Климанов Дозиметрия ионизируюшчикх излучениы 2015

ного объема, который заменяет камера; замену воды камерой; изменение энергетического и углового распределения фотонов при переходе от измерений в воздухе к измерению в фантоме; невоздухоэквивалентность центрального электрода камеры. Отношение

(μen / ρ)airw конвертирует воздушную керму в водяную керму и,

наконец, доза в воде приравнивается к водяной керме, так как существует РЗЧ.

Первоначально в работе [3] для ионизационных камер фармеровского типа рекомендовалось увеличение kch-фактора до значения 1,1 при уменьшении ускоряющего потенциала трубки до 100 кВ. Однако позднее эта рекомендация во многих работах подверглась критике и IAEA официально отозвала свои рекомендации, предложив для kch-фактора значения, изменяющиеся от 1,0 при СПО = 3 мм Cu до 1,03 при СПО = 0,2 мм Cu с неопределенностью 2 % (1 СО) [31]. В настоящее время разумное согласие наблюдается для ионизационных камер фармеровского типа между рекомендациями работ [31, 33]. Дополнительно в работе [32] даются значения kch-фактора для ряда других коммерческих камер, причем ни одно из рекомендуемых значений не выходит за пределы интер-

вала 0,99 – 1,04.

Отношение (μen / ρ)airw оценивалось в нескольких работах мето-

дом Монте-Карло (например, в [34]). Результаты разных авторов согласуются между собой в пределах 1 %.

8. Абсолютная дозиметрия малых и нестандартных пучков фотонного излучения2

В начале 21 века широкое распространение получили методики медицинского облучения, основанные на создании неоднородных дозовых распределений при помощи суперпозиции полей малых поперечных размеров (ЛТМИ – лучевая терапия с модуляцией интенсивности (англ. IMRT)) и прецизионном облучении высокими дозами новообразований малых размеров (СРХ/СРТ – стереотаксическая радиохирургия/радиотерапия). Более того, были созданы

2 Раздел подготовлен аспирантом НИЯУ МИФИ Казанцевым П.В.

391

специализированные установки для лучевой терапии, которые могут быть использованы только для облучения по перечисленным методикам (установки Cyberknife, Gammaknife, Tomotherapy). Ха-

рактерной особенностью таких установок является невозможность установления референсных условий для калибровки по поглощенной дозе в воде, поскольку они технологически не способны воссоздать опорное поле размером 10х10 см2. Наличие этой проблемы, а также необходимость разработки методологии дозиметрического контроля облучения с модуляцией интенсивности привело к разработке в 2008 г. нового формализма по определению поглощенной дозы в воде в этих нестандартных условиях [35].

8.1. Общие положения

Ядро нового формализма составили два взаимосвязанных пути определения поглощенной дозы в воде для ситуаций, отличных от стандартных опорных условий, для которых существуют разработанные протоколы, и обычно относящихся к специальным или сложным способам доставки дозы. Оба пути требуют как расширения концепции опорного поля для включения малых и нестандартных полей, так и модификации опорных условий, таких как форма фантома и его материал. Эти два пути приведены ниже:

1.Дозиметрия малых статических пучков, привязанная к калибровке в широком пучке и вводящая промежуточное понятие машинно-специфичного опорного поля (англ. MSR – machinespecific reference field) для терапевтических установок, в которых невозможно создание стандартного опорного поля.

2.Дозиметрия составных полей, привязанная к калибровке в широком пучке, и которая может включать, по необходимости, введение как промежуточного машинно-специфичного опорного поля, так и специфического опорного поля для класса планов (англ.

PCSR – plan class specific reference field), определенного ниже.

Необходимо отметить, что специфическое поле для класса планов может представлять собой как трехмерный облученный объем, так

ичетырехмерную облучающую последовательность. PCSR должен быть как можно ближе к классу интересующих клинических планов и обеспечивать однородность дозы в области, перекрывающей размеры опорного детектора.

392

Вводятся следующие калибровочные и терапевтические типы полей:

fref – это стандартное опорное поле в дозиметрических протоколах, для которого калибровочный коэффициент в единицах поглощенной дозы в воде представляется поверочной (калибровочной) лабораторией;

fmsr – это машинно-специфическое опорное поле, определенное для терапевтических установок, которые не могут обеспечить создание стандартного опорного поля. К примеру, машинноспецифичным опорным полем для CyberKnife может служить круглое поле диаметром 6 см, для GammaKnife – круглое поле диаметром 1,6 или 1,8 см, для TomoTherapy – статическое поле 5х20 см. В общем, машинно-специфичные опорные поля должны быть максимально близки к стандартным опорным полям общеизвестных дозиметрических протоколов [7, 8];

