Formowanie terapeutycznych wiązek promieniowania. Janusz Harasimowicz

Transkrypt

1 Formowanie terapeutycznych wiązek promieniowania Szkoła Fizyki Akceleratorów Medycznych, Świerk 2007

2 Głowice terapeutyczne 2

3 Wyjściowa wiązka elektronów Wiązka niemal monoenergetyczna (FWHM/Ep < 5%). Przekrój wiązki inicjującej może różnić się pomiędzy aparatami, ale zazwyczaj jest elipsą z osią dłuższą prostopadłą do osi ramienia. FWHM (szerokość połówkowa): od 0,5 do 3,4 mm (1 3 mm). Odnotowano różnice pomiędzy położeniami środka źródła dla różnych energii (Jaffray et al: 0,8 mm dla Clinaca 2100C). Wykryto również ruch źródła podczas stabilizowania wiązki zaraz po jej włączeniu (start up phase) sięgający 0,7 mm w osi działo-target (Sonke et al). 3

4 Przemieszczenie źródła promieniowania Sonke, Brand, van Herk, Focal spot motion of linear accelerators and its effect on portal image analysis, Med. Phys. 30 (6), June

5 Formowanie wiązek fotonowych 5

6 Tarcza konwersji (target) Ze względu na kierunek emisji promieniowania hamowania w zakresie MeV stosowane są transmisyjne tarcze konwersji. W porównaniu z wiązkami diagnostycznymi (~100 kev) wydajność konwersji e X wiązek terapeutycznych jest wyższa, a tym samym straty energii na ciepło są mniejsze (łatwiejsze chłodzenie targetu). Dla danej energii elektronów widmo promieniowania hamowania zależy od liczby atomowej Z oraz grubości targetu. 6

7 Budowa tarczy (I) Tarcza cienka Tarcza gruba (d = ~0,02 praktycznego zasięgu elektronów) (d = ~1,1 praktycznego zasięgu elektronów) Wyższa średnia energia wiązki fotonowej (fotony generowane przez elektrony o maksymalnej energii) większa przenikliwość promieniowania. Skażenie strumieniem elektronów. Mała wydajność konwersji (elektrony nie przekazują całej energii). Niższa średnia energia wiązki fotonowej (wielokrotne oddziaływania elektronów w wielu warstwach tarczy) mniejsza przenikliwość promieniowania. Brak skażenia strumieniem elektronów. Wyższa wydajność konwersji (elektrony przekazują całą swoją energię). 7

8 Budowa tarczy (II) Optymalizacja: układy warstwowe. Przykład: pierwsza warstwa o wysokiej liczbie atomowej Z (W, Au) do produkcji fotonów, druga o niskiej liczbie Z (Cu, Al) do pełnego zatrzymania elektronów i utwardzenia widma wiązki fotonowej. Wiązka elektronów Olofsson ESTRO

9 Budowa tarczy (III) 9

10 Uzyskana wiązka prom. X Fluence distribution Mean energy variation Off-axis softening 10

11 Energia promieniowania hamowania Tzw. energia nominalna wiązki fotonowej to energia inicjującej wiązki elektronów [MeV] lub efektywny potencjał przyspieszający [MV]. Nie jest to jednak energia wiązki promieniowania X, którą charakteryzuje widmo ciągłe! Maksymalna energia fotonów odpowiada energii wiązki e padającej na target, jednak ich energia średnia i energia najbardziej prawdopodobna są znacznie niższe. 11

12 Energia wiązki (I) 12

13 Energia wiązki (II) Dane zostały zebrane przez Radiological Physics Center (USA), które od 1985 roku przebadało ponad 1400 akceleratorów firm Varian, Siemens i Elekta/Philips. 13

14 Energia wiązki (III) TPR20,10 energia? Dawniej (1980): D10/D20 nominalny potencjał przyspieszający [MV]. Ograniczenie: niewielki błąd pomiaru dawki (jonizacji) znacząco wpływa na otrzymywany rezultat. Co więcej, rozkład dawki (a więc i stosunek D10/D20) zależy od zastosowanej tarczy konwersji i stożka wyrównującego. 14

15 Energia wiązki (IV) 15 MV 10 MV 6 MV 4 MV 15

16 Energia wiązki (V) Daryoush Sheikh-Bagheri and D. W. O. Rogers, Sensitivity of megavoltage photon beam Monte Carlo simulations to electron beam and other parameters, Med. Phys. 29 (2002)

17 Jednorodność wiązki Uzyskaną wiązkę promieniowania X charakteryzuje duża niejednorodność. Stosunek dawek na osi i 20 cm od niej wynosi : ok. 10:2 dla 25 MV ok. 10:4 dla 6 MV Założenie: jednorodność wiązki nie gorsza niż 106/110% (IEC 60977). 17

