Přidal I., Novák V., Gremlica D.

Prezentace na téma: "Přidal I., Novák V., Gremlica D."— Transkript prezentace:

1 Přidal I., Novák V., Gremlica D.
Možnosti stanovení dávkové distribuce ve svazcích terapeutických rentgenů nízkých energií. Přidal I., Novák V., Gremlica D. Dozimetrie rentgenových svazků nízkých energií je velmi okrajová problematika. Jedna z mých starších kolegyň na podobné téma máchla rukou a řekla „na ty strupy…“ Navíc je to látka poměrně komplikovaná. To už je určitě dost důvodů neztrácet s ní zbytečně čas. Fotonové svazky s nízkou energií mohou ale být dobrým modelem, na němž se lze zbavit dojmu, že všechno je tak jednoduché jako v případě vysokoenergetických fotonů.

2 Určení dávky při rentgenové terapii
Dávka v referenčním bodě Předpis dávky při ozáření nízkoenergetickými rentgenovými svazky je poměrně prostý. Svazky se vzájemně nekombinují a vstupují zpravidla kolmo k povrchu do měkkých tkání. K získání informace o rozložení dávky v ozářené měkké tkáni postačí proto doplnit znalost dávky v referenčním bodě na povrchu fantomu, průběhem procentuální hloubkové dávky ve směru osy svazku a případně také popisem rozložení dávky směrem od centrálního paprsku např. ve formě izodózních listů. Dávka v bodě mimo osu svazku

3 Zdroje nejistot při stanovení dávky
Základní příčinou většiny komplikací je skutečnost, že dostaneme-li se pod hranici přibližně 100 keV, začínají se výrazně rozcházet dozimetrické charakteristiky i u materiálů, které jsou z pohledu vysokých energií totožné - vodě ekvivalentní. Za viníka lze považovat fotoefekt. J Med Phys Oct-Dec; 38(4): 158–164.

4 Dozimetrie povrchových rentgenů optikou vysokých energií
Křivka hloubkových dávek se v hustším PMMA „nesrazí, ale vytáhne.“ Důsledkem je selhání jednoduché představy, že do řidšího prostředí proniká záření lépe, než do prostředí hustšího. Měřená křivka hloubkové dávky v plexiskle se oproti vodě vytáhla a nesrazila se, jak bychom mohli čekat. RW1 škálováno

5 Dozimetrie povrchových rentgenů optikou vysokých energií
„Co svazek – to originál!“ Selhává také další zažitá představa. V případě vysokých energií jsme zvyklí považovat kvalitu v různých místech svazku za stejnou. Využíváme toho, když mapujeme dávku porovnáváním odezvy detektoru v různých místech fantomu. V případě nízkých energií je třeba na tyto příjemné vlastnosti rychle zapomenout. Svazek při průchodu prostředím výrazně tvrdne. V závislosti na výchozím spektrálním složení proto každý svazek proniká do tkáně po svém a je velmi složité odhadnout v místě měření vztah mezi odezvou detektoru nebo zčernáním filmu a dávkou.

6 Dozimetrie povrchových rentgenů optikou vysokých energií
Ionizační komory představují pro svazky nízkých energií „velkou dutinu“. Odezva detektoru s „velkou“ dutinou registruje přímo interakce primárních fotonů. V případě uplatnění fotoefektu je proto velmi citlivá jak ke změnám v konstrukci detektoru, tak také ke změnám spektra primárních fotonů. Citlivost ke změnám v kvalitě svazku nebo v materiálovém složení se nevyhýbá ani samotným detektorům. Sekundární elektrony megavoltážních fotonových svazků mají ve stěně ionizační komory dosah v řádu centimetrů. Přecházejí proto hromadně do vzduchové dutiny, kde způsobují komorou registrované ionizace. Ionizační komora registruje proto především ztráty sekundárních elektronů. Díky nevýrazné závislosti energetických ztrát na materiálovém složení komory se i různé ionizační komory stejného typu chovají velmi podobně. Pro přechod mezi odlišnými kvalitami svazku lze např. pro všechny komory stejného typu stanovit stejné univerzální faktory, uvedené v doporučení TRS 398. Při energii několika desítek keV je však dosah sekundárních elektronů ve vodě jen několik mikrometrů. Většina sekundárních elektronů vytvořená ve stěně ionizační komory v ní proto také uvízne. V dutině komory se tedy registruje především energie uvolněná při interakci samotných fotonů s molekulami vzduchové náplně. Díky vlastnostem fotoefektu jsou detektory fotonů velmi náchylné k vlivům různých konstrukčních nepřesností, které existují i v rámci stejného typu ionizační komory. Neexistují proto univerzální hodnoty opravných faktorů zohledňujících kvalitu svazku. V doporučení TRS 398 jednoduše příslušnou tabulku nenajdete. Odpovídající faktory je třeba určit individuálně při kalibraci komory.

