Uniwersytet Śląski
Instytut Fizyki im. A ugusta Chełkowskiego Zakład Fizyki Jądrowej i Jej Zastosowań
ANETA KAW A-IW ANICKA
Dozymetryczne aspekty napromieniania całego ciała pacjentów (Total Body Irradiation)
przed przeszczepem szpiku kostnego.
ROZPRAW A DOKTORSKA
PROMOTOR
prof. dr hab. Wiktor Zipper
Praca w ykonana
w Z ak ład zie R adioterapii Szpitala im. Stanisław a L e sz c z y ń sk ie g o w K atow icach
K a to w ice 2 0 1 2
Bardzo serdecznie dziękuję mojemu promotorowi Panu P rofesorow i dr. hab. W iktorow i Z ipperow i za poświęcony czas, cenne uwagi oraz wszelką pomoc,
dzięki której możliwe było przygotowanie tej pracy.
Szczególne podziękowania dla mojego przełożonego i nauczyciela, Pana D oktora W łodzim ierza Łobodźca, za nieocenioną merytoryczną pomoc udzielaną mi w trakcie pisania tej rozprawy,
która stanowi dla mnie pam iątkę naszej wieloletniej współpracy.
D ziękuję całem u z e s p o ło w i Z a k ła d u R a d io te r a p ii w K a to w ic a c h , osobom , któ re od roku 2 0 0 0 brały c zy n n y u d zia ł w p rzy g o to w a n iu i realizacji p ro ced u ry
na p ro m ien ia n ia pacjentów , d zięki czem u m o żliw e było p o w sta n ie tej pracy.
I. W stęp ...1
1.1 Cel pracy...3
1.2 Streszczenie... 4
II. W prow adzenie... 7
11.1 Radiobiologia w terapii prom ieniow aniem jonizującym - skutki działania na poziomie komórki i organizm u... 7
11.2 Liniowy akcelerator m edyczny... 10
11.3 Zjawiska fizyczne w radioterapii - charakterystyka prom ieniow ania elektronowego i fotonow ego... 18
11.3.1 Wyznaczenie dawki prom ieniow ania - pom iary i zalecenia dotyczące przygotowania doT B I... 26
11.3.2 Bolus - funkcja i właściwości fizyczne... 28
11.3.3 Zjawisko narastania dawki - [ang. build-up)...31
11.3.4 W spółczynnik kpt - korekcja dawki w tkance płucn ej...34
11.3.5 Indeks jakości prom ieniow ania X (TPR20/TPR10) oraz obliczenia czasu naprom ieniania w ra d io terap ii... 37
11.4 Pomiary param etrów dozymetrycznych w iązek prom ieniow ania X stosowanych w naprom ienianiu całego ciała TBI...40
11.4.1 Komora jonizacyjna typu Farmer 0.6 cm3 firmy PTW ... 40
11.4.2 Profil wiązki prom ieniow ania dla pól bocznych - param etr pozaosiow y... 43
11.4.3 PDD dla bocznych pól prom ieniow ania... 46
11.4.4 W ydajność aparatu terapeu ty czn ego ...50
11.5 Zestaw Polkam TBI...52
11.5.1 Mobilny stół terapeu ty czn y ... 53
11.5.2 Rama terapeutyczna oraz jej elem enty... 55
11.5.3 Strzałkowy centrator laserow y... 57
III. Detektory prom ieniow ania typu MOSFET w dozym etrii in v iv o ... 59
111.1 Budowa i zasada działania detektora MOSFET... 60
111.2 Kalibracja detektorów w fantomie w o dny m ...62
111.3 Porównanie wskazań detektorów MOSFET ze wskazaniami komory jonizacyjnej typu F arm er... 65
IV. Klasyfikacja p acjen tów ...67
IV.l Przygotowanie pacjenta do naprom ieniania...69
V. Metody naprom ieniania... 73
V.l Metoda I - połączenie pól bocznych oraz pól przednio - tylnych AP/PA wraz z uzupełniającymi wiązkami prom ieniowania elektronow ego... 73
V .l.l Przygotowanie danych w systemie planowanie leczenia (SPL] ...79
V I.la Pola z zastosowaniem prom ieniowania elektronowego; wiązki przednie AP oraz tylne P A...80
V.1.2 Obliczenia czasów naprom ieniania... 82
V.1.3 Realizacja naprom ieniania przy zastosow aniu metody 1... 85
V.2 Weryfikacja dawki w obszarze łączenia pól A P /P A ... 87
V.3 Metoda II - zastosow anie pól bocznych oraz wiązek elektronow ych... 89
V.3.1 Przygotowanie danych w systemie planowania leczenia (SPL) do napromieniania bocznych wiązek elektronow ych...91
V.3.2 Obliczenia czasów naprom ieniania w metodzie II...92
V.3.3 Realizacja naprom ieniania m etodą II...93
VI. W yniki w y k o n an y ch obliczeń daw k i o raz p o m ia ró w d o zy m etrii in vivo... 94
VI.1. Metoda I - statystyka daw ek obliczonych... 95
VI.2 Metoda I - statystyka daw ek zm ierzonych...101
VI.3 Zestawienie daw ek obliczonych ze zmierzonym i - m etoda I ... 106
V1.4 Symetria daw ek obliczonych i zm ierzonych w punktach dla metody 1... 107
VI.5 Metoda II - statystyka daw ek obliczonych...108
VI.6 Metoda II - statystyka daw ek zm ierzonych...113
VI.7 Zestawienie daw ek obliczonych ze zm ierzonymi - m etoda II... 118
VI.8 Symetria daw ek obliczonych i zm ierzonych w punktach dla metody II... 118
VI.9 Porównanie m etod naprom ieniania na podstaw ie otrzymanych w yników ... 120
VI.10 Rozkład wyników dla grupy I i II po korekcie dawki planow anej... 122
VI.11 Analiza otrzym anych w yników ... 127
VI.12 VMAT (crng. Volumetric Modulated Arc Therapy) - możliwość zastosow ania w Total Body Irrad iatio n ...139
VII. W nioski i p o d s u m o w a n ie ... 143
VIII. B ib lio g rafia ...144
IX. W ykaz r y s u n k ó w ...150
X. In d e k s ta b e l... 157
XI. K atalog sk ró tó w i d e fin ic ji... 160
I. Wstęp
Określenie daw ki pochłoniętej oraz je j rozkładu w naprom ienianym środowisku, takim ja k leczony chory, stanow i podstaw ow e zagadnienie w radioterapii. "
W łodzimierz Łohodziec
N aprom ienianie całego ciała (ang. Total Body Irradiation - TBI) jest technika radioterapeutyczną o ściśle ustalonym postępow aniu, m ającą na celu dostarczenie do całego ciała pacjenta jednorodnej (hom ogenicznej) dawki prom ieniow ania, przy czym stopień tej jednorodności jest z góry zakładany. Po raz pierw szy w historii, ju ż w roku 1923, tego typu terapię z w ykorzystaniem aparatu ze źródłem kobaltow ym , zastosow ano u pacjentów w Klinicznym Szpitalu Uniw ersyteckim w M onachium przez zespól doktora H. Chaoul (z Berlina) oraz doktora F. Lange (z M onachium ). O becnie do tego celu w ykorzystuje się w ysokoenergetyczne wiązki prom ieniow ania X generow ane w przyspieszaczach liniowych lub prom ieniow anie gam m a pochodzące ze źródła kobaltow ego (y60Co). W szerszym znaczeniu, koncepcja leczenia poprzez naprom ienianie całego ciała obejm uje w szystkie rodzaje naprom ieniania dużym i wiązkami fotonow ym i, tj.: naprom ienianie połowy ciała, naprom ienianie w szystkich w ęzłów chłonnych oraz naprom ienianie całego ciała z w yłączeniem kilku organów krytycznych, które całkow icie są osłaniane przed dawką prom ieniow ania podaw aną na cale ciało lub tylko częściow o są chronione do poziom u określonej dawki m aksym alnej, ja k ą dany narząd m oże otrzym ać.
Procedura naprom ieniania całego ciała połączona z intensywną chem ioterapią oraz finalnie z przeszczepem szpiku kostnego {ang. Bone M arrow Transplantation - B M T ) to skuteczna m etoda leczenia im m unologicznych jednostek chorobow ych takich jak białaczki czy choroby now otw orow e układu chłonnego (chłoniaki i ziarnice) [1-7J. Pierw sze zakończone sukcesem przeszczepienie szpiku kostnego przeprow adzono w 1968 roku. M etoda ta poprzez naprom ienienie odpow iednią dawką prom ieniow ania całego ciała pacjenta, pozw ała na zniszczenie niepraw idłow o funkcjonującego system u im m unologicznego pacjenta.
Zastosow anie radioterapii u pacjentów przed przeszczepem szpiku kostnego um ożliw ia ograniczenie liczby leków podawanych podczas chem ioterapii oraz zw iększa szansę pacjenta
na w yleczenie [3]. Głównym zadaniem naprom ieniania jest zniszczenie nieprawidłow ych kom órek, które przetrwały chem ioterapię, chirurgię czy też radioterapię miejscową. Komórki te, ukryte w ciele pacjenta mogą potencjalnie ponow nie odtw orzyć się i przyczynić się do odrzucenia szpiku kostnego pochodzącego od dawcy niespokrew nionego.
