Клиническая дозиметрия при тотальном облучении тела человека

Содержание:

Введение…………………………………………………………………………………………2

Глава 1. Теоретическая часть. Обзор литературы………………………………………….….3

1.1. Физические, биологические и  клинические аспекты тотального  облучения ......3

1.2. Методики, применяемые для тотального  облучения тела человека ………….....4

1.3. Дозиметрия при тотальном  облучении тела человека …………………………...7

1.4.Этапы дозиметрической подготовки к ТОТ………………………………………25

1.5. Сведения о ТЛД дозиметрии………………………………………………...…....25

Глава 2. Описание ускорителя электронов СЛ75-5 МТ и анализатора дозы ТЛД Victoreen 2800M…………………………………………………………………………………….……...42

2.1. Ускоритель электронов СЛ7-55 МТ………………………………………………42

2.2. Анализатор дозы Victoreen 2800 M……………………………………………….45

Глава 3. Экспериментальная часть.

In vivo дозиметрия с использованием ТЛД …………………….………….……….….49

3.1. Подготовительные операции с детекторами, общие положения…….…….….…49

3.2. Различия в подготовке ТЛД для ИДК и для in-vivo дозиметрии………….……..51

3.3. Методика калибровки (для in-vivo дозиметрии)…………………………………..52

3.4. Нахождение индивидуальных коэффициентов ТЛД в условиях тотального облучения. Статистическая обработка результатов. Отбор детекторов……………...52

3.5. Нахождение индивидуальных коэффициентов чувствительности ТЛД……...…58

3.6. Оценка поправочного коэффициента расчета поглощенной дозы ИК для условий рассеяния при ТОТ……………………………………………………………………….59

3.7.  Сравнение коэффициентов чувствительности для облучения на 1 и 5,5 м…......63

Выводы…………………………………………………………….……………………………65

Список литературы……………………………………………………………………………..66

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Цель работы:

Освоить физику, технологию термолюминесцентной  дозиметрии (ТЛД). Провести калибровку серии детекторов для последующего применения при тотальном облучении тела человека (ТОТ).

 

Задачи:

1. Провести литературный обзор, осмыслить физику ТЛД и процесс тотального облучения человека. Изучить на практике основы работы с медицинским ускорителем,  анализатором дозы.
2. Партию детекторов откалибровать и подготовить для измерений на больных (in vivo дозиметрия) при ТОТ.
3. Определить чувствительность каждого из детекторов в условиях ТОТ, сравнить с коэффициентами чувствительности, полученными для стандартных условий.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Глава 1. Теоретическая часть. Обзор литературы.

 Тотальное облучение  тела человека

 

1.1. Физические, биологические  и клинические аспекты тотального  облучения

 

Physical, biological and clinical aspects of total body irradiation [2]

J.J.Broerse, A.Dutreix and E.M.Noordijk

 

Высокодозное тотальное облучение  тела человека в комбинации с интенсивной  химиотерапией, которое следует за трансплантацией костного мозга, приносит большую пользу при лечении острой лейкемии и других диссеминированных болезней. Техника, применяемая для ТОТ в разных медицинских центрах и управление за распределением дозы зависят от аппаратуры, имеющейся в данном учреждении и их возможностей. Должны быть рассмотрены физические аспекты ТОТ, включая калибровку дозиметров, выбор материала фантома, размер и форма фантома, дозный профиль, назначение величины дозы и оценка клинически значимой дозы, применение in vivo дозиметрии и требования к однородности дозы. Важно изучить роль различных составляющих кроветворной системы для оценки терапевтического эффекта, целью которого является  ликвидация остаточных лейкемических и иммуно-компетентных клеток. Наиболее важные клинические аспекты включают острые повреждения, такие как пневмониты, «трансплантат против хозяина»  и возможность рецидива лейкемии. Было доказано, что пневмониты являются главным острым повреждением и все еще являются важной причиной болезненности и смертности. Отдаленные эффекты ТОТ касаются изменений гормонального состояния и функционирования отдельных органов. Следует обратить внимание, что для пациентов с долгосрочной выживаемостью существует риск возникновения вторичных опухолей.

