Климанов Дозиметрия ионизируюшчикх излучениы 2015

5. Измерения в малых полях3

Как уже было отмечено в главе 12, измерения в полях малого поперечного сечения требуют особого подхода, который без ограничения общности должен быть расширяем на поля конвенциональных размеров.

Определение «малого поля» в дозиметрии излучений в данный момент весьма субъективно и появляется для каждого конкретного случая [13]. Нет ясного единообразного определения того, что считать малым полем. Обычно поля размером меньше 3х3 см2 полагают выходящими за рамки традиционных размеров полей облучения, что требует внимания как при измерениях, так и при расчетах доз. Это связано с потерей поперечного электронного равновесия по всей ширине поля, что наблюдается для широких полей только в областях билд-ап и полутени. По существу, имеется три «фактора равновесия» [14], определяющих размеры, при которых поле считается малым: 1) размер видимой части источника через коллимирующую систему из точки детектирования; 2) размер детектора, использованного в измерениях; 3) пробег электронов в облучаемом веществе. Все эти факторы рассмотрены ниже.

5.1. Влияние размера источника излучения и геометрии коллимации пучка

Очевидно, что при коллимации пучка меньше определенной ширины (от источника конечных размеров) из точки детектирования будет видна только часть источника. При этом показания детектора будут меньше таковых, полученных для полей с размерами, при которых весь источник находится в поле зрения детектора. Показания по-разному меняются в зависимости от положения детектора благодаря размытию и уширению дозового профиля, что показано на рис.19.10. Если из точки на оси пучка весь источник не виден, то геометрическая полутень распространяется на все поперечное сечение поля. В таких условиях, традиционные методы определения размеров поля, такие как измерение ширины на полувысоте, не применимы, так как дают завышенные результаты.

3 - Раздел подготовлен аспирантом НИЯУ МИФИ Казанцевым П.В.

661

Для достаточно больших размеров полей, при которых достигается электронное равновесие, и источник полностью виден из точки детектирования, ширина на половине высоты дозовых профилей точно определяет размеры поля, так как его края будут примерно на 50 %-ном уровне распределения (рис.19.10,а).

Когда размер поля становится того же порядка, что и поперечный пробег электронов, полутени от противоположных краев поля перекрываются, что вызывает небольшую погрешность в определении размера поля через ширину на полувысоте (рис.19.10,b).

Однако в случае малых полей, определение их размеров через ширину на полувысоте дозового распределения невозможно, так как результирующее распределение из-за перекрытия двух областей полутени имеет заниженный максимум, и, следовательно, его половина будет также смещена относительно правильного положения, вызывая переоценку размеров поля (рис.19.10,с).

Рис.19.10. Изменение ширины на полувысоте профиля в зависимости от размера коллиматора [13]

Также на дозовый профиль сильно влияет геометрия коллимации пучка. Малые поля хоть и создаются «вторичными» круглыми или многолепестковыми коллиматорами, находящимися после «основных», но положение последних очень сильно влияет на рассеяние в головке ускорителя. Было показано [15], что профиль пучка

662

может быть значительно изменен положением шторок основного коллиматора. Это отражено на рис.19.11, где приведены профили для пучков 6 МВ с размерами 6х6 мм2 и 24х24 мм2 и при различном положении шторок.

Рис. 19.11. Изменение характера профиля в зависимости от раскрытия основного коллиматора для разных размеров поля [15]

663

5.2. Пробеги электронов и потеря электронного равновесия

Электроны, появляющиеся в результате взаимодействия мегавольтных пучков фотонов с веществом, имеют существенный пробег, который еще более удлиняется в среде малой плотности. Сравнимый с размерами поля поперечный пробег электронов является критическим параметром электронного равновесия, даже более существенным, чем прямой пробег. В литературе [16] хорошо описана зависимость поперечного пробега электронов от энергии.

На рис.19.12 показаны дозовые распределения в воде на границе коллиматора для пучков различных энергий, определенных через

их коэффициент качества (TPR20/10). Это дает информацию о размерах полутени в единицах плотности среды, которая определяет

размеры, при которых наступают условия «малости поля», основанные на перекрывании зон распределения электронов от различных краев поля. Таким образом, как видно из рис.19.12, с точки зрения поперечного пробега электронов, для 6 МВ малое поле будет иметь ширину менее 5 мм (2х0,23 см).

Рис. 19.12. Ширина полутени в зависимости от качества излучения. Профили получены для «идеального точечного источника» с учетом вклада в полутень только переноса электронов [13]

664

5.3. Детекторы

Экспериментальные данные используются при расчетах для нормировки абсолютной дозы в стандартном поле, а также в процессе процедуры моделирования пучка для непрямого расчета дозы через относительные величины, такие как коэффициент полного рассеяния Scp, отношение ткань-максимум TMR, процентная глубинная доза PDD, внеосевое отношение OAR. Калибровка опорной дозы в стандартных условиях производится согласно протоколам [5,7] в строго определенной геометрии пучка, где качество пучка и дозиметрические параметры известны с хорошей степенью достоверности.