Początkowo TBI realizow ano jako jednorazow e naprom ienianie w ysoką dawką (około 10 Gy), lecz w iązało się to z częstym w ystępow aniem w czesnych ja k i późnych powikłań poprom iennych. Postępy w dziedzinie radiobiologii oraz lepsze zrozum ienie procesów im m unologicznych przyczyniły się do zm iany sposobu naprom ieniania całego pacjenta poprzez podzielenie dostarczanej pełnej dawki na kilka m niejszych - tzw. dawki frakcyjne.
Z założenia daw ka dostarczona do całej objętości pacjenta pow inna być jak najbardziej jednorodna i zbliżona w zdefiniow anym przedziale jednorodności do dawki zaplanowanej.
O siągnięcie jednorodnego rozkładu dawki jest jedną z podstaw ow ych trudności przy stosow aniu techniki TBI i nie jest łatwe w przypadku tak nieregularnego kształtu jakim jest ciało pacjenta. By osiągnąć założony cel. m odeluje się sposób naprom ieniania tak, by był on optym alny dla pacjenta, łatwy w adaptacji oraz m ożliw y do płynnej realizacji w danym ośrodku radioterapeutycznym .
Ze w zględu na specyfikę m etod) TBI, czas potrzebny na jej przygotow anie, obliczenia dawki i jej m onitorow anie podczas terapii, a następnie realizację naprom ieniania, tylko nieliczne ośrodki podejm ują się opracow ania i stosow ania w praktyce własnej procedury TBI.
Proces przeprow adzania procedury, w tym pow tarzalność ułożenia oraz m onitorow anie dawki w trakcie realizacji radioterapii jest niezwykle w ażnym czynnikiem i ma istotny wpływ na końcow y w ynik rozkładu dawki w pacjencie. O trzym ane wyniki pom iarów dawek w trakcie naprom ieniania pacjentów techniką TBI są jednorazow ym i danymi. Podczas terapii pacjenta nie ma możliwości pow tórzenia pom iarów dozym etrycznych.
1.1 Cel pracy
Celem mojej pracy doktorskiej było opracow anie oraz w eryfikacja m etody radioterapii całego ciała wraz z analizą popraw ności dostarczania dawki i oceną stopnia jednorodności dawki poprzez m onitorow ane pom iary dozym etryczne w trakcie naprom ieniania pacjentów (/c/c. in rivo). Ponadto, przeprow adzono analizę opracow anych przez autora i w drożonych do realizacji dwóch m etod naprom ieniania całego ciała (TBI), na podstaw ie obliczeń dawek oraz otrzym anych w yników pom iarów dawek in vivo. O m aw iane w rozpraw ie m etody naprom ieniania, stosowano u dzieci oraz, po raz pierw szy w Polsce, rutynow o u dorosłych pacjentów.
Do roku 2000 tylko jeden ośrodek radioterapeutyczny w Polsce realizow ał rutynow o naprom ienianie TBI i to w yłącznie u dzieci. Z tego pow odu opracow anie i realizacja naprom ieniania TBI u pacjentów dorosłych była pożądaną procedurą. N astępstw em opracow ania techniki, dostosowanej do posiadanych urządzeń terapeutycznych, jest zaprojektow any przez zespół fizyków Zakładu Radioterapii Szpitala im. Stanisława Leszczyńskiego w K atowicach, specjalnie dla tej m etody, stół z ramą terapeutyczną o nazw ie zestawu: Polkam TBI. O m aw iana metoda kolejno została w prow adzona do realizacji w innych ośrodkach radioterapii wraz z opracow aną u nas techniką dozym etryczną.
Praca zaw iera charakterystykę dwóch przygotow anych i w drożonych do realizacji metod naprom ieniania oraz analizę w yników pom iarów daw ki u pacjentów leczonych przy pom ocy tych technik. Praca obejm uje rów nież opis przygotow yw anej techniki TBI z wykorzystaniem niekonw encjonalnych, obecnie najnow szych pod w zględem technologicznym , sposobów realizacji naprom ieniania techniką VM AT (ang. Yolum etric M odulated A r c Therapy). Technika ta polega na dostarczaniu dawki do pacjenta przy nieprzerw anym obrocie ram ienia aparatu wokół naprom ienianego obszaru z jednoczesną zmianą: prędkości obrotu ram ienia, kształtu pola naprom ieniania oraz mocy dawki.
Na przestrzeni dziesięciu lat aparaty terapeutyczne Zakładu Radioterapii Szpitala im. Stanisław a Leszczyńskiego w K atow icach, ze w zględu na eksploatację zostały w ym ienione na nowe, i technika TBI została zaadaptow ana do now ych w arunków naprom ieniania. Z tego względu praca zaw iera wyniki pom iarów rozkładu dawki dla dwóch grup pacjentów uzyskanych przy zastosow aniu dwóch różnych m odeli akceleratorów biom edycznych. Zm iana sposobu naprom ieniania jest wynikiem zm iany modelu akceleratora.
W drożenie techniki TBI w naszym ośrodku okazało się niezwykle potrzebne i oczekiw ane, o czym świadczy liczba leczonych pacjentów zarów no z kraju jak i spoza Polski.
1.2 Streszczenie
O pracow anie m etody naprom ieniania TBI w spom agającej proces leczenia nowotworów układowych, zostało zainicjow ane przez rosnące zainteresow anie procedurą TBI lekarzy hem atologów z ośrodków zajm ujących się transplantacją szpiku kostnego. W tym celu w ykorzystano dwa m odele m egawoltow ych akceleratorów liniow ych: akcelerator PRIM U S firm y Siem ens oraz akcelerator ELEKTA Synergy Platform firm y Elekta. Do terapii wybrane zostały w obu przypadkach wiązki fotonow e o napięciu przyspieszjącym 15 MV oraz wiązki elektronow e o w artości energii, w przedziale od 6 MeV do 15 MeV, dostosowywanej indyw idualnie dla każdego pacjenta. W ykonano pom iary dozym etryczne określające geom etrię oraz jakość stosowanej w iązki terapeutycznej osobno dla każdego aparatu terapeutycznego. O kreślono w artości spadku procentow ych dawek zależnych od głębokości w naprom ienianym środow isku PD D {ang. Pcrcentage D ose Dcpth 1 - PD D ), wydajność aparatu terapeutycznego oraz profil wiązki prom ieniowania. Zm ierzone param etry pozwoliły na określenie rozkładu dawki dla poszczególnych punktów leżących w zdłuż osi ciała pacjenta, w osi prostopadłej do osi centralnej wiązki prom ieniow ania. W celu zapewnienia pow tarzalności ułożenia chorego w kolejnych frakcjach naprom ieniania powstał projekt ramy terapeutycznej oraz m obilnego stołu przeznaczonego dla opracowanej techniki naprom ieniania TBI, a następnie w ykonano urządzenie w edług tego projektu w przygotow yw aniu którego brałam czynny udział. N iedobory tkanki w płaszczyźnie prostopadłej do padania wiązki prom ieniow ania lub zbyt niską jej gęstość uzupełnia się m ateriałam i tkankopodobnym i. Zabezpieczają one pacjenta przed przekroczeniem dawki w linii środkowej jego ciała. W tym celu w yznaczony został w spółczynnik korekcji dawki
1 P D D (ang. P e rc e n ta g e D o s e D ep th ) - p oi. Procentow a D aw ka na G łęb ok ości - PDG ( patrz rozdział II.4.3 tej pracy)
2 Projekt ramy terapeutycznej oraz łóżka do TBI został opracow any w roku 2 0 0 0 (prototyp) przez Z espól F izy k ó w z Zakładu R adioterapii Szpitala im. Stanisław a L e sz c z y ń sk ie g o w K atow icach, natom iast ostateczny projekt zestaw u P olkam TBI zrealizow an y został w roku 2 0 0 4 w Z ak ład zie Aparatury Jądrowej Instytutu P roblem ów Jądrow ych O tw o ck -Ś w ierk (patrz rozdział II.5) i u h onorow any god łem „Teraz Polska" w roku 2 0 0 8 .
w w arstw ie bolusa o znanej grubości. Jako dostępny i funkcjonalny m ateriał stanow iący bolus wybrano ziarna ryżu um ieszczone w podw ójnych baw ełnianych w oreczkach o w ym iarach
10 cm x 15 cm. łatw ych do zachow ania higieny.
Przyjęty w zorzec postępow ania z pacjentem przygotow yw anym do naprom ieniania jak i etapy jego realizacji stanowią:
Etap I:
- kw alifikacja do leczenia oraz sym ulacja wstępna,
- w ykonanie tom ografii kom puterowej TK (ang. C T - C om puted Tomography).
Etap II:
- przygotow anie schem atu naprom ieniania,
- w ykonanie pom iarów w ydajności aparatu bezpośrednio przed naprom ienianiem pacjenta, - spraw dzenie popraw ności planu naprom ieniania oraz w ykonania osłon.