За последние 8 лет было организовано несколько Европейских встреч для  обсуждения выше упомянутых аспектов. Выводы и рекомендации, достигнутые  во время встречи в Лейдене (1982), Эссене (1985) и Баден-Бадене (1986) были опубликованы и обеспечили стимул к  совершенствованию технических  и физических аспектов ТОТ. Как бы то ни было,  было решено, что «материал» пациента слишком гетерогенный для принятия выводов об оптимальном плане облучения.

1.2.  Методики, применяемые для тотального облучения тела человека

 

Techniques, applied for total body irradiation [3]

J. W. H. Leer, J. J. Broerse, H. De Vroome, A. Chin, E. M. Noordjik and A. Dutreix

 

В радиационной онкологии объем  облучаемой мишени обычно ограничен злокачественной опухолью с пограничной зоной. Однако при ТОТ все тело пациента является мишенью, что влияет на методику процедуры и коренным образом отличает ее от процедур облучений отдельных органов. В первую очередь необходимо принимать в расчет, что в действительности все тело человека должно подвергаться облучению, откуда следует вопрос: как совмещать человека и радиационное поле? Во-вторых, дозное распределение в теле неправильной формы должно быть настолько гомогенно, насколько возможно, и в этом случае должны быть разрешены следующие вопросы. Как компенсировать изменения поверхностного контура пациента, гетерогенность ткани и область накопления дозы? Так как нельзя разделить объем мишени и критические органы, последний вопрос заключается в том, как сохранить уровень дозы ниже толерантной для этих органов без потери эффективности лечения. Далее обсуждаются возможные ответы на эти вопросы, рассматриваются технические и дозиметрические аспекты ТОТ.

 

Как располагать человека в радиационном поле?

В принципе, существует два пути решения  проблемы расположения человека в поле. Или пациент приспосабливается  к размеру поля, или поле подбирается  по размеру пациента. Однако существует набор ограничений. Положение больного должно предоставлять возможность точного и симметричного облучения и быть воспроизводимым в случае фракционированного облучения. Также нужно следить за тем, чтобы положение пациента было комфортабельным на время лечения

Медицинские центры, в которых возможно получить только ограниченный размер поля в большинстве своем используют «сидячую» позицию на специально адаптированном стуле, чтобы поместить пациента в поле. В этой позиции латеральное облучение приводит к достаточно неоднородному дозному распределению. Положение «полусидя» на спине не всегда так удобно, как кажется, особенно в случае тошноты. Эта позиция также имеет ограничения относительно воспроизводимости и точности размещения защиты. Но если невозможно или нежелательно располагать человека в поле, нужно приспособить поле к размеру пациента. Это можно сделать за счет расширения апертуры, используя большие расстояния от источника излучения или многопольное облучение.

Аппараты с широкой апертурой не распространены и поэтому наилучший способ зафиксировать поле вокруг пациента – это увеличить дистанцию облучения и использовать диагональ квадратного поля поворотом коллиматора. Однако главный недостаток больших расстояний это увеличение времени лечения. Это особенно проявляется при использовании аппаратов с источником ⁶⁰Co.

Методика многопольного облучения  очень сложная, неточная и приводит к неоднородному облучению.

При облучении одним полем на большом расстоянии, пациент обычно лежит на боку, с подогнутыми коленями, верхняя рука лежит вдоль туловища, а нижняя под головой. Позиция считается удобной, обеспечивающей достаточно однородное дозное распределение и точную защиту легких. Облучение производится горизонтальными пучками, спереди назад и наоборот. Однако точная укладка больного на боку сложна и требует времени. Пациент также может быть облучен лежа на спине. Такое положение более удобно, но вариации по толщине приводят к неоднородному дозному распределению и сложнее обеспечить защиту легких.

Когда используется многопольное облучение  при меньших расстояниях, пациент  лечится попеременно, лежа на спине  и на животе, что обеспечивает более  точное и устойчивое положение.

Заменой многопольного облучения  является методика движущегося поля с поворотом головки аппарата или с поворотом стола при  фиксированном пучке. В этих методиках  пациент лежит попеременно, то в  положении на спине, то на животе на уровне пола. Позиция лежа на животе всегда неудобна. С другой стороны, расхождение пучка на уровне легких делает сложной точную защиту легких.

 

Как достичь однородного  дозного распределения?