7 Dávka v referenčním bodě
„Co detektor - to originál!“ Planparalelní ionizační komora PTW 23342 Cestou, jak zdroje nejistot omezit je rušivé vlivy materiálů použitých při konstrukci detektoru potlačit na nejnižší možnou míru. Vlivy, kterým se nelze vyhnout je třeba co nejpřesněji specifikovat a opravit. Pro stanovení dávky v nízkoenergetických rentgenových svazcích jsou z tohoto pohledu nejvhodnější speciální planparalelní ionizační komory, u nichž lze nejlépe reprodukovat materiálovou konstrukci. Zásadním požadavkem na konstrukci těchto komor je uzavřít dutinu extrémně tenkým vstupním okénkem. Cílem je zajistit, aby fotony i sekundární elektrony vstupovaly do dutiny přímo z prostředí před ionizační komorou a byly co nejméně znečištěny příměsí pocházející z materiálu vstupního okénka. Výrazem skutečnosti, že záření detekované komorou má svůj původ v prostředí před dutinou je poloha efektivního středu ionizační komory na vnějším povrchu vstupního okénka. Oproti vlivu vstupního okénka se uplatnění ostatních stěn dutiny zpravidla zanedbává. V prvém přiblížení je rozptyl ze stěn zahrnut v odezvě ionizační komory prostřednictvím kalibrace. Změny rozptylu při přechodu k uživatelským podmínkám se pak v rámci jeho nízkého podílu uplatní ve výsledku jen velmi málo.

8 Dávka v referenčním bodě
Ionizační komora s extrémně tenkým vstupním okénkem (0,03 mm – polyetylén) PMMA fantom PTW 2962 Dávka Stanovení dávky v referenčním bodě by mělo být tím nejméně sporným krokem celé procedury. Postup stanovení dávky v referenční hloubce je podrobně popsán v doporučení TRS 398 a postačí ho tedy krok za krokem realizovat. Obecným předpokladem stanovení dávky v referenčním bodě je dodržení podmínek použitých pro kalibraci dozimetrického řetězce také při skutečném měření v uživatelském svazku. Do nejistot při stanovení dávky proto v našem případě vstupuje odlišnost kvality kalibračního a uživatelského svazku. Sada kalibračních kvalit totiž obsahuje svazky s úzkým spektrem blízké spíš ideálním monoenergetickým, než reálným terapeutickým svazkům. Za zmínku stojí také skutečnost, že při měření dávky není jednoznačně doporučeno provádět korekci na sběr iontů. Změny napětí na komoře totiž mohou způsobit průhyb vstupního okénka a tím zanést do výpočtu větší nejistoty než vyvolá sám nedokonalý sběr iontů.

9 Procentuální hloubková dávka - PMMA
 Definované uspořádání Ekvivalence vodě PMMA Z hlediska nejistot v uspořádání je nejméně zranitelná metoda měření v  PMMA fantomu. PMMA je dobře definovaný dozimetrický materiál, firemní fantom má zaručovanou tloušťku desek. Problém tohoto postupu ale spočívá v nedostatečné ekvivalenci PMMA vodě. Doporučení TRS 398 od použití PMMA fantomu vysloveně zrazuje. 

