CC BY
29
УДК 621.384.6: 539.1.07: 539.1.047:615.849.5
КЛІНІЧНА ДОЗИМЕТРІЯ ОРТОВОЛЬТНОГО РЕНТГЕНІВСЬКОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
О.О. ЮДКО12, С.П. РАДЧЕНКО2, О.В. ОВСІЄНКО1
1 Київський міський клінічний онкологічний центр, Центр ядерної медицини 2 Київський національний університет імені Тараса Шевченка
*Conflict of Interest Statement (We declare that we have no conflict of interest).
*Заява про конфлікт інтересів (Ми заявляємо, що у нас немає ніякого конфлікту інтересів). *Заявление о конфликте интересов (Мы заявляем, что у нас нет никакого конфликта интересов).
*No human/animal subjects policy requirements or funding disclosures.
*Жодний із об’єктів дослідження (людина/тварина) не підпадає під вимоги політики щодо розкриття інформації фінансування.
*Ни один из объектов исследования не подпадает под политику раскрытия информации финансирования.
Мета роботи — провести відносну клінічну дозиметрію рентгенотерапевтичного апарата та розрахувати поглинену дозу у воді за допомогою дозиметричних рекомендацій; проаналізувати альтернативний параметр якості пучка.
Матеріали та методи. Відносну дозиметрію проведено для рентгенотерапевтичного апарата РУМ-17 з напругами на катоді 140, 180, 200 та 220 кВ та силою струму 10 мА. Виміри здійснювали у водяному фантомі іонізаційною плоскопаралельною камерою Маркуса. Глибинні розподіли для моноенергетичного рентгенівського випромінювання 20-300 кеВ розраховано за допомогою програмного пакета EGSnrc.
Результати. Отримано глибинні розподіли дози для рентгенівського випромінювання середніх енергій. Розраховано поглинені дози у воді на опірній глибині 2 см різними методиками. Побудовано залежність енергії фотонів від параметра.
Висновки. Розбіжність між поглиненими дозами, розрахованими за методиками з використанням Nd w та NK, становить близько 5 %. Впровадження показника якості променя є більш доцільним, ніж товщина шару половинного ослаблення, оскільки він ґрунтується на величині поглиненої дози у воді, а шар половинного ослаблення — на вимірюванні керми в повітрі, що потребує знання чутливості іонізаційної камери до керми в повітрі.
Ключові слова: клінічна дозиметрія, кіловольтне рентгенівське випромінювання, орто-вольтна промененева терапія, якість пучка.
Дозиметрія рентгенівського випромінювання ґрунтується на вимірюванні експозиційної дози або керми в повітрі. Спочатку її визначали з використанням іонізаційної камери, проградуйованої в рентгенах, за допомогою теорії Брегга-Грея [1]. Поглинену дозу
на поверхні води розраховували на підставі експозиційної дози з використанням поправочних коефіцієнтів на ефект зворотного розсіювання, розрахованих методом Монте-Карло або виміряних експериментально. Рентгенівське випромінювання середніх енергій («ор-
товольтне») використовують для підведення терапевтичної дози в тілі на глибину від декількох міліметрів до декількох сантиметрів. Межа між «поверхневою» променевою терапією та «ортовольтною» лежить між 80 кВ та шаром половинного ослаблення (ШПО) 2 мм Al і 100 кВ та ШПО 3 мм Al. Параметром якості пучка в рентгенодозиметрії є ШПО, виміри якого здійснюють у повітрі, тому останнім часом проводять дослідження іншого параметра якості — відношення поглинених доз у воді на глибині 2 і 5 см, так званого відношення спаду [8]. Наводимо основні рекомендації щодо визначення поглиненої дози від рентгенівського пучка у різних країнах.