Неоднородность дозного распределения  из-за вариаций в толщине пациента и его неправильной формы, в определенной степени, неизбежна. Существует несколько  путей улучшения однородности. Неоднородность, вызванная изменением толщины пациента, может быть уменьшена использованием пучков фотонов высоких энергий, однако увеличенная область накопления дозы требует повышенного внимания. Неоднородность дозы частично может быть устранена за счет правильного размещения пациента. Позиция на боку приводит к меньшей неоднородности при облучении горизонтальным пучком, чем при положении на спине. Неоднородность также может быть уменьшена, при расположении пациента более компактно. Например, при наклоне головы подбородок компенсирует толщину шеи.

Однако для некоторых других частей тела такая компенсация невозможна и в итоге эти части получат  большие дозы, что может привести к острым побочным эффектам, таким, как кожная реакция на ногах. Возможны также отдаленные эффекты. Когда дозы близки к толерантным, возможно, например, повреждение мозга. Этих пагубных эффектов можно избежать, компенсируя неоднородность материалом болюса или частичной защитой. При облучении фотонами высоких энергий, область накопления  на поверхности пациента создает еще одну причину для неоднородности из-за недооблученной области на коже. Из-за того, что кожа рассматривается как участок с повышенной опасностью проникновения зараженных клеток, область накопления дозы должна быть скомпенсирована.

Распределение дозы в теле пациента, которое получится в результате облучения дозой 10 сГр в середине туловища показано в табл. 1.

 

Таблица 1

Распределение дозы в различных  частях тела от референсной дозы в 10 Гр в абдоминальной части тела.

	Количество пациентов	Значения доз на средней линии тела, сГр
		Голова	Средостение	Легкие	Абдоминальная область	Ноги
<15	9	965±4.7%	994±2.6%	788±3.0%	1008±1.6%	1034±2.1%
15-18	23	981±3.8%	1005±2.0%	796±2.0%	1003±0.7%	1068±4.1%
18-20	18	1019±4.7%	1006±2.0%	807±3.3%	1002±1.8%	1101±5.0%
>20	22	1035±4.4%	1021±2.1%	803±1.9%	998±1.4%	1129±6.3%

 

Как в критических органах  поддерживать дозу ниже толерантной?

Наиболее важным критическим органом  при ТОТ являются легкие. Пульмониты являются причиной большего числа смертельных случаев. Причины возникновения интерстициальных пульмонитов до сих пор непонятны, но радиационное повреждение скорей всего играет роль. Таким образом, очень важно сохранять дозу в легких ниже толерантного уровня.

Этого можно достигнуть фракционированием или уменьшением мощности дозы. Возможные пределы этих параметров обсуждаются в другой статье.

Легкие также можно сохранить уменьшением общей дозы с помощью защиты. Можно защищать легкие, используя собственные руки пациента, располагая их вдоль тела. Этот способ используется в случае латерального облучения при положении человека лежа на спине или сидя. Иногда эта процедура используется только на протяжении части лечения. Это простой и довольно неточный способ защиты.

При использовании защитных блоков, необходима симуляция облучения, чтобы сделать снимки в той позиции, в которой планируется лечение, за несколько дней до самого облучения. На основе этих снимков изготавливаются формы для блоков. Размер блоков вычисляется с использованием компьютера, с учетом различий в расстояниях при симуляции и лечении. Положение блоков во время облучения должно быть проверено с использованием портальных снимков.

Необходимость защиты глаз не общепринята, так как при этом защищается еще  и часть мозга.

 

 

1.3. Дозиметрия  при тотальном облучении тела  человека

 

Dosimetry for total body irradiation [4]

E.Briot, A.Dutreix, A.Bridier

 

Резюме

Обсуждаются проблемы, касающиеся основ клинической дозиметрии: калибровка дозиметров, материал фантома, качество пучка и измерение глубинной дозы в условиях тотального облучения. Доза облучения пациента должна быть определена для срединной линии абдоминальной области, но доза, подводимая к легким, должна быть оценена для каждого пациента.

In vivo дозиметрия настоятельно рекомендована для определения однородности дозы, так же как и для проверки позиции пациента, воспроизводимости лечения и неустойчивости в оценке мощности дозы при проведении ТОТ. С дозиметрией in vivo ассоциируются множество физических проблем. Все влияния на показания детекторов должны быть учтены и детекторы должны быть откалиброваны для условий ТОТ.

