Климанов Дозиметрическое планирование лучевой ч2 2008

Чтобы компенсировать разное геометрическое ослабление нейтронов в точках z и z′ , предлагается [10] использовать закон обратных квадратов. В этом случае скорректированное значение дозы будет равно:

Рис. 3.4. Центрально-осевые дозовые распределения в виде отношений DФМ / DH2O для полей 5 ×5

(a) и 10 ×10 см2 (b) при MSD = 125 см. Обозначение материалов такое же, как и на рис. 3..3 [17]

181

10×10см2 в работе [17], показаны на рис. 3.7. Для большинства материалов после подобного преобразования наблюдается некоторое улучшение согласия. Однако расхождения между дозовым распределением в воде и трансформированными распределениями для полиэтилена и воска увеличиваются. Следовательно, данную методику нельзя считать универсальной.

Лучшее согласие наблюдается, если для масштабирования глубин применить эмпирические коэффициенты zH2O/zМ. Эти коэффициенты не зависят ни от глубины, ни от размера поля. Результаты преобразования распределений по этой методике показаны на рис. 3.8.

Существование постоянных масштабирующих факторов предсказывалось также ранее в работе [18]. Авторы работы [18] нашли, что дозовые распределения для жидких ТЭ ФМ могут быть масштабированы от одной среды к другой с помощью факторов, которые приближенно равны отношению длин свободного пробега нейтронов λ, взвешенных с весом кермы при усреднении по спектру нейтронов.

Численные значения кермы нейтронов были рассчитаны в ряде работ. Различие между результатами разных авторов, как правило, находятся в пределах ±3 %. В приложении в табл. П.6 приводятся значения кермы нейтронов для биологически важных материалов в интервале энергий от 10-5 до 75 МэВ, взятые из работы [19].

183

Для материала, составленного из j элементов, имеющих каждый массовую концентрацию ρj (г/см3), длина свободного пробега λ, взвешенная на нейтронную керму, определяется как обратная величина к взвешенному на нейтронную керму макроскопическому поперечному сечению для среды [18]:

где Aj – атомный вес элемента j; Na – число Авогадро; σj – взвешенное

на нейтронную керму микроскопическое сечение элемента j при усреднении по спектру нейтронов Ф(E):

∞∫σj (E)Φ(E)k j (E) dE

σj = 0 ∞∫Φ(E)k j (E) dE , (3.5)

0

где σj(E) и kj(E) – зависящие от энергии полное поперечное сечение взаимодействия нейтронов и керма для j элемента соответственно.

При расчетах значений λ в исследуемых материалах для нейтронов реакции n(14)Be в работе [17] использовались спектры нейтронов, измеренные в воде в работе [16] на глубинах 5,0,10,0 и 15,0 см. Форма этих спектров в пределах прямой видимости пучка оказалась практически одинаковой, что позволило получить независящие от глубины масштабирующие факторы. Ввиду многих неопределенностей погрешность при расчете значений λ может оказаться достаточно большой. Однако в коэффициент масштабирования входит отношение λ, поэтому окончательная погрешность получается существенно меньше.

Значения масштабирующих факторов для пучков, генерируемых в разных реакциях, рассчитаны в работе [18] и приводятся в приложении в табл. П.7 для набора материалов и биологических тканей.

Несмотря на все усилия, любая трансформация дозовых распределений от одних ФМ к другим имеет определенную погрешность. Этой погрешности можно избежать, если отказаться от преобразований, выделив отдельные группы ФМ с очень похожими дозовыми распределениями. Такие группы для нейтронов реакции n(14)Be представлены в табл. 3.3.

186

Таблица 3.3

Группы ФМ, имеющие близкие дозовые распределения без трансформации для нейтронов реакции n(14)Be [17]

2.4. Методы расчета доз в терапии быстрыми нейтронами

Выше отмечалось, что ввиду относительно небольшого количества центров, применяющих облучение пучками быстрых нейтронов, и существенного различия в характеристиках пучков, используемых в разных центрах, в настоящее время отсутствуют универсальные коммерческие системы дозиметрического планирования для дистанционного облучения быстрыми нейтронами. Каждый центр создает свою собственную систему, предназначенную для расчета доз на конкретной облучающей установке. Рассмотрим основные методы и алгоритмы, используемые или предлагаемые для расчета дозовых распределений, создаваемых клиническими пучками нейтронов.

2.3.1. Эмпирические модели

Эмпирические модели для расчета доз от клинических пучков используются в большинстве систем дозиметрического планирования нейтронного облучения (СДПНО). Некоторые из них описаны в литературе, в частности, СДПНО, созданная для нейтронного облучателя в клинике университета г. Ессен (UKE, Германия), довольно подробно описывается в работах [7,8,23,24]. В этих работах, фактически, представлены две эмпирические модели. Одна основана на обработке экспериментальных данных, а вторая модель – на обработке результатов расчета.

187

Поперечный профиль поглощенной дозы определяется как сумма четырех функций арктангенса:

где W(z) – ширина поля в x направлении; L(z) – длина поля в направлении y. Кроме того, факторы Bk(z) определяются из выражения:

В математическом формализме, используемом в модели тонкого луча в работе [7], уравнение (3.6) можно выразить в матричном виде:

где параметры Ckl, Rkl, B1k , B2k, B3k, B4k являются компонентами матриц. Для нейтронной установке в UKE отдельные компоненты матриц определяются из следующих уравнений:

189

где u– произвольное число не равное нулю.

На рис. 3.9 приводится пример сравнения результатов расчета по эмпирической модели тонкого луча с экспериментальными данными для размера поля 10×10 см2 и SSD = 125 см.

2.3.1.2. Эмпирическая модель тонкого луча, основанная на расчетных данных

Дозовые распределения, создаваемые на нейтронной установке в UKE, были также смоделированы с помощью метода Монте-Карло [7,8]. Авторами были созданы программы, которые, фактически, рассчитывали дозовые распределения, создаваемые ТЛ быстрых нейтронов в водном фантоме. Однако результаты расчетов были представлены не для дозового ядра ТЛ, а для таких же расходящихся пучков, как и в их эмпирической модели ТЛ, основанной на экспериментальных данных. Геометрия этих данных следующая: начало пучков размещается в мишени на расстоянии SSD = 125 см от водного фантома; геометрическая ось пучков нормальна к поверхности фантома; на поверхности фантома пучки создают квадратные поля размерами от 5×5 до 20×20 см2 (14 полей). Расчеты проводились для моноэнергетических нейтронов в интервале от 0,25 до 17,25 МэВ с шагом 0,5 МэВ.

190