dr hab. Alicja Chruścińska Zakład Fizyki Półprzewodników i Fizyki Węgla Instytut Fizyki Uniwersytet Mikołaja Kopernika Grudziądzka 5/7 87-100 Toruń Recenzja rozprawy doktorskiej Pana mgr. inż. Jana Gajewskiego pt. "Rozwój dwuwymiarowego, termoluminescencyjnego systemu dozymetrycznego dla zapewnienia jakości w jonoterapii nowotworów Przedstawiona do recenzji praca doktorska mgr. inż. Jana Gajewskiego została wykonana pod kierunkiem prof. dr. hab. Pawła Olko w Instytucie Fizyki Jądrowej PAN w Krakowie i wpisuje się w prace wykonane w tym Instytucie w ramach uruchomienia stanowiska gantry w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Wobec ciągle wzrastającej liczby zachorowań na nowotwory oraz skali zagrożeń związanych z tą chorobą rozwój metod terapii dających możliwość efektywnego jej leczenia ma niepodważalne znaczenie społeczne. Prace naukowe w tej dziedzinie nie potrzebują wielu słów uzasadnienia ich wartości. Wśród wykorzystywanych terapii takich jak chirurgia, czy chemoterapia, radioterapia może się wydawać metodą najmniej inwazyjną. Jest tak jednak tylko dzięki zaawansowanym procedurom zapewniania jakości stosowanym w ośrodkach oferujących chorym taką terapię. Znaczny postęp w dziedzinie radioterapii związany jest ostatnio z wykorzystaniem wiązek jonowych (jonoterapia), które z uwagi na charakter oddziaływania jonów z materią zapewniają dostarczanie maksymalnej dawki na ustalonej głębokości w tkance określonej przez energię jonów. Daje to tej metodzie przewagę nad radioterapią konwencjonalną wykorzystującą fotony, w przypadku których dawka absorbowana w tkance maleje wraz z głębokością, co powoduje, że w celu napromienienia tkanki na określonej głębokości, konieczne jest niebagatelne narażenie na promieniowanie tkanek sąsiadujących z obszarem poddawanym terapii. Jonoterapia z kolei jest udoskonalana i techniki wykorzystujące szerokie wiązki jonów kształtowane przez mechaniczne modulatory w celu dopasowania do kształtu guza zastępuje się techniką polegającą na skanowaniu obszaru poddawanego terapii wiązką jonów o średnicy około kilkunastu milimetrów, tzw. wiązka ołówkową. Stanowiska terapeutyczne w Centrum Cyklotronowym w Bronowicach w IFJ PAN w Krakowie wykorzystują technikę skanującej wiązki ołówkowej. Praca mgr. inż. Gajewskiego jest ściśle związana z procedurami kontroli jakości stosowanymi właśnie w przypadku tej techniki, stąd przedmiot jej jest istotny, można wprost powiedzieć społecznie ważny, i bardzo aktualny. Skupia się ona przede wszystkim na badaniu możliwości zastosowania w tych procedurach folii TL typu MCP produkowanej w IFJ PAN w Krakowie. Zadania zrealizowane w ramach przygotowania rozprawy zwracają uwagę swoją wieloaspektowością. Obejmują one zarówno mechaniczno-elektroniczne prace mające na celu modernizację zbudowanego wcześniej w Instytucie czytnika folii TL, przygotowanie nowej wersji oprogramowania do sterowania czytnikiem folii TL oraz podstawowej analizy uzyskiwanych danych pomiarowych, jak i realizację serii pomiarów mających na celu badania własności dozymetrycznych folii TL, a także analizę wiarygodności stosowanych dotychczas technik oraz opracowanie własnej, ulepszonej metody określania parametrów plamki jonów, symulacje pokazujące wpływ kształtu plamki jonów na własności przestrzennego rozkładu dawki w napromienianej objętości i wreszcie praktyczne wykorzystanie folii TL do badań kształtu plamki jonów. Zakres prac podjętych przez autora wskazuje na jego szerokie zainteresowania i duże zaangażowanie w przygotowanie dysertacji. Rozprawa doktorska mgr. inż. Gajewskiego ma klarowny i raczej logiczny układ. Składa się z siedmiu rozdziałów, z których pierwszy stanowi wstęp wystarczająco obszerny, żeby wprowadzić czytelnika w dziedzinę terapii wiązką skanującą i na tej podstawie móc zdefiniować cele rozprawy, a ostatni rozdział stanowi syntetyczne podsumowanie zrealizowanych prac zaopatrzone także w ogólne 1