Etap III:
- realizacja naprom ieniania.
Precyzyjny opis postępow ania z pacjentem oraz przygotow ania i realizacji TBI zawarto w V rozdziale tej pracy. W pracy poddano analizie w yniki pom iarów wartości dawek in vivo realizow anych przez zastosow anie detektorów typu M O S F E T (ang. M etal-O xide- Sem iconductor-F ield-E ffect-T ransistor) pod w zględem jednorodności rozkładu dawki w ciele pacjenta, ze szczególnym zw róceniem uwagi na rejon klatki piersiowej - aby chronić znajdujące się tam struktury krytyczne. Początkowo, do końca roku 2004 pom iary daw ek in vivo w ykonyw ano także przy użyciu kom ory jonizacyjnej typu Farm er 0.6 cm3 firm y P T W.
Oceniano także dwie grupy pacjentów naprom ienionych dw om a różnymi sposobami. Zakres tolerancji dawki określono na podstaw ie danych literaturowych [8-13]
i wytycznych zaw artych w Raporcie 50 i Raporcie 24 M iędzynarodowej K om isji ds. Jednostek prom ieniow ania i Pom iarów ICRU (ang. International Com mission o f Radiation Units a nd M easurem ents) [14,15] w zględem dawki przypisanej do zdefiniow anego punktu PC (Punkt Centrow ania w ią z k i). W edług literatury zakres ten pow inien znajdować się w przedziale ±10% dawki przypisanej do punktu centrow ania wiązki PC, choć dopuszcza się przedział sięgający ±15 % dawki przypisanej do punktu PC [9],
Od sierpnia 2000 roku do grudnia 2009 roku naprom ieniono grupę 158 pacjentów w edług schem atu przyjętego do realizacji przy użyciu akceleratora PR IM U S firm y Siemens.
N aprom ienianie było kom pilacją pól bocznych (lateralnych) oraz pól naprzeciw ległych
II. W prow adzenie
II. 1 Radiobiologia w terapii prom ieniow aniem jonizującym - skutki działania na poziom ie komórki i organizmu.
O rganizm y żyw e na Ziemi poddaw ane są ciągłem u działaniu naturalnego prom ieniow ania jonizującego. Są to jednak nieporów nyw alnie m niejsze daw ki od tych, które wiążą się z terapią prom ieniow aniem . Hormeza radiacyjna to zjawisko korzystnego w pływ u małych dawek prom ieniow ania jonizującego na organizm y przy jednoczesnej niepodważalnej szkodliwości daw ek dużych. M echanizm tego zjaw iska polega na stym ulow aniu kom órkow ych m echanizm ów napraw czych dla małych daw ek i w efekcie spadku liczby uszkodzeń m ateriału genetycznego kom órki - nici DNA . W zrost dawki prom ieniow ania prowadzi jednak do pow staw ania now otw orów złośliw ych i innych chorób o podłożu genetycznym. Przeciwnicy horm ezy radiacyjnej uważają, że prom ieniow anie jest bezw zględnie szkodliwe, a stopień szkodliwości m a liniową zależność od wielkości dawki, począwszy od w ielkości zerowych.
Raport Komitetu N aukow ego N arodów Zjednoczonych ds. Skutków Prom ieniow ania Atomowego ( U NSCEAR4 - ang. U nited N utions Scientific Com m ittee on the Ę ffects o fA to m ie Radiation ) z 1994 roku przyczynił się do bardziej pow szechnego uznania zjaw iska hormezy, które potw ierdzone zostało przez prace dośw iadczalne [16].
M ateriał genetyczny komórki - nić DNA. ze względu na jej pojedyncze w ystępow anie w komórce - jest najbardziej w rażliwą na prom ieniow anie częścią w odróżnieniu do białek czy kwasów RNA w ystępujących we w nętrzu kom órki w wielu kopiach. Zjaw isko odryw ania elektronów od atomu, w wyniku którego z obojętnego elektrycznie atomu pow staje naładowany dodatnio jo n i swobodne elektrony, nazyw am y jonizacją. Szkodliwa oddziaływ anie prom ieniow ania jądrow ego na organizm spow odow ane je st w łaśnie procesem jonizacji zachodzącym w komórkach organizm u [17,18],
3 DNA (k w a s d eo k syryb o n u k lein o w y) - w ielk o czą steczk o w y organiczny zw ią zek ch em iczn y w ystępujący w ch rom osom ach ; pełni rolę nośnika inform acji gen etyczn ej o rgan izm ów ży w y ch .
4
U N SC E AR (ang. U n ite d N a tio n s S c ie n tific C o m m ittee on the E ffe c ts o f A to m ie R a d ia tio n ) -K om itet N a u k o w y O N Z ds. S k u tk ów Prom ieniow ania A to m o w e g o p o w o ła n y w celu m onitorow ania zm ian p oziom u prom ieniow ania jo n izu ją ceg o na Z iem i. P ow stał na m o c y rezolucji Z grom adzenia O g ó ln e g o O N Z 1955r.
w latach, gdy zagrożen ie konfliktem nuklearnym w yd aw ało się bardzo duże, prow adzony b y ł w y ś c ig zbrojeń i d ok on yw ano w ielu prób z bronią jądrow ą.
Cząstki naładow ane oddziałując na tkanki organizm u powodują jonizację bezpośrednio, natom iast cząstki nienaładow ane (neutrony, kwanty gamma) w wyniku oddziaływ ania pow odują pow stanie cząstek naładow anych (p, e), które następnie w yw ołują jonizację. Efektem bezpośredniego zderzenia cząstki prom ieniow ania z nicią DNA są uszkodzenia m ateriału genetycznego komórki, natom iast jako efekt pośredni określa się oddziaływ anie produktów radiolizy wody na znajdującą się w jądrze kom órkowym nić DNA.
Zasadniczo uszkodzenia pow stałe na skutek pośredniego i bezpośredniego działania prom ieniow ania nie różnią się od siebie i prow adzą do śmierci komórkowej bądź stymulują procesy napraw cze komórki [17,19]. O dpowiedź organizm u na naprom ienianie zależy od podanej daw ki całkowitej ale rów nież istotny jest czas, w którym daw ka jest dostarczona do organizm u, czyli moc dawki prom ieniow ania (daw ka/czas w yrażona w Gy/h) [20-25],
Poprom ienna śmierć organizm u następuje w sposób zależny od wielkości dawki prom ieniow ania i jest efektem determ inistycznym (rysunek II. 1). W procesie napromienienia całego ciała człowieka, daw ka ponad 100 Gy spowoduje śmierć w ciągu kilku minut do kilkudziesięciu godzin na skutek pow ażnego uszkodzenia centralnego układu nerwowego. Po daw ce 10-100 Gy śmierć nastąpi w czasie 3-5 dni na skutek uszkodzeń nabłonka przewodu pokarm ow ego. Dawki w zakresie 2-10 Gy pow odują tzw. „śmierć szpikow ą”, natomiast m niejsze niż 2 Gy skrócenie życia o kilka tygodni [26].
D a w k a [G y]
Rysunek II.1. Schemat przebiegu choroby popromiennej w zależności od dostarczonej dawki na całe ciało.
(Źródło: Szumie! Irena, W ójcik Andrzej „Działanie promieniowania jonizującego na materię żywą”
s. 129-142 z pracy zbiorowej Hrynkiewicz Andrzej „Człowiek i promieniowanie jonizujące” PWN W arszawa 2001 [19]).
O dpow iedzią organizm u na dostarczoną daw kę 12 Gy w procedurze naprom ieniania całego ciała je st zespół szpiku kostnego (rysunek II. 1) zwany rów nież efektem śmierci szpikowej. Po naprom ienieniu organizm u komórki m acierzyste krwi 5 przestają się dzielić, cześć z nich ginie, zatem komórki krwi obwodowej nie są odnaw iane. Na początku spada liczba limfocytów i granulocytów odpow iedzialnych za zw alczanie infekcji bakteryjnych, następnie maleje poziom trom bocytów - kom órek zapew niających w ytw orzenie skrzepu i ostatecznie m aleje poziom erytrocytów odpow iedzialnych dzięki zawartej w nich hem oglobinie, za transport tlenu do tkanek organizm u. W w yniku zaburzenia funkcji tych komórek w' organizm ie m oże dojść do infekcji, anem ii czy też może wystąpić krwotok w ewnętrzny. Z tego pow odu niezwykle w ażna jest izolacja pacjenta oraz dbałość o sterylne warunki pracy z pacjentem przygotow yw anym do przeszczepu szpiku, co w przypadku ,.śmierci szpikow ej” je st jedynym m ożliw ym ratunkiem dla chorego. Leczenie polega na przeszczepieniu kom órek szpiku od antygenowo zgodnego daw cy - tak by przeszczepione komórki nie spowodow ały w ytw orzenia przeciw ciał i odrzucenia przeszczepu.