TRS-398 (IAEA). Практичні рекомендації з проведення дозиметрії рентгенівського випромінювання середніх енергій ґрунтуються на використанні калібрувального коефіцієнта в одиницях поглиненої дози у воді Nd,w [2]. Загальна формула для розрахунку поглиненої дози у воді для рентгенівського пучка якості бо:
Dw,Q = MQND,w,Q0kQlQ0 , (1)
де Mq — показання дозиметра з камерою, скориговані з урахуванням впливу температури, тиску та полярності; Kq,q0 — показник якості пучка (зазвичай використовують лише ШПО); Nd,Wq0 — калібрувальний коефіцієнт дозиметра в одиницях поглиненої дози у воді при опірній якості пучка Q0. Калібрувальний коефіцієнт можна отримати шляхом переходу від калібрувального коефіцієнта для повітряної керми:
, (2)
де Nk,Q0 — калібрувальний коефіцієнт дозиметра для повітряної керми, виміряний у повітрі для рентгенівського випромінювання
(Р
|JW|\
якості Q0; Ч р I'Qvw.air — відношення середніх масових коефіцієнтів поглинання у
Юдко Олександр Олександрович
інженер-радіолог Київського міського онкологічного
центру, аспірант кафедри медичної радіофізики КНУ
імені Тараса Шевченка
Адреса: 03115, м. Київ, вул. Верховинна, 69
Тел. моб.: (096) 995-68-90
Е-mail: [email protected]
воді та повітрі, усереднених по всьому спектру фотонів на глибині [5]; Pq0 — коефіцієнт збурення, який урахує заміну води повітрям і матеріалом стінки камери, вплив тримача камери на показання камери в повітрі та воді, а також водонепроникної насадки. Останній коефіцієнт дорівнює 1 при використанні плоско-паралельної камери.
Для розрахунку дози за методикою, яка ґрунтується на вимірах повітряної керми, використовують фактор оберненого розсіяння BSF, який ураховує додаткове розсіювання від товщі води [3]. Загальна формула для поглиненої дози з урахуванням рівняння (2):
£>w,q-
Q0w,air
PQ0 * BSF , (3)
AAPM (TG-61). Дозиметричні рекомендації Американської асоціації медичних фізиків для середніх енергій рентгенівського випромінювання, які ґрунтуються на вимірюванні поглиненої дози у водному фантомі на опірній глибині — 2 г/см2 [4]. Формула для поглиненої дози:
^QtCh amPsh в a th
(№)
(4)
де NK — калібрувальний коефіцієнт для камери за повітряною кермою; М — показання дозиметра; PQcham — чинник, який вказує на зміну кутового розподілу фотонів у фантомі з камерою, котру використано для калібрування в повітрі; Psheath — коефіцієнт, який ураховує наявність водонепроникного ковпачка при вимірюваннях у воді.
IPEMB. Дозиметричний протокол Англійського інституту фізики та інженерії в медицині і біології ґрунтується на застосуванні калібрувального коефіцієнта за повітряною кермою [6]. Середній діапазон рентгенівського випромінювання — від 160 кеВ і ШПО 0,5 мм Си до 300 кеВ. Поглинену дозу визначають за формулою:
, (5)
де Kch — поправка, яка враховує відмінність у спектрі на глибині як за енергією, так і за кутовим розсіюванням, від спектра випромінювання в повітрі, тобто за умов, в яких проводили повірку камери. Також враховуєть-
ся вплив від ніжки камери та ефект збурення середовища повітряним об’ємом і матеріалом стінки камери.
NCS. Дозиметричні рекомендації Голландської комісії з радіаційної дозиметрії для рентгенівських пучків середніх енергій ґрунтуються на вимірюваннях у водному фантомі на глибині 2 см та застосуванні калібрувального коефіцієнта переходу до керми в повітрі [7]. Поглинену дозу у воді на глибині 2 см визначають так само, як і в протоколі IPEMB, де Kch — коефіцієнт, який у межах енергії фотонів 100-250 кеВ змінюється на 1 %, тому можна брати середнє значення Kch — 1,02.
Мета роботи — провести відносну клінічну дозиметрію рентгенотерапевтичного апарата та розрахувати поглинену дозу у воді за допомогою дозиметричних рекомендацій; проаналізувати альтернативний параметр якості пучка D2/D5.
Матеріали та методи
Відносну дозиметрію рентгенівського випромінювання проводили на апараті для ор-товольтної та глибокої рентгенотерапії РУМ-17 для напруг на рентгенівській трубці 140, 180, 200 та 220 кВ і сили струму 10 мА. Використовували додаткові фільтри з алюмінію
(140 кВ, 3 мм Al) та міді (180, 200, 220 кВ, 1 та
2 мм Cu). Розміри поля обмежувалися розмірами лікувальних тубусів. Вимірювання проводили у водному фантомі за допомогою іонізаційної плоскопаралельної камери Маркуса
3 чутливим об’ємом 0,02 см3. Вимірювання товщини шару половинного ослаблення проводили в повітрі згідно з рекомендаціями [2].