wnioski autora. Do właściwej treści rozprawy dołączono dwa dodatki. Dodatek A przedstawia szczegóły rachunków pozwalających na porównanie dwóch metod wyznaczania parametrów rozmiaru plamki jonów. Obszerny Dodatek B to instrukcja użytkownika programu Flat View 2.42 (w języku angielskim) przygotowanego przez autora rozprawy i służącego do sterowania czytnikiem 2D TL oraz wstępnej analizy danych. Pracę zaopatrzono w spis wielu pojawiających się w tekście skrótów, a także w spis ilustracji i tabel oraz sporządzoną alfabetycznie, niezwykle długą, listę cytowanej literatury. Drugi rozdział rozprawy zawiera podstawowe informacje dotyczące dozymetrii termoluminescencyjnej. Po zwartym przeglądzie różnych rodzajów luminescencji zamieszczono krótką historię pierwszych obserwacji TL, początków dozymetrii TL oraz, potraktowaną nieco bardziej szczegółowo, historię rozwoju dozymetrii TL w rodzimym Instytucie w Krakowie. Następne podrozdziały przedstawiają podstawowy model zjawiska obejmujący jeden typ pułapki i jeden typ centrum luminescencyjnego, elementarny pomiar TL jakim jest rejestracja krzywej jarzenia oraz parametry charakteryzujące dozymetryczne właściwości detektorów TL. Na końcu rozdziału zamieszczono opis własności trzech detektorów TL wytwarzanych w IFJ PAN w Krakowie. Rozdział trzeci przedstawia najpierw fundamenty opisu oddziaływania ciężkich cząstek naładowanych z materią wraz z przykładami samodzielnie wyliczonych przez autora krzywych Bragga dla wybranych energii jonów węgla i protonów. Kolejne podrozdziały skupiają się na technicznych rozwiązaniach produkcji wiązki jonów. Obok opisów aparatury wykorzystywanej do produkcji, przyspieszania, transportu i formowania wiązki przytaczane są pionierskie ośrodki, w których je stosowano, po czym następuje charakterystyka trzech ośrodków terapii jonowych osobiście znanych autorowi: Heidelberger Ionenstrahl - Therapiezentrum w Niemczech, Proton Therapy Center PTC w Pradze w Czechach oraz Centrum Cyklotronowego Bronowice w IFJPAN w Krakowie. W dalszej części rozdziału zaprezentowano techniki aktywne i pasywne stosowane w pomiarach przestrzennego rozkładu dawki (dozymetria 2D) ze szczególnym uwzględnieniem dozymetrii termoluminescencyjnej 2D. W tym ostatnim przypadku przedstawiono dość szczegółowo historię jej rozwoju począwszy od wczesnych lat 80-tych XX wieku. Ze zrozumiałych względów najdokładniej opisano tu kolejne etapy rozbudowy systemu skonstruowanego w IFJ PAN w Krakowie począwszy od roku 2002 do 2007, gdy powstał czytnik 2D TL, który stanowił sprzęt modernizowany i adoptowany przez mgr. inż. Gajewskiego w czasie prac nad rozprawą. Ostatni podrozdział wprowadza pojęcia z dziedziny radioterapii i omawia metody oceny zgodności mierzonych rozkładów dawki z rozkładem referencyjnym wyznaczonym w systemie planowania leczenia. Po pierwszych rozdziałach wprowadzających w dziedzinę pracy rozdziały czwarty, piąty i szósty zawierają opis własnych dokonań autora. W rozdziale pt. "Adaptacja systemu 2D TL dla