10 Procentuální hloubková dávka - RW1
Definované uspořádání Ekvivalence vodě  ? RW1 Vedle PMMA fantomu jsou komerčně dostupné také voděekvivalentní materiály, jejichž složení je navrženo cíleně pro použití v oboru nízkých rentgenových energií. Z těchto materiálů jsme měli možnost vyzkoušet materiál s firemním označením RW1 firmy PTW. Sadu desek RW1 nám zapůjčil SÚRO. Použití RW1 deskového fantomu zachovává výhody geometrické přesnosti a navíc by mělo přinést lepší ekvivalenci vodě. Problémem je, chybějící zkušenost s tímto materiálem. Firma PTW přestala materiál nabízet, což vždy vyvolává otázky. Důvěru nevzbuzuje také skutečnost, že v sestavě fantomu vykazovala jedna z desek výrazně odlišné vlastnosti oproti ostatním.

11 Procentuální hloubková dávka - voda
 Definované uspořádání Ekvivalence vodě Vodní fantom Pro měření hlobkových dávek ve vodě byl použit vodní fantom MP3 v kombinaci s komorou PTW TM Uvedená komora není vodotěsná. Při měření byla proto zavedena do mikrotenového návleku, zbavena vzduchových vaků a upevněna k jezdci fantomu. Na rozdíl od použití plastových fantomů přináší měření ve vodě řadu nejistot v uspořádání. První problematickou záležitostí je použití mikrotenového návleku. Přesněji se jednalo o běžný mikrotenový sáček používaný v supermarketech. Dá se předpokládat, že výrobce sáčků na rohlíky neřeší jejich dozimetrické vlastnosti. Použití materiálu nejistého složení však lze ospravedlnit tím, že návlek při měření zcela zanedbatelně ovlivňuje odezvu ionizační komory. Komplikace lze očekávat také v důsledku ovlivnění ventilace komory návlekem. Ponořením komory do vody je folie vstupního okénka vystavena přídavnému tlaku. Není jasné, zda změny tlaku nemohou vyvolat deformace vstupní elektrody podobné těm, které jsou popsány při změnách napětí na komoře. Zmiňované efekty by se však měly projevit při srovnání s odezvou komory určené pro měření ve vodě. Při měření v konvenčních rentgenových svazcích, kde lze použít také komoru Farmerova typu však tato komora dává shodné výsledky jako komora s tenkým vstupním okénkem. Dalším jevem, který nepochybně ovlivňuje měření ve vodě je kapilární jev. Smáčivost mikrotenu opět nemusí být ideální pro potlačení vzlínání hladiny vzhledem k povrchu komory. Vliv stahování či zdvihání hladiny nad ionizační komorou se však při posunu komory z hloubky k povrchu může projevit jen ve velmi malých hloubkách. 

12 Procentuální hloubková dávka porovnání výsledků
Kvalita svazků: 30kV/0,1mm Al (HVL 0,15 mm Al) 40kV/0,4mm Al (HVL 0,49 mm Al) 75kV/0,8mm Al (HVL 1,24 mm Al) Na tomto obrázku jsou porovnány výsledky měření procentuální hloubkové dávky pro tři různé kvality svazků. Výsledky ukazují, že měření provedená ve vodním fantomu se skutečně prokazatelně liší od měření v PMMA fantomu – jak to uvádí doporučení TRS S hodnotami stanovenými ve vodě ekvivalentním fantomu RW1 se však křivky měřené ve vodě také zcela nekryjí.

13 Procentuální hloubková dávka porovnání výsledků
30 kV/0,1mm Al Posun o 0,5 mm Výsek grafu v semilogaritmickém měřítku naznačuje, že na rozdíl od křivek měřených v deskovém fantomu vykazuje křivka měřená posunem ionizační komory ve vodě na počátku zaoblené raménko. Existence raménka může odrážet nepřesnosti v poloze ionizační komory ve vodě způsobené zčásti povrchovými jevy a zčásti nastavením komory. Ve prospěch takového vysvětlení svědčí skutečnost, že posunutí křivky o 0,5 mm výrazně vylepší shodu mezi měřením ve vodě a v materiálu RW1.