18 Filtr wyrównujący (I) Zasadniczo filtr wyrównujący osłabia promieniowanie w centralnej części wiązki, redukując jej intensywność do poziomu z brzegów pola. W pierwszym przybliżeniu kształt filtra podyktowany jest grubością materiału niezbędną do osłabienia promieni X wiązki niewyrównanej. Jest to jednak poważne uproszczenie ponieważ powstające w filtrze promieniowanie rozproszone będzie miało wpływ na ostateczny rozkład dawki. 18

19 Filtr wyrównujący (II) Stożek wyrównujący jest również filtrem w bardziej tradycyjnym sensie: ze względu na zróżnicowaną absorpcję promieniowania modyfikuje widmo energii. Współczynnik osłabiania jest większy dla niskich energii (większa filtracja składowych niskoenergetycznych) utwardzenie wiązki. W przypadku materiałów o wysokiej liczbie atomowej Z (Pb, W) filtracja rośnie wraz z energią fotonów (>3 MeV) zmiękczenie wiązki. 19

20 Filtr wyrównujący (III) Olofsson ESTRO 2003 High photon energy spectra Zwiększenie współczynnika osłabienia w zakresie >3 MeV wynika ze wzrostu udziału zjawiska tworzenia par dla materiałów o wysokim Z, a tym samym większych strat energii w tym zakresie. 20

21 Filtr wyrównujący (IV) Olofsson ESTRO 2003 Off-axis softening Lower Z (Al) High Z (Pb) 21

22 Profile wiązki (I) 22

23 Profile wiązki (II) Pole 40 cm x 40 cm, pomiary na głębokości dmax, 10 cm i 20 cm dla wiązki 6 MV 6 MV, dmax 6 MV, 10 cm Off-axis softening 6 MV, 20 cm 23

24 Profile wiązki (III) Pole 10 x 10 cm oraz 40 x 40 cm, pomiary na głębokości dmax i 10 cm dla wiązki 6 MV 40x40, dmax 40x40, 10 cm 10x10, 10 cm 10x10, dmax 24

25 Profile wiązki (IV) 25

26 Filtr: podsumowanie Filtr wyrównujący zapewnia jednorodny rozkład dawki na jednej wybranej głębokości (zazwyczaj 10 cm). Filtr optymalizowany jest jednocześnie dla wszystkich pól napromieniania. Zmiana widma energetycznego wpływa na jednorodność wiązki dla każdej energii dobierany jest inny filtr. 26

27 Czy filtr jest konieczny? Co oznacza brak filtra wyrównującego? Niejednorodny rozkład dawki współczesne systemy planowania leczenia potrafią to uwzględnić. Co najmniej 2x wyższa moc dawki (filtr osłabia wiązkę o 50% 90%) krótszy czas napromieniania. Mniej promieniowania rozproszonego mniejszy poziom promieniowania poza krawędziami pola (m.in. mniejsze przecieki między listkami MLC). Filtr wyrównujący jest jednym z głównych źródeł promieniowania neutronowego jego usunięcie oznacza zmniejszenie skażenia wiązki neutronami. Wyższa składowa niskoenergetyczna w widmie wiązki promieniowania poprawienie jakości obrazowania megawoltowego. 27

28 Filtr a widmo energii Hernandez, RSEA

29 Kolimacja wiązki Kolimator wstępny. Kolimator główny (symetryczny lub asymetryczny). Osłony indywidualne. Kolimator wielolistkowy (MLC). 29

30 Kolimator wstępny Umiejscowiony w pobliżu tarczy konwersji. O otworze stożkowym. Definiuje największe dostępne (okrągłe) pole napromieniania. Minimalizuje promieniowanie uboczne (materiał o wysokiej liczbie atomowej Z). 30

31 Kolimator główny Symetryczny (trimmery dla zapewnienia jednakowych półcieni w obu osiach). Asymetryczny (również ruch szczęki przez oś wiązki). Maksymalne pola napromieniania do 40 x 40 cm. Im bliżej pacjenta, tym mniejsze półcienie. Ruch szczęk musi uwzględniać rozbieżność wiązki. Mechaniczna dokładność pozycjonowania ~2 razy większa niż w izocentrum (w przypadku szczęk położonych bardzo blisko targetu zmiana położenia o 1 mm może spowodować przesunięcie krawędzi pola nawet o 0,5 cm). 31

32 Osłony indywidualne 32

33 Kolimator wielolistkowy (I) Od 52 do 160 listków. Projekcja listka w izocentrum standardowo wynosi 1 cm. Fizyczna szerokość listka jest 2-3 razy mniejsza (w zależności od położenia MLC od źródła). MLC to najbardziej złożony komponent głowicy kształtujący wiązkę promieniowania. 33