Результати
На рис. 1 наведено розраховану за різними дозиметричними протоколами потужність поглинених доз на глибині 2 см у водному фантомі з урахуванням усіх поправок.
Графік на рис. 2 побудовано на підставі даних моделювання в програмному пакеті EGSnrc дозово-глибинних розподілів для мо-ноенергетичного рентгенівського випромінювання з енергією від 20 до 300 кеВ для поля діаметром 10 см на відстані 100 см від фокуса рентгенівської трубки до поверхні водного фантома [6]. Показано залежність енергії від параметра, який є альтернативним параметром якості пучка в дозиметрії рентгенівського випромінювання і більш точним, ніж шар половинного ослаблення. На рис. 3 показано регіон графіка, обмежений діапазоном енергії 100-300 кеВ. На рис. 4 представлено таку саму
Рис. 1. Потужність поглиненої дози на глибині 2 см з калібрувальними коефіцієнтами камери для води (IAEA) та керми в повітрі (AAMP, IPEMB, NCS)
Рис. 2. Залежність енергіїмоноенергетичного рентгенівського випромінювання від відношення доз на глибині 2 і 5 см (D2/D5)
залежність, отриману на підставі експериментальних вимірювань на апараті РУМ-17.
Обговорення
Розрахована потужність поглиненої дози за трьома методиками, побудованими на основі формалізма Nk, дає завищену дозу на 5 % по-
рівняно з методикою NkgO. Неможливо остаточно відповісти яка методика є точнішою, проте формалізм Nq є більш перспективним, адже за рекомендаціями всі вимірювання виконують у водному фантомі, тому поглинену дозу визначають без переходу від повітряної керми, що зменшує похибку. Як видно з графіка на рис. 3, відношення глибинних доз
Рис. 3. Залежність енергії фотонів у діапазоні 100-300 кеВ від параметра D2/D5
Рис. 4. Залежність напруги на рентгенівській трубці від параметра D2/D5 для поля різного
розміру для апарата РУМ-17
D2/D5 має лінійну залежність у діапазоні енергій 100-300 кеВ, що може бути використано як ефективний показник якості пучка в рентгено-дозиметрії середніх енергій. Експериментальні дані, отримані за допомогою апарата РУМ-17, підтверджують результати моделювання, адже очевидно, що залежність напруги на катоді трубки від параметра D2/D5 є майже лінійною.
Висновки
Розбіжність між поглиненими дозами, роз-
рахованими за методиками з використанням Nd w та Nk, становить близько 5 %. Перспективним є використання в дозиметрії показника якості променя D2/D5, оскільки він ґрунтується на величині поглиненої дози у воді, тоді як шар половинного ослаблення — на вимірюванні керми в повітрі, що потребує знання чутливість іонізаційної камери до керми в повітрі. За результатами моделювання та розрахунків параметр D2/D5 має лінійну залежність у діапазоні енергій фотонів 100-300 кеВ, що підтверджено експериментально.
Список літератури 1 2 3 4
1. Джонс Х. Физика радиологии / Х. Джонс. — М.: Атомиздат, 1965. — 343 с.
2. Міжнародне агентство з атомної енергетики. Визначення поглиненої дози при дистанційній променевій терапії: Міжнародні практичні рекомендації з дозиметрії, основані на еталонах одиниць поглиненої дози у воді. Серія технічних доповідей № 398. — Відень: МАГАТЕ, 2000. — 251 с.
3. Юдко О.О. Розрахунок фактора оберненого розсіювання методом Монте-Карло для моноенергетично-го рентгенівського випромінення / О.О. Юдко // Укр. радіол. журн. — 2013. — Т. 21, вип. 2. — С. 253-256.
4. American Association of Physicists in Medicine (AAPM), AAPM protocol for 40-300 kV X-ray beam dosimetry in radiotherapy and radiobiology // Med.
Physics. — 2001. — Vol. 28, N 6. — P. 868-863.