 

 

Введение

Чтобы максимизировать успех трансплантации костного мозга после ТОТ и минимизировать непосредственные и отдаленные побочные лучевые эффекты, необходимо точное определение дозы и ее распределение в пациенте.

Во-первых, будет рассмотрена обычная  дозиметрия, в которой поглощенная  доза измеряется в фантоме в референсных  условиях. Во-вторых, мы рассматриваем  клиническую дозиметрию и проблемы, связанные с определением поглощенной  дозы в пациенте из фантомных измерений  и in vivo дозиметрии.

 

Обычная дозиметрия

Качество пучка

Может быть полезно определить коэффициент  качества пучка, чтобы иметь возможность  сравнения с результатами, полученными  в таких же условиях, но не для  прямой оценки дозы в ТОТ.

Коэффициент качества по определению  в большинстве протоколов – это отношение значений ионизации на глубинах 20 и 10 см глубине с постоянным исходным расстоянием до детектора.

Стандартное расстояние неудобно для  условий ТОТ, потому что в качестве пучка наблюдается очень большое изменение при расстояниях 1 и 4 метра, поэтому рекомендовано определять качество пучка в условиях ТОТ.

Коэффициент качества I предлагается определять по формуле:

I = _ײ

D₂₀ и D₁₀  - дозы, измеренные соответственно на глубине 20 и 10 см в водном фантоме, а   f  - расстояние от источника до кожи. Размер фантома должен иметь толщину по крайней мере 30 см, чтобы обеспечить достаточное обратное рассеяние на глубине 20 см.  Рис. 1 показывает значения коэффициента качества при ТОТ, опубликованные различными Европейскими центрами, как функцию номинальной энергии пучка излучения. Из рисунка видны наблюдаемые различия, полученные в разных центрах.

 

 

Рис. 1. Зависимость между коэффициентом качества и энергией. Крестики показывают коэффициент качества, опубликованный разными Европейскими центрами в условиях ТОТ. Кривая показывает данные, опубликованные British Journal of Radiology

 

Дозный профиль

Измерения дозного профиля в  точках, находящихся вне центрального луча, должны быть проведены, чтобы  определить полезную длину поля или  его диагонали.

В линейных ускорителях (ЛУЭ) используют компенсирующие фильтры. Кольцевой  фильтр, созданный для больших  полей, получаемых на обычных расстояниях, не компенсирует правильно на расстоянии четырех метров.  Может быть, необходимо создать специальные вторичные фильтры, чтобы достичь подходящей флатности на нужном расстоянии. Например, латунное кольцо, утолщенное на внешнем крае по сравнению с центром, помещается в коллиматор, чтобы улучшить однородность дозы в плоскости, перпендикулярной  оси пучка на больших расстояниях. Влияние латунного кольца на форму профиля пучка в воздухе на расстоянии 4,2 метра от мишени показано на рис. 2.

 

 

Рис. 2. Влияние латунного кольца на профиль пучка в воздухе на расстоянии 4,2 м от источника (5,6 МэВ). 1 – Доза при наличии латунного кольца, 2 – без кольца

 

Дозный профиль следует измерить, по крайней мере, на одной глубине в фантоме. Глубина измерений должна быть больше, чем глубина максимальной дозы, и предпочтительно должна быть равна 10 см, что в среднем соответствует половине толщины пациента. Полезная длина поля или диагонали пучка должна быть меньше, чем указанная лучом света (рис. 3). Это различие, определяется расстоянием между 90% и 50% изодозами, более важно для излучения кобальта, чем для линейного ускорителя.

Например, если диагональ пучка  226 см на расстоянии 4 м, то ширина 90% изодозы будет 210 см для ЛУЭ и только 150 см для кобальта.

 

Рис. 3. Используемая длина поля для диагонали пучка 226 см на расстоянии 400 см:

- 210 см (d = 8 см) для энергии 18МэВ

- 150 см (d = 38 см) для 60 Co

Измерения глубинной дозы

Глубинная доза, отношение ткань-воздух (ОТВ), отношение ткань-максимум (ОТМ) или максимальная мощность дозы в ткани должны быть измерены специально в тех геометрических условиях, которые применяются при ТОТ, потому что на больших расстояниях эти величины зависят от расстояния и отклонения в 2%-6% могут допускаться. Максимальная глубина и доза на коже сильно изменяется в геометрии, применяемой при обычном облучении и геометрией, применяемой при ТОТ.