dozymetrii skanujących wiązek jonowych" znaleźć można dokładny opis zmian dokonanych w poprzedniej wersji czytnika 2D TL. Dotyczyły one przede wszystkim płyty grzejnej, którą całkowicie wymieniono, oraz sposobu odczytu temperatury. Jako ilustrację efektów modernizacji systemu grzania podano uchyby temperatury mierzone przez trzy czujniki Pt-100 umieszczone na płycie grzejnej dla procesu grzania z szybkością 0.64 Cs -1, którą podano jako standardową w pracy z foliami TL (Tabela 4.1). Dla tego przypadku grzania uchyby nie przekraczały 3 C. Interesujące byłoby tu porównać te dane z podobnymi uzyskanymi dla znacznie szybszego grzania. Kolejną modernizacją czytnika wykonaną przez autora rozprawy było przygotowanie nowej wersji oprogramowania w środowisku LabView. Instrukcja użytkownika tego oprogramowania stanowi Dodatek B, natomiast w rozdziale czwartym opisano procedurę odczytu folii TL i metody korekcji - tła, geometrycznej, wprowadzonej do tego oprogramowania przez autora po raz pierwszy, oraz jednorodności powierzchniowej uzyskiwanych obrazów. Autorskim wkładem w nową wersję oprogramowania jest narzędzie do podstawowej analizy obrazów uzyskiwanych za pomocą czytnika 2D TL, które obejmują analizę histogramów sygnału TL z zadanego obszaru i analizę profili liniowych. Dostępną analizę plamek jonów można wykonać trzema metodami. Mgr inż. Gajewski opracował także programy FlatAnalyse oraz AnalyseSpot służące do analizy obrazów pochodzących z różnych systemów do pomiaru rozkładu dawki, niekoniecznie termoluminescencyjnych. Drugi z tych programów, został 2
włączony w procedury zapewnienia jakości skanującej wiązki protonowej na stanowiskach gantry w Centrum Cyklotronowym Bronowice. W rozdziale piątym podano cały szereg wyników pomiarów mających na celu określenie własności dozymetrycznych folii TL. Badano zmianę czułości detektorów w czasie ich wielokrotnego użycia dla promieniowania gamma i stosunek ekwiwalentu wody dla jonów węgla. Krzywe odpowiedzi dawkowej, a stąd też indeks liniowości, określono dla dawki promieniowania gamma, a także dla wiązek protonów i jonów węgla. Dla cząstek ciężkich zaobserwowano efekt zgodny z wcześniejszymi obserwacjami - spadek dawki charakterystycznej wraz ze spadkiem średniej wartości LET stosowanego promieniowania. Względną wydajność termoluminescencji dla folii TL dla wiązek protonów i jonów węgla określono dla szerokich zakresów energii jonów. Rezultaty pomiarów porównano z wcześniej uzyskiwanymi wynikami dla folii i detektorów MCP w formie pastylek. Dla obu rodzajów jonów sprawdzono także możliwość zastosowania systemu 2D TL do wyznaczania krzywej Bragga. Przeprowadzono dwa rodzaje eksperymentów, których wyniki porównano z krzywymi Bragga wyznaczonymi przez autora metodą Monte Carlo. Okazała się, że pomiary wykonane z wykorzystaniem fantomu płytowego dają zadowalającą zgodność określonej krzywej z wyliczoną, co dopuszcza stosowanie folii TL do pomiarów głębokościowych w procedurach zapewniania jakości. Powyżej wspomniane pomiary z zastosowaniem wiązki jonów węgla wykonano w ośrodku w Heidelbergu. W rozdziale piątym swojej pracy mgr inż. Gajewski przedstawia także testy przydatności systemu 2D TL do weryfikacji planów leczenia, które zrealizował w ośrodku praskim. Pomiary dla rzeczywistego planu leczenia nowotworu prostaty wykonano równolegle za pomocą folii i matrycy komór jonizacyjnych. Stwierdzono, że obrazy uzyskane z wykorzystaniem folii nie spełniają kryteriów