fpcsr – это специфическое поле для класса планов, представляю-

щее класс ЛТМИ sliding window, ЛТМИ step-and-shoot полей или комбинацию полей, таких чтобы в области детектора в результате суммирования всех субполей достигалось электронное равновесие. Напомним, что в стандартной дозиметрии широких полей имеет место переходное электронное равновесие. Различные специфические поля для класса планов могут быть определены для различных локализаций и представлять собой согласованные с производителем оборудования протоколы облучения. В качестве примера специфического поля для класса планов можно привести составное гомогенное дозовое распределение, созданное в области цилиндрической формы диаметром 10 см и высотой 10 см внутри цилиндрического объема диаметром 20 см, представляющего собой водоэквивалентный фантом. Такое определение fpcsr применимо к томотерапевтическим машинам, любым установкам ЛТМИ на основе конвенциональных ускорителей, планам GammaKnife, квадратным полям ЛТМИ составленным из большого числа малых сегментов, а также квадратному полю 10х10 см, гомогенно распределенному по глубине 10 см для сканирующего пучка протонов с модуляцией пробегов;

fclin – это клиническое поле излучения, для которого требуется определение поглощенной дозы в воде.

393

Представленный формализм может быть применен как для малых статических, так и больших составных полей. Для большего удобства, формализм первоначально описан для малых статических полей с последующим расширением на остальные сферы применения.

8.2. Малые статические поля – калибровка

пучке качества Qmsr и опорном поле fmsr в отсутствие детектора вычисляется по следующей формуле:

где Q – качество излучения в стандартном опорном пучке fref в соответствии с утвержденными дозиметрическими протоколами; Qmsr – качество излучения в машинно-специфичном опорном поле

fmsr.

Если fmsr определено для машины со стандартным опорным полем fref, что и будет происходить в большинстве случаев, разница в качестве пучка будет зависеть только от различия в размере полей (а также, возможно, других условий, таких как геометрия проведения измерений и состав материала фантома). Если, к тому же, fmsr является достаточно большим для сохранения электронного равновесия, качество пучка будет совпадать с Q, и, строго говоря, новое обозначение для него не требуется. Однако использование другого обозначения введено специально для того, чтобы уточнить, что качество пучка может отличаться:

–показания дозиметра в поле fmsr, скорректированные на

влияющие величины, такие как температура и давление, неполный сбор заряда и эффект полярности;

, , – калибровочный коэффициент в единицах поглощенной

дозы в воде для ионизационной камеры в опорном поле пучка с качеством Q0 (чаще Со-60). Коэффициент измеряется в поверочных лабораториях для опорного поля 10х10 см;

394

, – поправочный коэффициент на качество излучения, учи-

тывающий различия между опорным полем качества Q0 в поверочной лаборатории и стандартным опорным полем fref качества Q;

в размерах полей, геометриях измерений, материалах фантомов и качестве излучения между стандартным опорным полем fref и ма- шинно-специфичным опорным полем fmsr. Это обобщенная версия классического поправочного коэффициента на качество излучения. Если размер поля и все другие условия геометрии и материала фантома при переходе к fmsr остаются теми же, то данный коэффициент упрощается до стандартного поправочного коэффициента на качество излучения. С такой точки зрения, поправочный коэффициент на качество излучения из TRS-398 может рассматриваться как специальный случай этого введенного коэффициента.

ионизационной камеры в полях fref и fmsr и определяется следующим образом:

,

Таким образом, введение этого коэффициента представляет собой расширение существующего дозиметрического протокола. Ожидается, что различия в качестве излучения в стандартном опорном поле и машинно-специфичном опорном поле окажутся несущественными. В идеале, этот коэффициент должен быть получен в результате прямой калибровки ионизационной камеры в обоих полях по первичному эталону или же другому детектору, такому как аланиновый или ферросульфатный детектор, радиохромная пленка, поверяемому по первичному эталону поглощенной дозы в воде, и который не испытывает значительной зависимости показаний от качества пучка. В качестве альтернативы, коэффициент может быть рассчитан при помощи прямого моделирования по методу Монте-Карло [36] или же получен экспериментально с использованием подходящего детектора и применением поправок, также предварительно полученных при помощи моделирования.

395

8.3. Малые статические поля – измерения

Уравнения (12.27) и (12.28) описывают формализм опорной дозиметрии. Для целей относительной дозиметрии вводится фактор поля.