Доза в области накопления дозы (область build-up) сильно зависит от размера поля, расстояния и рассеивающих материалов. В прямых пучках для больших расстояний источник-кожа, используемых при ТОТ, глубина положения максимальной дозы будет меньше, чем при стандартных условиях лучевой терапии (рис. 4).

Подходящим параметром является глубина, где доза равна 90% или 95% максимума дозы. С большими размерами полей и большими расстояниями доза возрастает в поверхностных слоях ткани.

 

Рис. 4. Экспериментально полученные кривые распределения дозы в области накопления дозы для излучения 18 МэВ в условиях ТОТ (А) и стандартных условиях (B). Кривая A построена для поля 200х200 см²  при расстоянии источник-поверхность 420 см. Кривая В измерена для поля 10х10 см² при расстоянии источник-поверхность 100 см

 

 

Таблица 2

Возрастание дозы на коже на входе  достигается использованием покрывала  на пациенте. Доза на входе измеряется на глубине х_о с помощью плоскопараллельной камеры и цилиндрической камеры для излучения 18 МэВ (Saturne)

Ионизационная камера	Доза (хо) Доза (хmax) без покрывала	Доза (хо) с покрывалом Доза без покрывала	Толщина покрывала
Плоскопараллельная камера	0,62 (xo = 0.08 мм)	1,165	1,5-2 мм
Цилиндрическая камера	0,60 (xo = 0.04 мм)	1,14	1,5 мм
Среднее значение	0,61	1,15	1,5 мм

 

 

Доза на поверхности

Доза на поверхности важна при  ТОТ, так как кожа – часть облучаемого объема мишени.  Когда используются какие-либо покрывала, следует оценить дозу на коже (табл. 2). С покрывалом входящая доза на коже (нормированная на максимальную дозу) возрастает на 15% для Х-лучей с энергией 18 МэВ, а водный эквивалент толщина покрывала - 1,5 мм.

При применении двух противоположных пучков с энергией 18 МэВ доза на коже равна 70% или 76% от дозы на глубине 10 см (рис. 5). В этих условиях поверхностные ткани, которые получают меньше, чем 90% номинальной дозы, представляют 4% объема всего тела.

Для излучения с энергией большей 10 МэВ может быть необходимо уменьшить влияние области накопления дозы области и подвести полную дозу на кожу, используя тканеэквивалентную пластину перед пациентом (рис. 6). Возрастание дозы на поверхности зависит от расстояния от рассеивающего экрана до поверхности. Доза на коже возрастает с уменьшением расстояния до экрана.

 

 

Рис. 5. Доза на коже по отношению к дозе на глубине 10 см различается при использовании одеяла (кривая II) и без него (кривая I). Доза на коже измерена на глубине Z при двухпольном облучении на расстоянии 4 м энергией 18 МэВ для толщины тела 20 см

 

Рис. 6. Влияние расстояния d между поверхностью фантома и тканеэквивалентной пластиной на поверхностную дозу для излучения 18 МэВ в условиях ТОТ

1 – при d=10 см

2 – без тканеэквивалентной пластины

 

Доза на выходе

Когда используются противолежащие поля, то доза на коже понимается как суммарная доза от дозы на входе и на выходе. Таким образом, доза на выходе должна быть измерена в условиях ТОТ, чтобы оценить недостаток обратно рассеянных частиц из-за конечного размера и толщины пациента и из-за обратного рассеяния от стены. В условиях ТОТ для излучения 18 МэВ изменение дозы с толщиной среды обратного рассеяния составляет около 2%. (рис. 7). В отличие от стандартных условий, когда размер поля и расстояния меньше, эта величина равна 10% для 25 МэВ и достигает 18% для ⁶⁰Co. (рис. 8)

 

Рис. 7. Зависимость отношения дозы на выходе DS_R к дозе на глубине 10 см от толщины r слоя обратного рассеяния в условиях ТОТ на расстоянии 4 м для излучения 18МэВ

 

Рис. 8. Влияние толщины слоя обратного рассеяния на дозу на выходе в стандартных условиях (размер поля меньше площади фантома)

 

Доза на выходе зависит от расстояния между пациентом и стенкой. Она  также зависит от размера пучка  и фантома.