akceptowalności założonych w procedurach zapewnienia jakości w planach leczenia i w związku z tym nie mogą być stosowane do ich weryfikacji. Najobszerniejszy w rozprawie rozdział szósty poświęcony jest badaniom własności wiązki skanującej. Pierwszą część rozdziału stanowi opis realizacji oraz kontroli napromieniania za pomocą wiązki skanującej. Opis ten jasno uzasadnia znaczenie właściwego określenia kształtu wiązki dla poprawności funkcjonowania systemu planu leczenia. Bardzo dobrze ilustruje to także analiza zawarta w podrozdziale 6.1.4. Na podstawie dostarczonych mu przez współpracowników wyników symulacji napromienienia objętości w formie sześcianu autor badał zależność jednorodności dawki od symetrii oraz rotacji plamki jonów w obszarze napromieniania oraz w jego otoczeniu. Symulacje wykonane zostały metodą Monte Carlo zgodnie z planem przygotowanym w systemie planowania leczenia wykorzystywanym na stanowisku gantry w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Pokazano np., że jednorodność dawki w obszarze napromieniania pogarsza się dwukrotnie dla rotacji około 45 plamki o symetrii 40%, a jednocześnie wiązka taka może zostać dopuszczona do użytku klinicznego w aktualnie obowiązujących procedurach kontroli jakości, gdyż wynik stosowanych metod analizy jednowymiarowej symetrii wiązki spełnia kryteria akceptowalności. Pokazano także, że pogarszanie rzeczywistej symetrii wiązki zwiększa także szerokość bocznych półcieni, co wpływa na dawkę dostarczoną do obszarów poza objętością napromienianą. Autor zaproponował metodę wyznaczania parametrów plamki jonów na podstawie dopasowania dwuwymiarowego asymetrycznego rozkładu Gaussa z rotacją i wykazał, że prowadzi ona do opisu plamki znacznie bardziej zbieżnego z jej rzeczywistym stanem. Istotną część rozdziału szóstego stanowi krytyczna analiza wyników metod stosowanych do tej pory do określania kształtu plamki. Zrealizowano ją dla testowej plamki o znanych parametrach. W rozdziale szóstym przedstawiono także efekty badań wpływu dawek o wartościach z zakresu nieliniowej odpowiedzi dawkowej folii TL na wyniki pomiaru kształtu plamki jonów. Rezultaty porównano z odczytami uzyskiwanymi za pomocą filmów Gafchromic EBT3. Odpowiedź dawkowa folii TL jest liniowa w znacznie szerszym zakresie dawek niż filmów, stąd, jak pokazał autor rozprawy, dla dawek w maksimum plamki nie przekraczających 5Gy rozmiary plamek mogą być mierzone za pomocą folii TL bez dodatkowej korekcji nieliniowości. Systemy wykorzystujące filmy zawsze takiej korekty wymagają. Przydatność systemu 2D TL do oceny kształtu plamki jonów przetestowano przez porównanie otrzymanych za pomocą tego systemu parametrów plamek z parametrami uzyskanymi za pomocą 3
systemów dozymetrii 2D Kodak EDR2 oraz Lynx 2D wykorzystywanych odpowiednio w ośrodkach w Heidelbergu dla skanującej głowicy horyzontalnej oraz w Pradze dla stanowiska typu gantry. Porównywano wyniki pomiarów odległości między poszczególnymi pozycjami plamek napromienionych protonami lub jonami węgla i parametry kształtu - średnie rozmiary oraz symetrię plamek. Dla stanowiska gantry w Pradze pomiary powtórzono dla różnych kątów gantry i w ten sposób badano także zmianę rotacji wiązki. Badania wykazały, że na tym stanowisku terapeutycznym symetrie wiązki obliczone metodą uwzględniającą rotację, która została zaproponowana przez autora rozprawy, mają wyższe wartości niż wyznaczane za pomocą obecnie stosowanych w tym ośrodku technik