14 Izodózní křivky Izodózní křivky
Měření dávkových profilů v nízkoenergetických rentgenových svazcích pomocí ionizační komory PTW TM23342 není např. kvůli jejím rozměrům snadno proveditelné. Pro mapování silně zahuštěných distribucí dávky podobných těm, které produkují povrchové rentgeny se proto zdá být logické použití radiochromických filmů. Také filmová dozimetrie však v oboru nízkých rentgenových energií naráží na celou řadu úskalí. Použití gafchromických filmů je poměrně obšírně referováno v oblasti konvenčních rentgenů. Ohledně nižších energií se však všechny publikace zpravidla omezují pouze na konstatování, že při přechodu k  energiím nižším, než 100 keV poskytují samovyvolávací filmy značně zkreslené výsledky s chybami v řádu desítek procent. Vyřešit zmíněný problém a přiblížit se ke skutečné distribuci dávky ve vodě na základě filmové dozimetrie předpokládá znalost lokální distribuce vztahu dávka -optická denzita. Pro naše účely byl tento vztah odhadnut navázáním filmové dozimetrie na výsledky měření ionizační komorou PTW TM23342 na ose svazku. Experimentální uspořádání je patrné z obrázku. Gafchromický film EBT2 byl upevněn v ose svazku ve svislé poloze ve vodním fantomu na kontakt s tubusem rentgenového přístroje. Film byl ozářen dávkou odpovídající přibližně 5 Gy na povrchu fantomu a nasnímán pomocí skeneru Epson Expression 10 000 XL. Výsledný soubor byl převeden do textového formátu pomocí programu Verisoft verze V programu MS Excel byla data částečně vyhlazena, korigována na pozadí a překalibrována podle hodnot získaných ionizační komorou na ose svazku. Výsledná distribuce byla zobrazena opět s využitím programu Verisoft.

15 Izodózní křivky Tubus  3 cm 30kV/0,1mmAl 40kV/0,4mmAl 75kV/0,8mmAl
Na tomto obrázku jsou znázorněny výsledky mapování izodoz pro referenční velikost tubusu  3 cm a tři odlišné kvality svazku. 40kV/0,4mmAl 75kV/0,8mmAl

16 Izodózní křivky Tubus  3 cm
Použitá metoda rekonstrukce izodoz se spoléhá na několik předpokladů. Prvním je, správnost právě té křivky hloubkových dávek, která byla stanovena ionizační komorou PTW TM Dále se metoda spoléhá i na správnost všech postupu použitých při ozáření a zpracování gafchromických filmů EBT2. Zcela zásadním předpokladem při vyhodnocení je ale nezávislost lokálního vztahu mezi optickou denzitou a dávkou na poloze hodnoceného bodu v celé ploše ozářeného filmu. Je zřejmé, že uvedený předpoklad nemusí být obecně platný. Místům stejného zčernání nemusí vždy nutně odpovídat také stejná energetická spektra záření v rentgenovém svazku a tím stejná dávka. Prezentovaný model však předpokládá, že alespoň na paprscích primárního svazku v oblasti plata je průběh tvrdnutí spektra s hloubkou přibližně obdobný jako na centrálním paprsku. V oblasti polostínu je situace zřejmě složitější. Příkrý spád dávky na hranici svazku je však zárukou, že i značná nepřesnost při přepočtu zčernání na dávku vyvolá jen nepatrný posun hraniční izodozy.

17 Závěr Pořízené výsledky ilustrují:
Odlišný průběh hloubkové dávky ve vodě a v PMMA Postup, kterým lze aproximovat průběh hloubkové dávky a izodózních křivek ve vodě Primárním cílem plánování radioterapie není předpověď rozložení dávky, ale odhad účinků léčby. Terapeut přitom pracuje se zkušeností , jak výsledek léčby koreluje s podklady, které poskytuje výpočet dávky. Tato zkušenost je dnes založena na využití PMMA fantomu. I když takto stanovená dávka není fyzikálně správná výsledek je správný a není třeba postup měnit.

18 Děkuji za pozornost. Primárním cílem plánování radioterapie není předpověď rozložení dávky, ale odhad účinků léčby. Terapeut přitom pracuje se zkušeností , jak výsledek léčby koreluje s podklady, které poskytuje výpočet dávky. Tato zkušenost je dnes založena na využití PMMA fantomu. I když takto stanovená dávka není fyzikálně správná výsledek je správný a není třeba postup měnit.