N aprom ienianie organizm u w ysoką dawką, niezależnie od tego czy celem {ang. target) je st mały obszar, czy też całe ciało pacjenta, zaw sze pozostaw i po sobie pewien skutek, który w ystępując w krótce po radioterapii zw any je st skutkiem w czesnym (tutaj zaliczyć m ożem y uszkodzenia kom órek nabłonka lub kom órek krw iotw órczych, czyli dzielących się często). Jeżeli skutek ekspozycji pacjenta na prom ieniow anie w ystępuje po dłuższym czasie, zw any jest skutkiem późnym i jest w ynikiem uszkodzenia komórek dzielących się rzadko. Do późnych skutków zaliczam y utratę elastyczności skóry, zm ętnienie soczewki oka. zaburzenia funkcji gruczołów potow ych, zw łóknienia tkanki łącznej a zw łaszcza zw łóknienia płuc [19. 27-30],
N a przestrzeni 30 lat protokoły terapeutyczne dotyczące procedury TBI zm ieniały się, głównie ze względu na zaobserw ow aną toksyczność, na którą w pływ mają zarów no daw'ka całkowita, dawka frakcyjna, jak i moc dawki prom ieniow ania [31-36]. Dlatego terapię jednofrakcyjną zastąpiono schematem w ielofrakcyjnym z m inim alną przerw ą 6-8 godzinną.
5 Kom órki m acierzyste mają zd oln ość podziału i różnicow ania się w inne kom órki, c o oznacza, że - po otrzym aniu o d p ow ied n ich sygnałów- - m ogą p rzekształcić się w d o w o ln e typy kom órek M ożna j e zn aleźć w szpiku kostnym , ro g ó w ce i siatk ów ce oka, m iazd ze zęb o w ej, w ątrobie, skórze, trzustce, jelita c h , krwi p ęp ow in ow ej. Jeśli p ochodzą z zarodka - m ogą w y tw o rzy ć niem al każdy rodzaj ludzkiej tkanki; je ś li z organizm u d o ro słeg o są kom órkam i n iezróżnicow anym i.
Jest to czas w ciągu którego niektóre zdrowe tkanki potrafią się w pełni zregenerować, podczas gdy dla kom órek krwi obwodowej oraz kom órek krw iotw órczych szpiku kostnego je st to okres niewystarczający. Dzięki kolejnym frakcjom naprom ieniania dostarczanym w regularnych odstępach czasu m ożna doprow adzić do zniszczenia szpiku pacjenta w takim stopniu, by um ożliw ić przeszczep szpiku zdrowego. W ystępow anie zapalenia tkanki płucnej pow iązano z w ysoką w artością mocy dawki prom ieniow ania [3 7 -4 1J, dlatego zaleca się stosow anie mocy dawki prom ieniow ania nie większej niż 10 cGy/m in oraz redukcję całkowitej dawki na płuca do dawki 8-10 Gy [35, 42-44], Równie ważny ja k jednorodność dawki w ciele pacjenta jest kom fort naprom ienianego chorego, z tego też w zględu powinno się w ybierać optym alne rozw iązania w doborze i w opracow yw aniu wdrażanej w danym ośrodku radioterapii techniki TBI.
II.2 Liniowy akcelerator medyczny
Liniowy akcelerator m edyczny (ang. L IN A C - linear accelerator) jest aparatem teleradioterapeutycznym w ykorzystyw anym do terapii pacjentów wiązkami zewnętrznymi.
Aparat skonstruow any je st w geom etrii izocentrycznej6. um ożliw iającej obrót wiązki wokół pacjenta przy stałej odległości SA D1 (ang. Source - A.\is Distance). W spółczesne aparaty teleterapeutyczne pracują przy SAD równym 100 cm.
W spółczesna radioterapia je st stale rozw ijającą się gałęzią m edycyny dzięki nowościom z zakresu elektroniki, fizyki oraz biologii. W prow adzenie na szeroką skałę komputeryzacji z w ykorzystaniem zaaw ansow anych algorytm ów obliczeniowych uwzględniających również m odele biologiczne, now ych narzędzi w oprogram ow aniach system ów planowania leczenia oraz optym alizacji i kalkulacji dawki, w spom agają pracę zarów no lekarzy jak i fizyków m edycznych w zakresie przygotow ania pacjentów do terapii [45-47]. W ciągu ostatnich 40 lat liniow e akceleratory m edyczne przeszły dość znaczne m odyfikacje, które sprawiły, że w spółczesne urządzenia są niezwykle zaawansow ane technologicznie w porównaniu z urządzeniam i z lat 60-tych. K olejne generacje w prow adzały kolejno nowe rozwiązania.
Początkowo aparaty terapeutyczne generow ały wiązki prom ieniow ania X o niskiej energii
b Izocentrum - punkt p rzecięcia się osi obrotu ram ienia aparatu terap eu tyczn ego i osi centralnej, zw yk le izocentrum znajduje się w o d le g ło śc i 100 cm od źródła prom ieniow ania.
7 S A D - o d leg ło ść w zd łu ż osi w iązki od źródła prom ieniow ania do o si obrotu ram ienia aparatu terapeutycznego.
(potencja} przyspieszający 4-8 MV). Szczęki kolim atora były sym etryczne. A kcelerator wyposażony był w pojedynczą transm isyjną kom orę jonizacyjną.
Kolejna generacja akceleratorów w ytw arzała wiązki prom ieniow ania X o napięciu przyspieszającym od 10 MV do 15 MV, oraz dodatkowo wiązki elektronow e. W iązka była zakrzywiona a akceleratory posiadały ruchom ą tarczę konw ersji (usuw aną, gdy używano wiązki elektronow ej) oraz filtr spłaszczający. Na w yposażeniu aparatu były folie rozpraszające oraz podw ójna transm isyjna kom ora jonizacyjna.
Późniejsze generacje akceleratorów w ytw arzały wiązki prom ieniow ania X o wysokiej energii (napięcie przyspieszające: 18-25 MV) i wiązki elektronowe: standardow o były to dwie energie fotonów i kilka energii elektronów . A chrom atyczny m agnes zakrzyw iał wiązkę.
Akcelerator byl w yposażony w dw ie folie rozpraszające, ruchom e kliny oraz asym etryczne lub niezależne szczęki kolimatora.
W prow adzenie nowych rozw iązań konstrukcyjnych we w spółczesnych akceleratorach m edycznych ułatwiło w znaczny sposób realizację terapii [48.49], Pośród podstaw ow ych zmian w w yposażeniu akceleratorów nowej generacji m ożna wym ienić:
• zastąpienie w ym iennych klinów stałych dynam icznym klinem zam ontowanym w głow icy akceleratora.
• odstąpienie od w ykonyw anych ręcznie osłon indyw idualnych na rzecz tzw.
kolim atorów w ielolistkow ch MLC (ang. M ulti L e a f C ollim ator) o różnych rozm iarach listków w izocentrum aparatu.
• m ożliw ość modulacji intensywności mocy dawki wiązki fotonowej w trakcie realizacji n ap ro m ien ian ia,
• w yposażenie aparatów w urządzenia pozw alające na kontrolę ułożenia pacjenta tuż przed podaniem dawki tj. m egaw oltow y portal elektroniczny czy obrazow anie za pomocą kilow oltow ych lamp rentgenowskich,
• kontrola czynności życiowych oraz dopasow anie m om entu dostarczania dawki z rytmem oddechow ym pacjenta,
• now oczesna wizja i fonia pom ieszczeń terapeutycznych zapew niająca kontakt z pacjentem i zw iększająca jeg o bezpieczeństw o w trakcie terapii,
• systemy kontrolujące pozycję pacjenta w zględem poruszającego się ram ienia aparatu zabezpieczające przed kolizją.
oraz szereg innych pom ocnych rozwiązań ciągle unow ocześnianych i realizow anych przez producentów różnych typów akceleratorów.
A kceleratory różnią się sposobem w ytw arzania przyspieszającego pola elektrycznego oraz sposobem , w jaki pola oddziałują na przyspieszane cząsteczki. W zależności od typu przyspieszającego pola elektrycznego w yróżnia się dwie k l a s y akceleratorów:
elektrostatyczne i cykliczne. M edyczne elektronow e akceleratory liniowe są cyklicznymi akceleratoram i przyspieszającym i elektrony do energii kinetycznych od 4 MeV do 25 MeV, przy użyciu niezachow aw czych pól m ikrofalow ych o wysokiej częstotliwości [48],
A ktualnie do użytku klinicznego dostępne są różnego typu akceleratory liniowe [50.5lj . N iektóre w ytw arzają prom ieniow anie X tylko w niskim zakresie m egawoltow ym (4 MV lub 6 MV), inne natom iast w ytw arzają zarów no wiązki prom ieniow ania X. jak i wiązki elektronow e. W iązki fotonowe otrzym yw ane są przez konw ersję w iązki elektronowej na prom ieniow anie ham ow ania (prom ieniow anie X).
Typow y now oczesny akcelerator liniow y w ytw arza wiązki fotonów o napięciu przyspieszającym 6 MV i 15 MV lub 18 MV. oraz wiązki elektronów o kilku energiach (np.
6, 9, 12, 16 i 22 MeV). Na rysunku II.2 zilustrow ano schem atyczną budowę typowego akceleratora liniowego.
