Gans (re)

In 1982 krijgt de ontwikkeling van het idee van Harm Meertens een nieuwe impuls. De jonge fysicus in opleiding Marcel van Herk wordt aangetrokken om de electronische röntgencamera verder te ontwikkelen. In het AVL vormt Marcel met elektronicus Jan de Gans een ontwikkelteam met bijzondere capaciteiten. Beiden zijn bevlogen technische ontwikkelaars en kunnen hun ideeën omzetten in werkende constructies. Ze vinden elkaar ook in hun afwijzing van bureaucratie en scheppen in de fysicavleugel van de bestralingsafdeling een werkklimaat waarin ideeën kunnen rijpen en wat onmogelijk lijkt wordt door hen bereikt.

Met beperkte middelen wordt het principe van een matrix stralendetector met uitlezing door een computer gerealiseerd.  Marcel ontwikkelt met hulp van de eigen instrumentmakerij en onderdelen uit  elektronicawinkels een gevoelige matrix kamer met vloeistof gevulde ionisatiekamers. Eerst een prototype van 30x30 kamers, daarna een grote matrix van 128x128 en tenslotte een hoge resolutie EPID van 256x256 beeldpunten.

1986 EPID clinical.jpg 

128x128 matrix ionisatiekamer EPID, beeldvlak 320x320 mm. Prototype in 1986 gebouwd in de AVL-RT werkplaatsen.

In 1986 worden met deze volwaardige EPID voor het eerst tijdens een bestraling portal megavoltbeelden opgenomen. In 1988 wordt over de ervaringen met deze EPID gerapporteerd. 69)

1986 first patient image HN.jpg 

In 1986 wordt de eerste opname in de kliniek gemaakt met de EPID. Op het eerste gezicht is er weinig detaillering te zien. Na bewerking met  geavanceerde software levert dit beeld belangrijke informatie over de geometrie van de stralenbehandeling. In samenhang met de ontwikkeling van de EPID wordt ontwikkeling van software voor beeldbewerking een belangrijke activiteit in de researchgroep van de Radiotherapie in het Antoni van Leeuwenhoek.

 Het computersysteem van de EPID.

1986 epid system schematic.jpg 

Systeemtekening van het complete systeem voor online portal imaging van het NKI/AVL.

Om het megavoltbeeld uit te lezen worden de koperstrips van de bovenste printplaat om de beurt op een spanning van 300V aangesloten.  Onder hoogspanning wordt daarna in 20 msec de gecollecteerde lading van de 128 kruisende strips uitgelezen. Dit proces wordt 128 maal herhaald tot het gehele beeld is ingelezen.  De totale tijd voor het inlezen en zichtbaar maken van een megavolt portal image is maximaal 3,1 sec.

Complete computers voor deze uitlezing van de beeldinformatie waren nog groot en te duur voor dit experiment. Er bestonden nog geen PC's, en de eerste computerchips begonnen net op de markt te komen.   Jan de Gans ontwikkelt met die eerste chips zelf de benodigde snelle computersystemen en ontwerpt ook de elektronische schakeling van de matrixkamer.

JandeGans werkplaats web.jpg 

ca 1985, ing. Jan de Gans in de elektronica werkplaats van de afdeling Radiotherapie.

Het computersysteem van de EPID wordt door Jan in eigen beheer ontworpen en gebouwd. De printkaarten zijn van eigen ontwerp. De kale printplaten worden extern geproduceerd. Bij grote spoed kunnen ook in eigen beheer printkaarten worden geëtst.  Computerchips en andere componenten worden er in het AVL op gemonteerd.

Epid Prototype CPU 286.jpg 

Microprocessor kaart voor het EPID computer systeem. Ook deze schakeling is door elektronicus Jan de Gans ontworpen en gefabriceerd. Deze systeemcomputer bestaat uit een Intel 80286 16 bit microprocessor, 256 kbyte RAM, harde schijf, een snelle 12 bit A/D converter.  

De besturingssoftware wordt bit voor bit geprogrammeerd. Betaalbare ontwikkelsoftware voor de nieuwe configuratie is niet verkrijgbaar.  Jan en Marcel bouwen een eigen software ontwikkelsysteem en programmeren de software modules waarmee het EPID systeem wordt opgebouwd.

De Epid ontwikkeling wordt uitgebreid beschreven in de proefschriften 63) en 67) bij de promoties van Dr. Ir. Harm Meertens (1989) en Dr. Marcel van Herk (1992).

 

Bronnen & Publicaties

  • 69) “Presentatie tijdens de 30th annual meeting of the American Society of Therapeutic Radiology and Oncology”, New Orleans, October 1988. ,
  • 63) “On-line acquisition and analysis of Portal images” door Harm Meertens. Academisch Proefschrift, Universiteit van Amsterdam 1989, promotor Prof. Dr. J. Strackee. ,
  • 67) “An electronic portal imaging device; physics, development and application” door M. van Herk. Academisch Proefschrift, Universiteit van Amsterdam 1992, promotoren prof . dr. J. Strackee en prof. dr.H. Bartelink. ,