34 Kolimator wielolistkowy (II) Poziom skomplikowania (kilkaset elementów) wpływa na awaryjność urządzenia. Przykładowe zestawienie w tabeli (ale uwaga: jak zwykle marketing). WAVELENGTH, Volume 8 No. 2 July

35 Olofsson ESTRO 2003 Różne rozwiązania MLC Third level config. (Varian, mmlc ) [cm] 0 primary collimator 10 flattening filter monitor chamber 20 upper collimator lower collimator 50 collimator housing leaves Lower jaw replacement (Scanditronix, Siemens, GE) [cm] 0 Upper jaw replacement (Elekta)[cm] 0 primary collimator primary collimator flattening filter monitor chamber 10 internal wedge 10 flattening filter 20 monitor chamber 20 internal wedge upper collimator leaves leaves backup collimator lower collimator

36 Rozbieżność wiązki (I)? = 36

37 Rozbieżność wiązki (II) ~ 37

38 Rozbieżność wiązki (III) 38

39 Minimalizacja przecieków (I) 39

40 Minimalizacja przecieków (II) M.S.Huq, I.J.Das, T.Steinberg and J.M.Galvin, A dosimetric comparison of various multileaf collimators, Phys. Med. Biol. 47 (2002). J. E. Bayouth and S. M. Morrill, MLC dosimetric characteristics for small field and IMRT applications, Med. Phys. 30(9),

41 Rozbieżność wiązki c.d. 41

42 Double focused MLC 42

43 Single focused MLC Czoła listków muszą być ukształtowane w taki sposób, aby zapewnić minimalne i stałe półcienie w całym zakresie ruchów listków. 43

44 Kolimatory wielolistkowe Uwaga na: Przecieki między sąsiednimi listkami. Transmisję przez listki i promieniowanie rozproszone. Efekty związane z końcówkami listków (przecieki między przeciwległymi listkami, zgodność z symulacją świetlną). Półcienie końców i boków listków. Dokładność pozycjonowania listków (oraz ich ruch w terapii dynamicznej). 44

45 Modulacja intensywności (IMRT) MLC based IMRT + Compensator based IMRT + Static IMRT Dynamic IMRT 45

46 Kompensatory: od kompensacji do modulacji (IMRT) S.X.Chang et. al., Compensators: An alternative IMRT delivery technique, Journal of Applied Clinical Medical Physics, vol. 5, no. 3, summer 2004 i wiele innych prac 46

47 Tworzenie wiązki klinowanej 47

48 Formowanie wiązek elektronowych 48

49 Energia wiązki elektronowej Rozkład energii na głębokości = z Rozkład energii na powierzchni fantomu Rozkład energii wiązki wyjściowej 49

50 Folie rozpraszające (I) Filtr wyrównujący wiązkę fotonową zastąpiony cienką folią rozpraszającą. Pojedyncza folia odpowiednia dla pól o średnicy nie większej niż 10 cm i energii nie przekraczającej 10 MeV. Aby uzyskać dostatecznie szeroką wiązkę w większym zakresie folia pojedyncza musiałaby być zbyt gruba, powodując znaczące straty i rozmycie energii. Zastosowanie układu dwóch folii redukuje powyższy problem (sumaryczna grubość folii może być mniejsza). 50

51 Folie rozpraszające (II) Układ podwójny: Folia pierwotna: Materiał o wysokiej liczbie atomowej Z (najbardziej efektywne rozpraszanie). Grubość ograniczona przez maksymalne dopuszczalne straty energii elektronów oraz dopuszczalną intensywność powstającego promieniowania hamowania. Folia wtórna: Materiał o niskiej liczbie atomowej Z (minimalizacja promieniowania hamowania). Profilowana grubość. 51

52 Folie rozpraszające (III) Olofsson ESTRO

53 Folie rozpraszające (IV) 53

54 Aplikatory elektronów (I) Elektrony ulegają wielokrotnemu rozpraszaniu w powietrzu na drodze od głowicy terapeutycznej do pacjenta. Z tego względu, aby uzyskać dobrze zdefiniowaną wiązkę elektronów, jej kolimacja musi być zapewniona tak blisko pacjenta, jak to tylko możliwe. 54

55 Aplikatory elektronów (II) 55

56 Aplikatory elektronów (III) 56

57 Aplikatory elektronów (IV) 57

58 MLC dla elektronów 58

59 Głowice terapeutyczne 59

60 Głowice terapeutyczne (II) Siemens Oncor 60

61 Głowice terapeutyczne (III) tarcza filtrów komora jonizacyjna 61

62 Monitorowanie wiązki kolejny wykład... 62