для клинического поля fclin излучения качеством Qclin и в отсутствие детектора определяется следующим уравнением:

поглощенную дозу в воде для клинического поля fclin. В относительной дозиметрии одиночных статических пучков этот фактор

обычно обозначается как фактор выхода. Из уравнения (12.29) следует, что фактор поля определяется как отношение поглощенных доз в воде. Это отношение может быть рассчитано напрямую при помощи моделирования по методу Монте-Карло. В качестве альтернативы фактор поля получают через отношение показаний де-

торый вычисляется по методу Монте-Карло [37, 38] и учитывает различия между откликами детектора в полях fclin и fmsr в соответствии с уравнением:

тора, то отношение показаний является достаточным приближением для фактора поля. Для любого детектора, не удовлетворяющего этим условиям, поправочный коэффициент в квадратных скобках в (12.30) должен быть учтен. Для некоторых систем лучевой терапии, которые используют дополнительный модификатор, таких BrainLab микроМЛК, установленный на головку обычного ускори-

396

теля, обеспечение стандартного опорного поля осуществляется за счет снятия модификатора. Для таких случаев, строго говоря, нет необходимости введения промежуточного машинно-специфичного опорного поля. Уравнение (12.27) уменьшается до следующего:

Это уравнение является основой методологии определения поглощенной дозы в воде в опорном поле в соответствии с протоколами TRS-398 или TG-51. Для целей относительной дозиметрии в

преобразует поглощенную дозу в воде в поле fref в поглощенную дозу в воде в поле fclin. Однако концепция машинно-специфичного опорного поля остается применимой для установок с дополнительными модификаторами, так как соотношение каждого измерения малого поля со стандартным опорным полем может оказаться непрактичным. Указанный фактор поля определяется как произведение двух факторов поля:

Для пучков, у которых дополнительный модификатор является несъемным, или же стандартное опорное поле не может быть создано, понятие стандартного опорного поля является гипотетическим. Соотношение между поглощенной дозой в воде в поле fmsr и в поле fref для таких случаев определяется экспериментальным путем, с использованием другой облучающей установки со сходным качеством пучка.

В качестве обобщения графическое представление процесса определения поглощенной дозы в воде для малых статических полей по первому пути, через использование машинно-специфичного опорного поля, приведено на рис.12.14.

397

Рис.12.14. Схематический обзор дозиметрии малых статических полей с использованием концепции машинно-специфичного опорного поля (адаптировано из[35])

тоду Монте-Карло, для трех самых маленьких круглых коллиматоров (диаметр 0.5, 0.75 и 1,0 см) установки CyberKnife по отношению к машинноспецифичному полю – круглому полю диаметром 6 см. Разброс значений дан для разных параметров ширины на полувысоте распределения интенсивности первичного электронного пучка (от 1.4 до 2.6 мм)

Таким образом, приведенная методология позволяет проводить абсолютную дозиметрию малых полей с использованием поправок, которые могут быть рассчитаны при помощи моделирования по методу Монте-Карло или же получены экспериментально. В качестве примера оценки величины поправки при использовании кон-

398

виях, с использованием того же фантома. К примеру, для проведения предтерапевтических проверок планов ЛТМИ можно использовать тот же фантом и камеру, которые были использованы в качестве геометрии при планировании однородного поля fpcsr. Коэф-

перпозиция и геометрическая подгонка полей в гомогенном фантоме скомпенсирует потерю электронного равновесия в полутенях индивидуальных малых полей. В идеале, коэффициент должен быть получен при помощи прямой калибровки ионизационной камеры относительно первичного эталона как в стандартном опорном поле, так и в опорном специфичном поле для класса планов. В отсутствие первичного эталона можно использовать другие дозиметры, к примеру, аланиновый, ферросульфатный, пленочный, чьи показания могут быть соотнесены с первичным эталоном поглощенной дозы в воде. В противном случае, коэффициент может быть рассчитан в результате прямого моделирования по методу Монте-Карло или с использованием измерений подходящим детектором и поправок, также рассчитанных по методу Монте-Карло. Во втором случае существует вероятность, что облучающая установка не сможет воссоздать стандартное опорное поле 10х10 см2, и измерение fpcsr будет опираться на fmsr. Тогда возникает необходимость введения дополнительного коэффициента, учитывающего эту поправку:

Обобщение изложенной концепции представлено на рис.12.15. В обоих случаях, как для малых статических, так и для составных полей, можно заметить, что изложенный формализм достаточно близок к стандартным протоколам в том смысле, что за калибровкой опорного поля следует введение факторов выхода или факторов клинического поля, а главным отличием является расширение понятия опорного поля. Согласно изложенному подходу, поверочные лаборатории в будущем должны иметь возможность предоставлять пользователю не только стандартный коэффициент ND,w,