ZRÓDLO
ELEKTRONÓW MAGNES
ZAKRZYWIAJĄCY
Rysunek 11.2. Schemat blokowy akceleratora liniowego. (Źródło Podgorsak EB, Radiation oneology physics: a handbook for teachers and students. Yienna: International Atomie Energy Agency; 2005 |48|).
Na główne elem enty kształtujące wiązkę prom ieniow ania składają się:
1. System iniekcyjny który stanowi źródło elektronów zwane działem elektronow ym , może być nim dioda (czyli żarzona katoda i uziem iona anoda). Em itow ane z żarzonej katody elektron)' skupiane są w wąską w iązkę i kierow ane do anody przechodząc przez układ przyspieszający - falowód.
2. System generatora zasilania w ysokiej częstotliwości (m odulator impulsowy' oraz źródło mocy m ikrofalow ej) - w ytw arza prom ieniow anie wysokiej częstotliw ości w ykorzystyw ane do nadania elektronom pożądanej energii kinetycznej. Źródłem mocy m ikrofalowej jest m agnetron lub klistron, które wytw arzają prom ieniow anie m ikrofalow e na skutek przyspieszania i opóźniania elektronów w próżni. K luczow e jest, by każdy im puls podaw any na działo zsynchronizowany był z im pulsem w yzw alającym źródło mocy mikrofalowej.
3. Falow ód przyspieszający stanow i struktura próżniow a złożona z w nęk m ikrofalow ych strojonych do częstotliwości rezonansowych. Przew ażająca w iększość akceleratorów pracuje na częstotliwości ~ 3000 MHz. Długość falow odu przyspieszającego zależy od zakładanej końcowej energii kinetycznej cząstek i mieści się w zakresie od - 3 0 cm (dla 4 M eV) do
~ 150 cm (dla 25 MeV). Specyficzna konstrukcja falowodu zapew nia sprzężenie pom iędzy sąsiednimi wnękami i odpow iedni rozkład pola elektrycznego służącego do przyspieszania elektronów.
4. System transportu wiejzki je st układem m agnesów odchylających w przypadku akceleratorów w ytw arzających w iązki o energii wyższej niż 6 M eV (w tym przypadku struktura przyspieszająca je st zbyt długa i musi być ułożona rów noległe do osi obrotu ramienia aparatu). O pracow ano trzy' różne rozw iązania transportu wiązki:
• system odchylania o 90°
• achrom atyczny system odchylania o 270° (rysunek 11.3)
• system odchylania o 112.5° (typu slalom)
Przedstaw iony na rysunku 11.3 układ odchylający dodatkowo w yposażony jest w szczelinę energetyczną przepuszczającą jedynie cząstki o wybranej energii. Na w yjściu z systemu transportu wiązki skupiona ponow nie w iązka trafia - w przypadku elektronów - na okienko w yjścia lub - w przypadku wiązki fotonowej - na tarczę konw ersji [48].
Rysunek 11.3. Achromatyczny układ odchylania wiązki o 270°. Czerwone linie przedstawiają tory elektronów przechodzących przez szczelinę energetyczną zaznaczoną kolorem niebieskim. (Źródło:
Radiation oncology physics: a handbook for teachers and students. Yienna: International Atomie Energy Agency,2005.
5. System kolim acji i m onitorow ania wiązki - różni się w zależności od rodzaju generowanej wiązki. Jest to układ kolim atorów, filtrów w yrów nujących oraz niezależnych komór jonizacyjnych m onitorujących jednorodny rozkład fluencji fotonów dostarczanej wiązki
prom ieniow ania, jej sym etrię i plaskość a także jej stabilność.
W iązk i fo to n o w e
W iązki fotonowe em itow ane przez m edyczne akceleratory liniowe na użytek radioterapii są w ytw arzane w tarczy konwersji elektronów na prom ieniow anie X (tarcza konwersji - ang. target) i spłaszczane przy użyciu filtra spłaszczającego. W porównaniu z kilowoltow ym i w iązkam i diagnostycznym i (-1 0 0 keV: 1% energii elektronów zamieniane jest na prom ieniow anie ham owania, 99% na ciepło) w ydajność konwersji elektronów na prom ieniow anie ham ow ania X jest w yższa (dla energii elektronów równej 4 MeV: 40%
energii zam ieniane je st na prom ieniow anie ham owania a 60% na ciepło - proporcje te zm ieniają się na korzyść dla prom ieniow ania ham ow ania wraz ze wzrostem energii elektronów). W zw iązku z tym straty na ciepło są m niejsze i łatw'iej jest schłodzić tarczę. Dla danej energii elektronów padających na tarczę widm o prom ieniow ania ham owania zależy od liczby atomowej Z pierw iastków z których zbudow ana jest tarcza oraz od jej grubości.
Rysunek 11.4 przedstaw ia schemat budow y tarczy o optym alnym doborze układów w arstw owych. Pierw sza w arstw a składa się z pierw iastków o wysokiej liczbie atomowej Z (W, Au) odpow iednich do produkcji fotonów, a druga o niskiej liczbie atomowej
Z (zbudow ana z Cu oraz Al) ma za zadanie pełne zatrzym anie elektronów oraz utw ardzenie widma wiązki prom ieniow ania X .8
W ią z k a e l e k t r o n ó w
W . A u
Cu. Al
X
W i ą z k a p r o m ie n io w a n i a X
Rysunek 11.4. Utwardzanie wiązki promieniowania X w tarczy konwersji (Na podstawie prezentacji J Olofson ESTRO 2003).
U zyskaną wiązkę prom ieniow ania charakteryzuje duża niejednorodność w poprzek pola prom ieniow ania. Dla przykładu stosunek daw ek w osi i w odległości około 20 cm od niej ma się jak 10:2 dla prom ieniow ania X i5Mv. W celu w yrów nania tej niejednorodności do akceptow alnych w artości stosuje się filtr w yrów nujący (rysunek 11.5) w kształcie stożka, który osłabia prom ieniow anie w centralnej części wiązki, redukując jej intensywność do poziomu z brzegów pola (ze względu na zróżnicow ane osłabianie prom ieniow ania m odyfikuje rozkład fluencji w poprzek wiązki).
8 U tw ardzenie w idm a w iązki prom ieniow ania X p olega na pochłanianiu w w ięk szy m stopniu foton ów o m niejszej energii p od czas przech od zen ia p rzez w arstw ę m ateriału w iązk i prom ien iow an ia X o określonym w idm ie en ergetyczn ym , w e fe k c ie c z e g o średnia energia fo to n ó w w zrasta [52].
Rysunek II.5. Stożkowy filtr wyrównujący - schemat (Źródło: prezentacja J. Harasimowicz - Szkoła akceleratorów, Świerk 2005).
W artość energii w iązki fotonowej określa potencjał przyspieszający |M V |.
M aksym alna energia fotonów odpow iada energii wiązki elektronów padających na tarczę, jednak udział fotonów o energii maksym alnej w wiązce jest mały (od 3% do 17%).
W praktyce energię prom ieniow ania X określa się poprzez indeks jakości wiązki prom ieniow ania jak o iloraz mocy dawki zm ierzonej w fantom ie wodnym na dw óch różnych głębokościach 152 ].
W iązki e le k tr o n o w e
W iększość akceleratorów generujących wyższe energie prom ieniow ania oprócz jednej lub dwóch wiązek fotonow ych wytw arza rów nież wiązki elektronowe o kilku energiach nom inalnych - zwykle w zakresie od 6 MeV do 30 MeV. Aby aktywować tryb wiązki elektronow ej, zarów no tarcza, jak i filtr spłaszczający wiązki fotonowej są usuwane z drogi wiązki elektronów. W ąska w iązka elektronow a opuszcza próżniowy system transportu wiązki przez cienkie okienko, zw ykle w ykonane z berylu (Be), które ze względu na niską liczbą atom ow ą Z=4 m inim alizuje jej rozproszenie i pow staw anie prom ieniow ania hamowania.
W ychodząca z okienka akceleratora wiązka jest nadal wąska, zatem na użytek radioterapii należy ją poszerzyć do pow ierzchni 25 x 25 cm" w odległości 100 cm od źródła jej powstawania. Istnieją dw a sposoby poszerzania wiązki elektronowej:
1. Rozpraszanie elektronowej wiązki poprzez um ieszczenie cienkich folii (rysunek 11.6) z materiału o wysokim Z (Cu: Z=29 lub Pb: Z=82) na jej drodze.
Rysunek II.6. Folie rozpraszające (Źródło: J. Olofson ESTRO 2003).