analiz jednowymiarowych. Wartości te silnie zależą od kąta gantry i dla pewnych kątów balansują na progu akceptowalności, gdy techniki analiz jednowymiarowych tego nie odnotowują. Ukoronowaniem rozprawy jest wykorzystanie przygotowanego przez mgr. inż Gajewskiego systemu 2D TL do pomiarów kształtu plamki terapeutycznej wiązki protonowej w Centrum Cyklotronowym Bronowice. Pomiary takie są konieczne do przygotowania modelu wiązki dla systemu do planowania leczenia. Dla różnych energii protonów badano dokładność systemu skanującego w nakierowaniu wiązki na zadaną pozycję oraz zmiany wymiarów wiązki dla różnych energii w powietrzu i na różnych głębokościach w wodzie. Rezultaty porównywano z danymi równolegle uzyskiwanymi za pomocą detektora Lynx 2D. Stwierdzono, że dokładność systemu kierowania wiązką jest zgodna z wymaganiami dla stanowiska gantry, a plamka wiązki skanującej jest symetryczna w granicach kryterium akceptowalności. Dla czterech różnych energii protonów określono wielkość poszerzania się wiązki wraz z głębokością w wodzie. Wyniki dla obu stosowanych typów detektorów są zbieżne. Język pracy jest przyjazny czytelnikowi, jasny i w zdecydowanej większości poprawny. Zdarzają się, jak to zwykle bywa w tak długich rozprawach, nieliczne jednak literówki i niedostatki interpunkcyjne. Większe opory budzą przydarzające się "skróty myślowe" w stylu: "...system bazujący na podgrzewaniu materiału TL światłem lasera o rozmiarze 0,2mm" i "Grubość takiego detektora wynosiła zaledwie 0,1mm, a jego odczyt polegał na owinięciu nim walca, który obracał się z określoną prędkością." (str. 31), czy " Każda plamka napromieniana była inną energią i innym rozmiarem wiązki pokazanym w tabeli 6.2." (str. 90), lub "wszystkie pozycje naświetlane były jednakową energią protonów " (str.94). Układ pracy nie budzi wątpliwości poza wyjątkiem, który stanowi umieszczenie podrozdziału 6.1.3 "Wpływ odpowiedzi dawkowej na kształt mierzonych plamek" w środku raczej teoretycznego wywodu dotyczącego metod określania geometrii wiązki. Chyba powinien on sie znaleźć w podrozdziale 6.2. pt." Zastosowanie systemu do oceny parametrów skanującej wiązki ołówkowej". Poza tym, z uwagi na nieproporcjonalnie dużą objętość rozdziału szóstego w porównaniu z wcześniejszymi, porządek pracy zyskałby, gdyby podrozdział 6.1 z niego wyodrębnić tworząc osobny rozdział. Szara graficzna jest staranna. Treść bogato, zasadnie i elegancko ilustrowana. Podpisy pod rysunkami pomagają zrozumieć ich zawartość. Jakość wykresów jest bardzo dobra, chociaż czasami czytelnik może żałować, że zostały pomniejszone (np. Rys. 4.15 i 16, 5.8). Obowiązkiem recenzenta jest wskazanie słabszych stron pracy. W tym przypadku nie pomniejszają one merytorycznej wartości i pozytywnej oceny rozprawy. - Zdziwienie budzi definicja pasma przewodnictwa w podrozdziale 2.2: "pasmo przewodnictwa elektron posiadający energię z tego pasma może poruszać się swobodnie pod wpływem czynników zewnętrznych takich jak temperatura czy pole elektryczne." Czy to znaczy, że można usunąć te "czynniki zewnętrzne" i elektrony się w paśmie przewodnictwa zatrzymają? - Podane w tym samym podrozdziale definicje pułapek są moim zdaniem mało precyzyjne: "W najprostszym modelu wyróżnia się dwa dodatkowe rodzaje poziomów: jeden znajdujący się poniżej najmniejszej dozwolonej energii pasma przewodnictwa, tak zwana pułapka elektronowa, P e, oraz drugi powyżej największej dozwolonej energii pasma walencyjnego, tak zwana pułapka dziurowa, P d." Czy w takim razie pułapka dziurowa, która znajdując się "powyżej największej dozwolonej energii pasma walencyjnego" nie znajduje się tym samym "poniżej najmniejszej dozwolonej energii pasma przewodnictwa", a więc jednocześnie jest pułapką elektronową? - W rozdziale piątym podano cały zestaw wyników badań własności dozymetrycznych folii TL, które są narzędziem do pomiaru rozkładu dawki, natomiast na wykresach pojawiają się wielkości liczbowe dla 4