Дозиметрия с помощью ионизационных камер базируется на теории полости. Когда размеры полости меньше пробега заряженных частиц (электронов), высвобожденных в веществе при взаимодействии первичного фотонного излучения, полость считается малой, т.е. не возмущающей. В таком случае доза в веществе относится к дозе в воздухе полости, как отношение тормозных способностей вещества и воздуха. В любом случае, с уменьшением размера поля электронное равновесие не может быть достигнуто из-за большой величины поперечного пробега электронов. Также для малого поля, присутствие детектора может еще более изменить локальный уровень равновесия, добавляя новые возмущения и таким образом усугубляя проблему еще больше. Современный подход к абсолютным измерениям дозы в малых и составных полях рассмотрен в главе 12.

Весь ассортимент ионизационных камер (ИК) и других детекторов в настоящее время вполне доступен и может быть использован для специфических задач дозиметрии. ИК широко используются в дозиметрии излучений благодаря практически полному отсутствию зависимости чувствительности от энергии фотонов, дозы и мощности дозы. Они обеспечивают непосредственно воспроизводимые результаты и могут быть откалиброваны в соответствии с национальными стандартами. ИК относительно дешевы, доступны, представлены на рынке ассортиментом различных форм (цилиндрические, сферические, плоскопараллельные) и размеров. В то же время, правильный выбор ИК для проведения дозиметрии в поле фотонного излучения малого размера все еще остается нерешенной

665

проблемой. На рис.19.13 представлена зависимость измеренной дозы на центральной оси в форме фактора выхода от диаметра конического коллиматора для различных детекторов (также при установке параллельно и перпендикулярно к оси пучка) и результатов моделирования по методу Монте-Карло. При уменьшении размеров поля наблюдается быстрое падение измеренной дозы для некоторых детекторов. Этот рисунок показывает только отношение показаний без каких-либо поправок. Эффект более выражен для высокоэнергетичных пучков, возможно вследствие возникновения неравновесного состояния, необходимости коррекции возмущений, усреднения по объему [18]. Дозиметрия малых полей с помощью любых детекторов представляет определенные трудности, с большой вероятностью ошибки при измерениях.

Рис. 19.13. Зависимость фактора выхода от диаметра конического коллиматора для различных детекторов («пар» – параллельно оси пучка, «пер» – перпендикулярно к оси) [17]

Полупроводниковые диодные детекторы широко используются для дозиметрии на пациенте как для фотонных, так и для электронных пучков. ППД имеют маленький чувствительный объем и относятся к мини- и микродетекторам [19]. Характеристики включают в себя малое время отклика (микросекунды по сравнению с милли-

666

секундами у ИК), превосходное пространственное разрешение, отсутствие внешнего напряжения смещения и высокую чувствительность. В дополнение, отношение тормозных способностей для диодов практически энергонезависимо, хотя наличие низкоэнергетических фотонов вызывает определенные трудности, связанные с увеличением сечения фотопоглощения в кремнии по сравнению с водой. Отклик ППД зависит от температуры, мощности дозы (параметров РИП или наличия клина) и энергии. Некоторые типы могут иметь угловую зависимость чувствительности, исходя из конструкции детектора. Чтобы достичь необходимой точности, эти эффекты необходимо скорректировать или же пользоваться ППД с минимальной зависимостью чувствительности от мощности дозы и энергии. Часто результаты измерений ППД сравнивают с результатами ИК для обеспечения достоверности дозиметрии малых полей. Стереотаксический фотонный диод (СФД) с практически микронным чувствительным объемом является привлекательным выбором для измерений малых полей.

Алмазные детекторы (АД) – это твердотельные детекторы с высокой чувствительностью и относительно малым чувствительным объемом (1.0 – 6.0 мм3), что делает их практически идеальными для дозиметрии малых полей и снятия профилей пучков [20]. Вследствие поглощения ионизирующего излучения происходит временное изменение электропроводности материала. Отклик алмазного детектора прямо пропорционален мощности поглощенной дозы. АД не проявляют никакой зависимости чувствительности от направления и являются практически тканеэквивалентными, однако имеют некоторую зависимость чувствительности от мощности дозы, хотя результаты измерений могут быть соответственно скорректированы. Детектор достаточно сложно произвести, потому он значительно дороже других твердотельных детекторов.

Термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) используются для измерения дозы в точке и in vivo дозиметрии [21]. Материал ТЛД производят в нескольких различных формах – в виде палочек, стружки и порошка. Палочки и стружку можно использовать заново после правильного отжига. ТЛД имеет как энергетическую, так и дозовую зависимость чувствительности. Точность лимитирована техниками облучения и измерения. Часто используется для перекрестной проверки точечной дозы в малых полях и IMRT.