O m iatanie pow ierzchni pola za pom ocą elektrom agnesu, który odchyla wąską wiązkę i skanuje pow ierzchnię pola z częstotliw ością kilku herców [Hz]. Ten sposób poszerzania pola wiązki elektronowej stosuje się dla energii elektronów w yższych niż 20 MeV. U nika się w ten sposób zbędnego prom ieniow ania ham ow ania pow stającego w folii rozpraszającej, którego udział w w iązce pierwotnej w zrasta w raz ze wzrostem energii elektronów [53],
Elektrony ulegają w ielokrotnem u rozpraszaniu w pow ietrzu na drodze od głowicy terapeutycznej do pacjenta. Z tego w zględu kolim acja wiązki elektronów pow inna być zapewniona tak blisko pacjenta ja k to tylko m ożliw e (rysunek II.7). K olim ację wiązki elektronowej uzyskuje się przez zastosow anie aplikatorów o polu kwadratu lub koła.
umieszczanych w zaczepach znajdujących się w głowicy akceleratora. M ożna uzyskać również dow olny kształt pola naprom ieniania poprzez zastosow anie m odyfikatora pola w postaci wylewki o odpow iedniej grubości wykonanej ze stopu m ateriałów pochłaniających prom ieniow anie np. stopu W ood"a4 lub z parafiny, dających się w łatwy sposób dow olnie modelować.
(> Stop W o o d ’a (znany te ż pod n azw ą stopu L ip ow itza) - stop n isk o to p liw y (topi się ju ż w tem peraturze 6 6 -7 2
°C ), srebm obiały, drobnoziarnisty, składający się z bizm utu (50.1% ). kadmu (10.4% ), o ło w iu (2 4 .9 % ) i cyn y (14.6% ); Stop o dokładnie takim sk ład zie ma g ęsto ść 9 = 9 .7 g /cm 3. Z ostał w y n a lezio n y p rzez Roberta W ooda (1 8 6 8 -1 9 5 5 ), który był profesorem fizyki w B altim ore (U S A ).
Rysunek II.7. Symulacja prezentująca wirtualny sposób realizacji napromieniania wiązką elektronów z zastosowaniem standardowego aplikatora dla wiązek elektronowych wraz z wylewką kształtującą dowolne pole promieniowania - widok poprzeczny. Kolorami zaznaczono rozkłady izodoz w ścianie klatki piersiowej; (Źródło - Elekta Company).
II.3 Zjawiska fizyczne w radioterapii - charakterystyka prom ieniow ania elektronow ego i fotonowego
N iniejsza praca w dalszych rozdziałach zaw iera tematy dotyczące tych aspektów fizyki prom ieniow ania, które są konieczne do przygotow ania procedury terapeutycznej TBI z uw zględnieniem w szystkich param etrów fizycznych pozw alających na jej poprawne i bezpieczne przeprow adzenie u pacjenta. Celem w yjaśnienia charakterystyki procedury TBI oraz przygotow ania aspektu dozym etrycznego przed jej w drożeniem podrozdziały w części w prowadzającej tej pracy zaw ierają wyniki pom iarów oraz w ykresy dotyczące ściśle przypadków i m etod opisyw anych w dalszych rozdziałach pracy. Dane te są powiązane z otrzym anym i w ynikam i pom iarów dawek zam ieszczonych w rozdziale V - Metody naprom ieniania oraz w rozdziale VI - W yniki w ykonanych obliczeń dawki oraz pomiarów dozym etrii in vivo. W części dotyczącej w prowadzenia do tematu naprom ieniania całego ciała opisano otrzym ane dane pom iarow e wym agane do w drożenia konkretnej opisywanej procedury, która je st tem atem tej pracy, oraz um ieszczono rów nież wyniki pom iarów
param etrów fizycznych, które pom agają w zrozum ieniu kolejnych etapów procedury TBI oraz są przydatne w analizie statystycznej w yników dla wybranej grupy pacjentów .
W rozdziale (11.2) przeanalizowano sposób w ytw arzania w akceleratorze liniowym prom ieniow ania jonizującego, zarówno fotonow ego (prom ieniow ania X), jak i wiązek elektronowych. Efekt radioterapeutyczny w iązek, o których m ow a powyżej, spowodow any jest głównie jonizacją środow iska w yw ołaną przez cząstki naładow ane [53], Poszerzony opis oddziaływań jonizujących z m aterią m ożna znaleźć w licznych specjalistycznych podręcznikach i opracow aniach [54-60].
W sp ó ło d d z ia ły w a n ie e le k tr o n ó w z m a te r ią
Rozpędzony elektron obdarzony energią, trafiając do ośrodka absorbującego, oddziałuje na ten ośrodek w skutek sil kulom bow skich z elektronam i orbitalnym i lub jądram i atomów tego ośrodka. Elektron taki w pojedynczym zderzeniu m oże utracić część swojej energii początkowej, a także zderzając się często z jądram i atom ów środow iska, m oże gw ałtownie zm ienić kierunek toru swojego ruchu. Straty energii w tych zderzeniach opisuje wielkość zwana zdolnością ham ow ania elektronu (ang. stopping pow er). Zm iany kierunku ruchu opisuje natom iast wielkość zwana zdolnością rozpraszania elektronów w ośrodku.
W naprom ienianym środowisku elektrony m ają swój określony zasięg zależny od energii elektronów. Powyżej tego zasięgu daw ka pochodząca od elektronów jest rów na zeru. Zakres w nikania w ośrodek wiązki elektronowej jest funkcją energii elektronów [61], Na rozkład dawki wiązki elektronów' w środowisku mają wpływ:
1. Straty energii poniesione na interakcje elektronów pierw otnych, 2. Zakres pow staw ania elektronów w tórnych,
3. Zmiany w kierunku i dyspersji elektronów',
4. Zanieczyszczenie wiązki prom ieniow aniem ham owania.
Krzywą rozkładu dawki (rysunek 11.8) w osi centralnej wiązki w raz z głębokością w napromienianym ośrodku m ożna podzielić na trzy podstaw ow e obszary:
1. O bszar narastania dawki - pom iędzy daw ką na pow ierzchni ośrodka a dawką maksym alną.
2. O bszar spadku dawki - pom iędzy daw ką m aksym alną a zasięgiem praktycznym elektronów' Rr.
3. Ogon prom ieniow ania ham ow ania (niem . brem sstrahlung) - powyżej zasięgu praktycznego elektronów.
W yrażony w procentach iloraz dawki w danym punkcie w osi centralnej wiązki elektronów do dawki maksym alnej w osi centralnej określa się jako FDD (ang. Percentage D ose Depth). W ielkość ta zależy od w ielkości naprom ienianego pola S oraz energii wiązki elektronowej.
Rysunek II.8. Krzywa rozkładu dawki w osi wiązki w wodzie dla wiązki elektronowej (sporządzono na podstawie Raportu nr 277 IAEA |62|). D m jest maksymalną dawką pochłoniętą określoną jako 100%, I)x jest to dawka pochłoniętą pochodzącą od promieniowania hamowania (niem. bremsstrahlung), Rmojest głębokością dawki maksymalnej, zakres pomiędzy R ’85oraz R^ jest przyjętym zakresem terapeutycznym, natomiast R50 jest głębokością odpowiadającą 50% dawki pochłoniętej; R p jest zasięgiem praktycznym elektronów.
W iązkę elektronów w m om encie dochodzenia do okienka akceleratora, m ożna uważać za prawie m onoenergetyczną. Jednak elektrony pokonują drogę przez okienko akceleratora, folie rozpraszające oraz kolim atory i w arstw ę pow ietrza w wyniku czego widmo energetyczne elektronów ulega poszerzeniu. Dlatego też by opisać w iązkę elektronow ą należy użyć param etrów takich jak najbardziej praw dopodobna energia (Ep0) na powierzchni
fantomu oraz średnia energia ( E 0 ) na pow ierzchni fantomu. Parametry te są związane z wielkością R_soi0.
Średnia energia elektronów E0 na pow ierzchni fantom u jest zw iązana z głębokością Rso oprzez em piryczną zależność:
E0 = C ■ R so, (II.1)
w której C = 2.33 M eV/cm dla wody.
G łębokość R50 jest w skaźnikiem jakości wiązki w dozym etrii wiązek elektronow ych (Raport IAEA TRS 398 [63]). R50 je st w yliczone z pom iarów R50jon - głębokość, gdzie krzywa jonizacji spada do 50% dawki w m aksim um , dla:
Ran = 1.029 R50jon - 0.06 (g/cm 2) (dla Rsojo,, < 10 g/cm 2), (11.2) R50= 1.059/?.Wi/o« -0 .3 7 (g /c m 2) (dla Rsojon >10 g/cm 2). (11.3)
W s p ó ło d d z ia ły w a n ia fo to n ó w z m a terią
Foton, przechodząc przez materię taką jak m iękkie tkanki pacjenta, kości czy inne struktury', ulega różnym reakcjom. W ystąpienie konkretnego typu efektu zależy od dwóch głównych czynników tj. energii fotonu (E = h v ) oraz liczby masowej Z ośrodka, z którym foton reaguje (rysunek II.9). W niektórych reakcjach część energii fotonu przekazyw ana jest elektronom należącym do atom ów lub cząsteczek tkanki. Elektrony te, z pow odu swojego krótkiego zasięgu, rozpraszają swroją energię lokalnie w okół m iejsca oddziaływ ania. Taka lokalnie zaabsorbow ana energia staje się przyczyną efektów radiacyjnych lub uszkodzenia tkanek. Jeśli foton wchodzi i opuszcza ośrodek ze swoją całą nienaruszoną energią lub gdy tylko zm ienia swój kierunek na skutek interakcji z ośrodkiem , w ówczas nie mamy do czynienia z dostarczeniem dawki do ośrodka.