np. "zmiany czułości" lub "sygnału znormalizowanego" odczytane dla folii bez podania w jaki sposób zostały one określone. Co tutaj jest sygnałem? W przypadku detektorów TL w formie pastylki sprawa jest oczywista i została wyjaśniona w rozdziale drugim, lecz w rozdziale szóstym nie mogę znaleźć stosownej informacji odnośnie pomiarów dla folii TL. - W rozdziale prezentującym działania zmierzające do ulepszenia procesu grzania folii w czytniku 2D TL brakuje prezentacji rozkładu temperatury na płycie grzejnej. Mógłby to być np. obraz rozgrzanej płyty otrzymany za pomocą kamery termowizyjnej. Czy badano, na ile takie niejednorodności grzania mają wpływ na niejednorodności odczytu widoczne np. na Rys. 4.11 i na ile można je redukować za pomocą zaproponowanej w pracy i wykorzystanej w oprogramowaniu FLAT VIEW korekcji jednorodności powierzchniowej? - Zmianę czułości detektorów w czasie ich wielokrotnego użycia badano dla promieniowania gamma, czy autorowi nie wydaje się zasadne, żeby sprawdzić to dla wiązek jonowych? Przez staranność podejścia autora do licznych zagadnień związanych z zastosowaniem folii TL do badania wiązki skanującej praca zdaje się odpowiadać na większość pytań mogących się w tej dziedzinie pojawić. Treść rozprawy jest jednak na tyle interesującą, że wzbudza chęć zadania autorowi pytań. W rozdziale dotyczącym badania wiązki skanującej za pomocą folii TL wykorzystywano zwykle dawki z zakresu liniowej odpowiedzi detektora. W podrozdziale 6.1.3 autor stwierdza, że błąd rozmiaru plamki można zmniejszyć korygując obraz plamki zgodnie z krzywą odpowiedzi dawkowej. Czy realizacja takiej korekty jest możliwa w ramach oprogramowania przygotowanego przez autora pracy? Po przeczytaniu podrozdziałów dotyczących pomiarów zależności rotacji wiązki od kąta gantry w praskim ośrodku jonoterapii nasuwa się pytanie: czy podobne badania stanowisk gantry wykonano w Krakowie i jakie są jego wyniki? Rozprawę mgr. inż. Gajewskiego oceniam bardzo wysoko. Autor realizował wiele badań systemu 2D TL pod kątem jego zastosowania w procedurach zapewniania jakości w jonoterapii. W wielu przypadkach dowiódł przewagi folii TL nad innymi systemami. Wskazał jednak wyraźnie także ograniczenia sytemu. Wyniki jego prac znalazły zastosowanie w Centrum Cyklotronowym Bronowice, a zaproponowana metoda wyznaczania parametrów plamki jonów, jak dowiedziono, znacząco ulepsza procedury zapewniania jakości terapii. Przeprowadzone badania były nieodzowne przed wykorzystaniem systemu i wymagały staranności naukowej i zaangażowania. Sposób ich realizacji dowodzi, że autor posiada dużą wiedzę w swojej dyscyplinie, a także umiejętność samodzielnego prowadzenia pracy naukowej. Uważam, że rozprawa spełnia wymogi formalne stawiane pracom doktorskim przez Ustawę o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz normy akademickie i wnoszę o dopuszczenie mgr. inż. Jana Gajewskiego do dalszych etapów przewodu doktorskiego. Toruń, 02.09.2016 r. Alicja Chruścińska 5