5. Frank H.A. Introduction to radiological physics and radiation dosimetry / H.A. Frank. — Verlag GmbH:-John Wiley & Sons, 1986. — P. 154.
6. Institution of Physics and Engineering in Medicine and Biology (IPEMB). The IPEMB code of practice for the determination of absorbed dose for X-rays below 300 kV generating potential (0.035 mm Al-4 mm Cu HVL; 10-300 kV generating potential) // Phys. Med. Biol. — 1996. — Vol. 41. — P. 2605-2625.
7. Nederlandse Commissie voor Stralingsdosimetrie (NCS), Dosimetry of low and medium energy X-rays: A code of practice for use in radotherapy and radiobiology, NCS Report 10. — Delft: NCS, 1997.
8. Rosser K.E. Analternative beam quality index for medium-energy X-ray dosimetry / K.E. Rosser // Phys. Med. Biol. — 1998. — Vol. 43. — P. 587-598.
КЛИНИЧЕСКАЯ ДОЗИМЕТРИЯ ОРТОВОЛЬТНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
А.А. ЮДКО12, С.П. РАДЧЕНКО2, О.В. ОВСИЕНКО1
1 Киевский городской клинический онкологический центр, Центр ядерной медицины
2 Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко
Цель работы — провести относительную клиническую дозиметрию рентгенотерапевтического аппарата и рассчитать поглощенную дозу в воде с помощью дозиметрических рекомендаций; проанализировать альтернативный параметр качества луча.
Материалы и методы. Относительная дозиметрия проведена для рентгенотерапевтического аппарата РУМ-17 с напряжениями на катоде 140, 180, 200 и 220 кВ и силой тока 10 мА. Измерения осуществляли в водном фантоме ионизационной плоскопараллельной камерой Маркуса. Глубинные распределения для моноэнергетического рентгеновского излучения 20-300 кеВ были рассчитаны с помощью программного пакета EGSnrc.
Результаты. Получены глубинные распределения дозы рентгеновского излучения средних энергий. Рассчитаны поглощенные дозы в воде на опорной глубине 2 см разными методиками. Построена зависимость энергии фотонов от параметра D2/D5.
Выводы. Расхождение между поглощеннымы дозами, рассчитанными по методикам с использованием NDW и Nk, составляет около 5 %. Внедрение показателя качества луча D2/D5 является более целесообразным, чем толщины слоя половинного ослабления, поскольку он базируется на величине поглощенной дозы в воде, а слой половинного ослабления — на измерениях кермы в воздухе, что требует знания чувствительности ионизационной камеры к керме в воздухе.
Ключевые слова: клиническая дозиметрия, киловольтное рентгеновское излучение, ортовольтная лучевая терапия, качество пучка.
CLINICAL DOSIMETRY OF ORTHOVOLTAGE X-RAYS RADIATION
O.O. YUDKO12, S.P. RADCHENKO2, O.V OVSIENKO1
1 Kyiv City Clinical Cancer Center, Center of Nuclear Medicine
2 Taras Shevchenko National University of Kyiv
Objective — to conduct relative clinical dosimetry of X-ray radiotherapy unit and calculate the dose absorbed in water by means of current dosimetric guidelines. To conduct the analysis of alternative beam quality parameter D2/D5.
Materials and methods. Relative dosimetry is conducted for RUM-17 X-ray radiotherapy unit with cathode voltage of 140, 180, 200 and 220 kV and 10 mA of current intensity. The measurements are performed in water phantom with the help of plane-parallel Marcus ionization chamber. The depth distribution for monochromatic X-rays 20-300 keV are calculated in the EGSnrc.
Results. X-ray depth dose distributions of medium energy are received, the doses absorbed in water at basic depth of 2 cm are calculated by different procedures. Photon energy related to the parameter D2/D5 is shown.
Conclusions. The irrelevance in calculation of the absorbed dose amounts approximately to 5 % between the method of ND,W and Nk. The introduction of D2/D5 beam quality parameter is more appropriate than the half-value thickness. This is done due to the fact that the new quality parameter is based on the dose amount absorbed in water and half-value layer on the air kerma measurements, which requires the value of sensitivity of the ionization chamber to air kerma.
Key words: clinical dosimetry, kilovoltage X-ray radiation, X-ray radiotherapy, beam quality.