Как показано на рис. 9, доза со слоем обратного рассеяния на расстоянии 1,03 см равна 98% или 99% дозы со слоем 15,5 см.  Это не зависит от расстояния до стены и относительных размеров пучка и фантома; это означает, что слой в 1 см достаточен в данных условиях, чтобы получить полное обратное рассеяние.

Без слоя обратного рассеяния доза на выходе зависит от расстояния между пациентом и стеной. При малом расстоянии вклад в дозу на выходе от обратного рассеяния от стены сильно зависит от взаимных размеров пучка и фантома.

 

 

Рис. 9. Изменение относительной дозы на выходе при изменении относительного размера пучка и фантома для различных значений расстояний (d_m) между пациентом и стеной. Относительная доза выражается как мощность дозы на выходе, измеренная при толщине “r” слоя обратного рассеяния к дозе, измеренной при толщине этого слоя, равного 15,5 см

 

Клиническая дозиметрия

In-vivo дозиметрия

Одно из основных требований ТОТ – это подведение известной дозы на все тело пациента с хорошей точностью.

Определение поглощенной дозы может  быть либо вычислено, либо измерено, либо проведено обоими методами. In vivo дозиметрия настоятельно рекомендована для ТОТ всеми иностранными протоколами.  Форма тела, различия плотностей тканей, движение пациентов во время облучения – все это допускает лишь приблизительные предварительные вычисления, поэтому, что необходимы прямые измерения дозы.

 

Детекторы для in vivo дозиметрии

Определение дозы, подведенной к  пациенту, должно быть безопасным, простым  и удобным. Детекторы для in vivo дозиметрии должны давать показания, независящие от энергии, дозы, мощности дозы и температуры. Но не существует идеального детектора, удовлетворяющего всем этим требованиям. Преимущества и недостатки различных методов дозиметров перечислены в табл. 3, где число минусов означает насколько данный параметр   Ионизационные камеры – это дозиметры, выбранные для фантомных измерений, но они неудобны для in vivo дозиметрии. Термолюминесцентные дозиметры наиболее надежны и независят от большинства параметров, но получение результата заведомо отложено во времени. Диоды должны быть строго откалиброваны в условиях облучения и должны периодически перепроверяться из-за их сильной зависимости от разных физических параметров, тем не менее с их помощью можно контролировать облучение. Использование одновременно двух дозиметров обеспечивает надежную in vivo дозиметрию: полупроводниковые диоды для контроля и ТЛД для точного определения подведенной дозы.

 

Таблица 3

Недостатки детекторов, используемых при in vivo дозиметрии

Детекторы	Размер		Кабели		Высокое напряжение		Время получения результата
Ионизац. камера	--		---		---		0
ППД	0		-		0		0
ТЛД	0		0		0		--
Детекторы		Зависимость отклика от:
		Доза		Мощность дозы		Энергия		Температура
Ионизац. камера		0		-		--		---
ППД		0		--		---		-
ТЛД		-		0		-		0

 

Индивидуальная калибровка в условиях ТОТ может только показать взаимосвязь между показанием дозиметра, расположенного на коже пациента и поглощенной дозы в контрольной точке на средней линии тела. Должно быть определено, повернут ли детектор к источнику, находится ли точка измерения под защитным экраном или нет, и находится ли детектор за тканями легких или в обычной ткани.

Фантом, используемый для обычных  измерений, должен иметь размеры среднего пациента для обеспечения реалистичных условий рассеяния и должен быть тканеэквивалентным. Использование материала, эквивалентного тканям легких, необходимо для определения дозы в торакальной области.

Так как показания детектора  на коже зависят от рассеяния, для  измерений in vivo необходимо соблюдать электронное равновесие. Детекторы должны быть закрыты в подходящий материал, обеспечивающий рост дозы до уровня, по крайней мере 95% от максимальной. Для больших энергий должен быть использован более плотный материал (тефлон, свинец).