667

Пленочные детекторы [22] используются для измерений относительной дозы. Существует два типа пленок – на галоиде серебра и Gafchromic. Пленки на галоиде серебра требуют обработки в отличие от самопроявляющихся Gafchromic. В TG-69 приведен обзор пленок на галоиде серебра. В некоторых областях пленки Gafchromic имеют превосходные характеристики, однако их использование ограничено нуждами относительной дозиметрии. И хотя пленка имеет сильную энергетическую зависимость чувствительности, она, в отличие от остальных детекторов, обеспечивает получение хороших плоских дозных карт для малых полей. Наряду с алмазными детекторами, пленки являются наилучшими детекторами для измерения относительных распределений доз от малых полей (рис.19.14).

Рис. 19.14. Сравнение полутеней профилей пучка диаметром 4 см, измеренных различными детекторами [17]

Дозиметры на металлооксидном кремниевом полупроводниковом полевом транзисторе (MOSFET) исследуются для использования в клинической дозиметрии и верификации IMRT [23]. Благодаря своим малым размерам, MOSFET идеальны для дозиметрии малых полей в среде низкой плотности, брахитерапии и in vivo дозиметрии. Детекторы MOSFET относительно малы по размеру, их

668

активная зона составляет всего 0.2х0.2 мм2 . Они энергонезависимы

вмегавольтном диапазоне. Также их чувствительность практически не зависит от мощности дозы и температуры. Было отмечено, что дозиметры на базе MOSFET схожи с традиционными дозиметрами по воспроизводимости результатов, линейности, энергетическому и угловому отклику. Несмотря на это, детекторы MOSFET используются в основном для специализированных измерений дозы в точке. Возможная причина кроется в малом сроке службы, а также необходимости периодической калибровки для поддержания точности измерений.

Гелевые детекторы [24] тканеэквивалентны и воспроизводят трехмерную карту распределения дозы с большим пространственным разрешением. Они энергетически независимы в достаточно широком диапазоне, что делает их превосходными для измерений трехмерных дозовых распределений. Паппас и др. [28] получили достоверную информацию для конусных коллиматоров с помощью гелевых детекторов. Обратная сторона применения гелевых дозиметров состоит в том, что их изготовление требует существенных затрат времени для достижения подходящего состояния для работы, а считывание данных с них основывается на техниках визуализации, достаточно восприимчивых к артефактам. В результате новых исследований с гелем MAGIC были получены обнадеживающие результаты, говорящие о его полезности в дозиметрии SRS и IMRT.

Радиофотолюминисцентные [26] стеклянные пластины успешно используются для дозиметрии SRS и Кибер-ножа. Сцинтилляционные детекторы различных форм также используются в дозиметрии малых и удлиненных полей. Делаются попытки применения в дозиметрии малых полей аланиновых пластинок [27], используя метод электронного спинового резонанса (ЭСР); однако, подобные устройства имеют определенные ограничения и не могут быть использованы в клинике, за исключением верификации дозы в точке

вцентре объекта, а также в специальных лабораториях.

669

5.4. Вычислительные методы реконструкции дозовых распределений

Изложенные выше специфические аспекты дозиметрии малых полей сопровождаются и усугубляются общей проблемой измерения относительных дозовых распределений детекторами с конечным объемом – усреднением сигнала по объему детектирования. Результатом усреднения по объему является сглаживание профилей в областях высокого градиента дозы, приводящее к переоценке размеров полутени (см. рис. 19.14). В свою очередь, использование таких профилей при настройке алгоритмов в системах дозиметрического планирования может привести к неправильному расчету дозовых распределений в планах облучения, что недопустимо. Таким образом, необходимо получение «истинных» дозовых профилей из данных измерений.

В рамках решения проблемы уширения при измерении профилей малых полей и реконструкции истинных профилей на данный момент существует несколько подходов. Их можно условно разделить на эмпирические, полуэмпирические и аналитические. Полуэмпирические и аналитические подходы активно используют предположение о том, что измеренный профиль является результатом свертки истинного профиля с функцией ядра детектора, а также теорему о свертке и преобразования Фурье.

5.4.1. Экстраполяции размеров полутеней, измеренных разными детекторами

Этот метод применен в работе [28]. Эффект усреднения по чувствительному объему детектора был исследован при помощи определения ширины полутени от различных детекторов, в частности – алмазного детектора, ионизационных камер разных объемов и конфигураций. Размер детектора определялся как геометрический размер измерительного объема в направлении сканирования профиля. Измеренные профили были отнормированы таким образом, чтобы 50 %-ная доза совпадала с точкой перегиба полутени. Для создания выраженной полутени использовался прямоугольный блок из церробенда размером 15х8х7 см3, который установливался в трансверсальном направлении на подставке для блоков таким об-

670