Formowanie terapeutycznych wiązek promieniowania
advertisement
Formowanie terapeutycznych wiązek promieniowania Janusz Harasimowicz Szkoła Fizyki Akceleratorów Medycznych, Świerk 2007 Głowice terapeutyczne 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 2 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 3 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 2003 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 4 Formowanie wiązek fotonowych 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 5 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 6 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) . 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 7 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. 10/10/2007 Wiązka elektronów Janusz Harasimowicz Olofsson ESTRO 2003 8 Budowa tarczy (III) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 9 Uzyskana wiązka prom. X Fluence distribution 10/10/2007 Mean energy variation – Off-axis softening Janusz Harasimowicz 10 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 11 Energia wiązki (I) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 12 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 13 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 14 Energia wiązki (IV) 15 MV 10 MV 6 MV 4 MV 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 15 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) 379-390. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 16 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 17 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 18 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 19 Filtr wyrównujący (III) Olofsson ESTRO 2003 High photon energy spectra 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 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 Filtr wyrównujący (IV) Olofsson ESTRO 2003 Off-axis softening Lower Z (Al) High Z (Pb) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 21 Profile wiązki (I) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 22 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 10/10/2007 Off-axis softening 6 MV, 20 cm Janusz Harasimowicz 23 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 10/10/2007 10x10, dmax Janusz Harasimowicz 24 Profile wiązki (IV) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 25 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 26 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 27 Filtr a widmo energii Hernandez, RSEA 2007 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 28 Kolimacja wiązki • Kolimator wstępny. • Kolimator główny (symetryczny lub asymetryczny). • Osłony indywidualne. • Kolimator wielolistkowy (MLC). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 29 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 30 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 31 Osłony indywidualne 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 32 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 33 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 2004 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 34 Olofsson ESTRO 2003 Różne rozwiązania MLC Third level config. (Varian, mMLC ) [cm] 0 primary collimator 10 flattening filter monitor chamber 20 upper collimator 30 40 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 30 30 leaves leaves 40 50 10/10/2007 backup collimator lower collimator Janusz Harasimowicz 40 50 35 Rozbieżność wiązki (I) ? 10/10/2007 = Janusz Harasimowicz 36 Rozbieżność wiązki (II) ~ 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 37 Rozbieżność wiązki (III) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 38 Minimalizacja przecieków (I) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 39 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). 10/10/2007 J. E. Bayouth and S. M. Morrill, MLC dosimetric characteristics for small field and IMRT applications, Med. Phys. 30(9), 2003. Janusz Harasimowicz 40 Rozbieżność wiązki c.d. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 41 „Double focused” MLC 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 42 „Single focused” MLC Czoła listków muszą być ukształtowane w taki sposób, aby zapewnić minimalne i stałe półcienie w całym zakresie ruchów listków. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 43 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 44 Modulacja intensywności (IMRT) MLC based IMRT + Compensator based IMRT + Static IMRT 10/10/2007 Janusz Harasimowicz Dynamic IMRT 45 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… 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 46 Tworzenie wiązki klinowanej 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 47 Formowanie wiązek elektronowych 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 48 Energia wiązki elektronowej Rozkład energii na głębokości = z 10/10/2007 Rozkład energii na powierzchni fantomu Janusz Harasimowicz Rozkład energii wiązki wyjściowej 49 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). 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 50 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 51 Folie rozpraszające (III) Olofsson ESTRO 2003 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 52 Folie rozpraszające (IV) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 53 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. 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 54 Aplikatory elektronów (II) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 55 Aplikatory elektronów (III) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 56 Aplikatory elektronów (IV) 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 57 MLC dla elektronów 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 58 Głowice terapeutyczne 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 59 Głowice terapeutyczne (II) Siemens Oncor 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 60 Głowice terapeutyczne (III) tarcza filtrów komora jonizacyjna 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 61 Monitorowanie wiązki → kolejny wykład... 10/10/2007 Janusz Harasimowicz 62