Fotony w zetknięciu z ośrodkiem w spółoddziałują z elektronam i, jądram i i polami elektrycznymi materii. W zakresie energii stosowanych w radioterapii w iększość procesów zachodzi z bardzo małym praw dopodobieństw em i znaczenie m ają tylko trzy podstaw ow e procesy, które prow adzą do pochłonięcia lub rozproszenia kwantu X lub y.
10 Rsn - jest to g łęb o k o ść, gd zie dawka pochłonięta spada do 50% w artości daw ki w m aksim um .
Do procesów tych należą:
1. Efekt fotoelektryc/ny, 2. Efekt Comptona.
3. Efekt tw orzenia par pozyton-elektron.
Rysunek II.9. Względna reakcja fotonu z absorbenteni w zależności od energii padającego fotonu oraz liczby atomowej Z absorbenta (sporządzono na podstawie pracy A. Hrynkiewicza |54|).
1. EFEKT FOTOELEKTRYCZNY
W efekcie fotoelektrycznyin foton w spóloddzialuje z mocno zw iązanym elektronem orbitalnym ośrodka osłabiającego (w 80% z elektronem znajdującym się na orbicie K.), w wyniku czego następuje całkowita absorpcja fotonu i w yrzucenie elektronu z powłoki atomowej. Energia £* zaabsorbow ana przez elektron stanowi różnicę m iędzy energią fotonu a energią w iązania elektronu na pow łoce atomowej i w yraża się wzorem:
Ek = h v - Ew, (11.4)
gdzie:
Ek - energia kinetyczna w yrzuconego elektronu, hv - energia padającego fotonu,
£„ - energia wiązania elektronu na danej powłoce atomu.
Praw dopodobieństw o w ystąpienia zjawiska fotoelektrycznego je st zależne od energii fotonu i liczby atomowej Z środowiska, z którym prom ieniow anie fotonow e w spółoddziaływ ało.
Praw dopodobieństw o to określa wyrażenie:
We w zorze (II.5) w ielkość r (, określa praw dopodobieństw o w spółoddziaływ ania fotonu z wszystkimi elektronam i atomu (tzw. atom ow y w spółczynnik osłabiania). Na podstaw ie wzoru (II.5) m ożna stwierdzić że w ystąpienie efektu fotoelektrycznego będzie różne w tkankach o różnej liczbie Z (np.: dla kości Z = 13.8. a dla tkanki miękkiej Z = 7.74) i szybko maleje w raz ze w zrostem energii oddziałującego fotonu. W idać stąd. że bardziej praw dopodobne będzie w ystąpienie efektu fotoelektrycznego dla tkanki kostnej, a jeśli energia fotonu przekroczy 100 keV praw dopodobieństw o pow stania efektu fotoelektrycznego w wodzie będzie znikom e [53].
2. EFEKT COMPTONA
Efekt Com ptona określa rozpraszanie niekoherentne prom ieniow ania elektrom agnetycznego na swobodnym lub słabo zw iązanym (o energii w iązania dużo mniejszej od energii kw antu prom ieniow ania) elektronie. W wyniku oddziaływ ania fotonu z elektronem pow staje now y (rozproszony) kw ant o niższej energii i nowym kierunku.
Elektronowi zostaje przekazana różnica energii m iędzy kw antem pierw otnym a rozproszonym , którą m ożna zapisać:
Ek = h v — h v '. (II.6)
W e w zorze (II.6):
Ek - energia kinetyczna odrzuconego elektronu, hv - energia fotonu padającego,
h v ' - energia fotonu pow stałego (wtórnego).
Rysunek 11.10. Szkie rozproszenia fotonu w efekcie Comptona |53|.
Praw dopodobieństw o w ystąpienia efektu Com ptona dla całego atomu jest wprost proporcjonalne do liczby atomowej Z tego atomu i wy raża się wzorem:
aa = ae ■ Z . (II.7)
W e w zorze (II.7) w ielkości aa i ac to odpow iednio - praw dopodobieństw o w ystąpienia efektu C om ptona dla całego atomu oraz praw dopodobieństw o w ystąpienia efektu Comptona dla pojedynczego elektronu w atomie.
3. E FE KT TWORZENIA PAR ELEKTRON-POZYTON
Zjawisko tw orzenia par (e'e+) to zjaw isko całkowitej absorpcji fotonu w wyniku jego oddziaływ ania z polem elektrycznym jąd ra atomowego. Efekt ten zachodzi jedynie wtedy, gdy foton posiada energię w yższą niż 1.022 MeV i znajduje się w pobliżu jądra atomowego.
Może w ówczas nastąpić zam iana energii fotonu na parę cząstek: elektron - pozyton.
Poniew aż z energii oddziałującego fotonu pow staje m asa w postaci pary elektron - pozyton, dla efektu tw orzenia par w ystępuje w spom niana wartość progowa energii równa 2mec2 = 1.022 MeV. Energię powstałej pary cząstek określa równanie:
E e l e k t r o n u ”1" E p o z y t o n u ~ 1.022 . (II.8)
W zależności (11.8):
Ecicktmnu - energia kinetyczna elektronu, Epozytonu - energia kinetyczna pozytonu, hv - energia oddziałującego fotonu.
Praw dopodobieństw o w ystąpienia zjaw iska tw orzenia par (tzw. atom ow y w spółczynnik osłabiania k(1) dla całego atom u zależy od liczby atomowej Z, zgodnie z wzorem:
* Z 2 . (II.9)
P a ra m etry ch a r a k te r y z u ją c e w y tw o r z o n ą w ią z k ę fo to n o w ą
Zjawiska, które zostały przedstawione pow yżej, ilustrują reakcje pojedynczego fotonu w kontakcie z. materią. W przypadku trójwym iarow ej wiązki prom ieniow ania X padającej na środowisko istotne znaczenie mają parametry' opisujące przestrzenny rozkład w tym środowisku dawki powstałej na skutek wyżej opisanych reakcji. Bezpośredni pom iar dawki w ciele pacjenta jest w zasadzie niem ożliwy, mimo to dla pom yślnego wyniku leczenia pacjenta naprom ienianiem konieczne jest, aby rozkład dawki w naprom ienianej objętości był dokładnie znany. Jest to zazwyczaj osiągane przez zastosow anie kilku funkcji w iążących dawkę w dow olnym punkcie w ciele pacjenta ze znaną daw ką w punkcie kalibracji wiązki w fantomie. Podstaw owym i funkcjami opisującym i wiązkę prom ieniow ania X jest zależność zm iany procentowej dawki wraz z głębokością w naprom ienianym środow isku - PD D (d,S), (dokładny opis w rozdziale II.4.3). w zględny rozkład mocy daw ki w poprzek wiązki prom ieniow ania w stosunku do wartości mocy dawki w osi wiązki określany jak o profil wiązki prom ieniow ania (rozw ażany w rozdziale II.4.2) oraz jakość w ysokoenergetycznego prom ieniow ania X - QI (ang. Q ualitv Index - rozdział II.3.5).
Funkcje te są zazwyczaj określone na podstaw ie pom iaru odpow iednim i detektoram i prom ieniow ania w tkankopodobnym fantomie, a daw ka lub moc dawki w punkcie referencyjnym jest określana w fantom ie w odnym w ściśle określonych warunkach referencyjnych takich jak głębokość, wielkość pola i odległość źródło - pow ierzchnia (SSD).
II.3.1 W yznaczenie dawki prom ieniowania - pomiary i zalecenia dotyczące przygotowania do TBI
Bezpośredni pom iar dawki prom ieniow ania11 w dow olnym punkcie w ew nątrz ciała pacjenta jest bardzo skom plikowany, praktycznie niem ożliwy [53]. Dawkę tę m ożna określić w dużym przybliżeniu na podstaw ie pom iarów dozym etrycznych stosowanej wiązki prom ieniow ania, posługując się detektorem prom ieniow ania - np. kom orą jonizacyjną.
Pom iary w ykonuje się w' fantom ie w odnym lub stałym, w ściśle określonych i zaplanowanych warunkach. W ynik pomiaru m ocy dawki prom ieniow ania w ytw orzonego przez dany aparat terapeutyczny w ściśle określonych w arunkach nazyw am y w ydajnością tego aparatu terapeutycznego.
Techniki codziennych terapii standardow ych przygotow yw ane są w kom puterowych system ach planowania leczenia, które mają zaim plem entow any szereg danych i pom iarów dozym etrycznych w iązek terapeutycznych generow anych przez akceleratory. Pomiary te w ykonyw ane są w warunkach standardowych. W przypadku technik niekonwencjonalnych (do których zalicza się TBI), w warunkach naprom ieniania, dla których nie m ożna skorzystać z kom puterowych system ów planowania leczenia ze w zględu na ograniczenia algorytmów kalkulacji dawki, należy - w celu określenia dawki prom ieniow ania dla tych technik - w ykonać pom iary dozym etryczne dla w arunków naprom ieniania daną techniką. Szczegółowe zalecenia dotyczące fantom u, w zorcow ania komory jonizacyjnej i sposobu określania dawki w w odzie na podstaw ie w skazań kom ory jonizacyjnej przedstawiono w rozdziale 11.4.1 na podstaw ie raportu TRS-398 M iędzynarodowej Agencji ds. Energii Atomowej we Wiedniu [63].
Na podstaw ie dośw iadczeń własnych [64-66] oraz ośrodków realizujących procedurę TBI [67-70], scharakteryzow ano ogólne zalecenia dotyczące standardow ych param etrów a także w ym agania, które pow inny zostać spełnione:
1. Zgodnie z ogólną zasadą: odległość, pozycja terapeutyczna pacjenta, jakość wiązki prom ieniow ania i w szystkie warunki naprom ieniania pow inny zostać określone dla danego ośrodka.
11 D aw ka prom ieniow ania - jest zdefiniow ana jak o ilość średniej energii prom ieniow ania jon izu jącego p och łon ięta w e lem en cie materii o m asie m w skończonej ob jętości V; jed n o stk ę stanow i 1 grej (G y), który określa p och łon iętą energię 1 dżula (J) w m asie 1 kilogram a (kg).
2. Ze w zględu na stan pacjenta oraz jego obniżoną odporność należy zapew nić jak najlepszy poziom sterylności, zarów no pom ieszczenia terapeutycznego ja k i urządzeń wykorzystyw anych w trakcie terapii.
3. Aby zapewnić pow tarzalność geom etryczną i dopasow anie stosow anych osłon na organy krytyczne, zaleca się w ykonanie weryfikacji przy użyciu dostępnych w ośrodku metod obrazow ania, tuż przed terapią lub w trakcie leczenia.
4. W szystkie pomiary dozym etryczne muszą zostać przeprow adzone w wodzie w warunkach jak najbardziej zbliżonych do rzeczyw istych w arunków naprom ieniania:
• pom iary należy w ykonać w yw zorcow aną w edług standardów m iędzynarodow ych kom orą jonizacyjną posiadającą odpowiedni certyfikat w zorcow ania.
• by zapewnić rów now agę elektronow ą w okół punktu pom iarow ego, pom iary wykonuje sią w fantom ie w odnym o m inim alnym w ym iarze 30 x 30 x 20 cm 3.
Głębokość punktu pom iaru pow inna być w iększa niż głębokość dawki maksym alnej stosowanej wiązki prom ieniow ania. Zaleca się głębokość równą 10 cm w w odzie, co odpow iada średniej w artości połowy grubości typow ego pacjenta,
• należy w yznaczyć profil danej wiązki terapeutycznej o pow iększonej odległości SSD , procentową daw kę na głębokości PD D oraz w ydajność aparatu terapeutycznego (moc dawki prom ieniow ania w ściśle określonych w arunkach) w celu obliczenia w łaściw ego czasu naprom ieniania konkretnego chorego.
5. W spółczynnik korekcji dawki w płucach musi zostać określony indyw idualnie dla każdego pacjenta.
6. Dla zm niejszenia dawki wr płucach należy zastosow ać osłony indywidualne.
7. W celu otrzym ania lepszej jednorodności rozkładu dawki należy zastosow ać spoiler (zwykle w ykonany z pleksiglasu 12 ) o odpow iedniej grubości pozw alający na uzyskanie pełnej dawki na skórze pacjenta dzięki stworzonej rów now adze elektronowej.
8. N ależy zastosow ać system dozym etrii in vivo w celu spraw dzenia daw ki dostarczanej do pacjenta oraz w tcelu m onitorow ania popraw ności działania aparatu.
12 P leksiglas (szk ło akry low e, inaczej pleksi. m etapleks) - p rzezroczyste, sztuczne tw o rzy w o o gęstości równej 1.19 g /c m 3, k tórego g łów n ym składnikiem je s t polim er - polim etakrylan m etylu (P M M A ). N iek tóre rodzaje p leksiglasu zaw ierają też pew n e ilości innych p olim erów i k o p o lim eró w p oliak rylow ych . M ateriał ten cech u je duża p rzezroczystość w zakresie św iatła w id zia ln eg o i łatw ość obróbki. T w o rzy w o ma w ła śc iw o śc i term oplastyczne i je s t odporne na działanie ultrafioletu, dzięki czem u nie w ystęp u je proces żó łk n ięcia m ateriału.
9. D etektory na potrzeby dozym etrii in vivo przed zastosow aniem muszą zostać w ykalibrow ane w fantom ie w warunkach naprom ieniania TBI w celu wyznaczenia istotnego w spółczynnika korekcji dawki.
10. N iedobór tkanki uzupełnia się dodatkowym i m ateriałam i tkankopodobnym i. które zabezpieczają szczególnie obszar w okolicy głowy i szyi przed przekroczeniem dawki.
Zastosow anie bolusa w terapii pozw ala na uzyskanie rozkładu dawki o wyższym stopniu jednorodności w ciele pacjenta poddaw anego terapii.
11. Najczęściej zakładane różnice pom iędzy daw ką zaplanow aną a zm ierzoną nie pow inny przekroczyć ±10%.
W skazówki te stanow ią podstaw ow e w ym agania jak ie m uszą być spełnione przed w prow adzeniem do realizacji procedury naprom ieniania całego ciała w danym ośrodku radioterapii. Zasady postępow ania z pacjentem oraz dokładnie sprecyzow ane wymagania odnoszące się do procedur}' TBI zostały zawarte w projekcie procedury napromieniania całego ciała. Projekt ten powstał dnia 25 lipca 2011 roku i został um ieszczony w wykazie procedur na stronie M inisterstw a Zdrowia [71J. Autorzy projektu pow ołują się w referencjach na opracow aną m etodę TBI opisyw aną w niniejszej rozprawie.
II.3.2 Bolus - funkcja i w łaściw ości fizyczne
Jednym z decydujących czynników w pływ ających na rozkład dawki na różnych głębokościach w naprom ienianym środowisku jest kształt napromienianej powierzchni.
W celu w yrów nania powierzchni i uzyskania prostopadłości powierzchni napromienianej w stosunku do kierunku padania wiązki prom ieniow ania stosuje się m ateriały zbliżone pod w zględem w łaściw ości fizycznych do środowiska naprom ienianego. W radioterapii taki odpow iedni m ateriał, um ieszczany w bezpośrednim kontakcie z naprom ienianym obszarem, sym ulujący tkankę nazyw am y bolusem. G łów nym zadaniem bolusa jest korekcja nierównego kształtu pacjenta w celu popraw y rozkładu zaplanowanej dawki w napromienianym środowisku. W naprom ienianiu całego ciała istotne jest dostarczenie pełnej dawki również na skórę pacjenta, gdzie mogą znajdować się rozproszone kom órki now otw orowe [9.10.72], Dla prom ieniow ania X i5Mv nioc dawki osiąga m aksym alną wartość na głębokości około 2 cm.
Istnieje zatem dw ucentym etrow y obszar narastania dawki (ang. build-up, rozdział II.3.3).
Z tego pow odu oprócz zastosow ania ramy terapeutycznej do TBI. posiadającej 2 płyty plexiglasu o grubości 1 cm. w których rozpoczyna się zjaw isko narastania mocy dawki
(ang. huikł-up) [72-75], stosowany jest rów nież bolus. Bolus poprzez bezpośredni kontakt ze skórą pacjenta sym uluje tkanki na drodze prom ieniow ania i pozw ala na uzyskanie pełnej dawki w skórze naprom ienianego pacjenta.
N ajlepszy m ateriał tkankopodobny, w którym pochłanianie oraz rozpraszanie prom ieniow ania X, y czy też elektronów jest takie jak w tkankach m iękkich, stanowi woda.
Ze względu na fizyczny brak możliwości zastosow ania wody jako bolusa, w przypadku techniki TBI do w ypełnienia przestrzeni pom iędzy ścianami ramy terapeutycznej a ciałem pacjenta zastosow ano jako rodzaj bolusa ziarna suchego ryżu. Na rysunku 11.12 przedstawiono sposób ułożenia pacjenta w pozycji terapeutycznej z rękam i założonym i za głowę. Dzięki tej pozycji przestrzeń pom iędzy głow ą pacjenta a ram ą terapeutyczną wypełniona jest częściow o przez ramiona, które pełnią funkcję naturalnego kom pensatora tkankowego. Pozostałe puste przestrzenie w ypełniane są bolusem .
Ramiona stanow ią naturalny kom pensator tkankow y w ok ół g ło w y naprom ienianego pacjenta
Przestrzeń pow ietrzna w ypełniana b olu sem z ryżu
Ściany ramy terapeutycznej
Rysunek 11.11. Pozycja terapeutyczna pacjenta (widok B E \ ' z góry ‘okiem ’ wiązki (ang. B eam sE ye View) uzyskany w systemie planowania leczenia) - różnice geometryczne powodujące zastosowanie różnych warstw bolusa w terapii wiązkami promieniowania X |5MV; zaznaczone zostały również kształty przygotowanych indywidualnych osłon na płuca - kolor niebieski, oraz geometria pola A P - kolor żółty.
