Тотальное облучение тела человека

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

рассеяние облучение дозиметрический

Введение

Глава 1. Тотальное облучение тела человека

1.1 Физические, биологические и клинические аспекты тотального облучения

1.2 Методики, применяемые для тотального облучения тела человека

1.3 Дозиметрия при тотальном облучении тела человека

1.4 Этапы дозиметрической подготовки к ТОТ

1.5 Сведения о ТЛД дозиметрии

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

2.1 Ускоритель электронов СЛ7-55 МТ

2.2 Анализатор дозы Victoreen 2800 M

Глава 3. Экспериментальная часть

3.1 Подготовительные операции с детекторами. Калибровка ТЛД

3.2 Различия в подготовке ТЛД для индивидуального дозового контроля и для in-vivo дозиметрии

3.3 Методика калибровки (для in-vivo дозиметрии)

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

3.5 Нахождение коэффициентов чувствительности

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

3.7 Сравнение коэффициентов чувствительности для облучения на 100 и 550 см

Выводы

Список литературы



Введение

Цель работы:

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

Задачи:

Провести литературный обзор, осмыслить физику ТЛД и процесс тотального облучения человека. Изучить на практике основы работы с медицинским ускорителем, анализатором дозы.

Партию детекторов откалибровать и подготовить для измерений на больных (in vivo дозиметрия) при ТОТ.

Определить чувствительность каждого из детекторов в условиях ТОТ, сравнить с коэффициентами чувствительности, полученными для стандартных условий.



Глава 1. 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

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.

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 = Ч²

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.

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.

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. 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.

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.

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.

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. 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. Возрастание дозы на поверхности зависит от расстояния от рассеивающего экрана до поверхности. Доза на коже возрастает с уменьшением расстояния до экрана.

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%. В отличие от стандартных условий, когда размер поля и расстояния меньше, эта величина равна 10% для 25 МэВ и достигает 18% для ⁶⁰Co.

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

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.

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).

Доза, подведенная к пациенту

Доза, подведенная к средней линии пациента, должна быть получена для каждой пары точек от главного значения двух измерений (на входе и выходе). Корректирующий фактор применяется для того, чтобы брать в расчет, что уменьшение дозы в ткани не линейное, а экспоненциальное (табл. 4).

Передние измерения (с помощью ионизационной камеры):

Передне-задние измерения (полупроводник, ??)



Таблица 4. Значения корректирующего коэффициента, применимые для in vivо измерений на передней и задней поверхностей для определения дозы в центре абдоминальной области для различной толщины тела

Толщина, см	18 МэВ	25 МэВ
10	1,022	1,044
15	1,010	1,037
20	0,991	1,010
24	0,989	1,000

Рекомендуется, чтобы доза была определена для линии, проходящей по середине живота, но доза для легких должна быть оценена отдельно. В добавление к дозе, предписанной в определенной одной точке, должны быть также определены наибольшие и наименьшие дозы. Критические точки перечислены в табл. 5.

Таблица 5. Рекомендованные точки тела, где должна быть определена доза

Часть тела	Примечание	Орган, подверженный наибольшему риску
Голова	Близко к краю луча	Глаза
Шея	Возможна избыточная доза, за счет неправильности установки болюса
Плечи	Возможна избыточная доза
Торакс		Легкие
Абдоминальная часть	Особая точка на средней линии абдоминальной часть	Почки, печень, селезенка, кишечник
Таз		Гонады
Щиколотка	Близко к краю пучка

Облучение высокоэнергетичными фотонами необходимо, чтобы подвести равномерную дозу, распределенную по всей толщине тела. Распределение дозы в теле пациента в результате облучения дозой 10 Гр в середине туловища показано на табл. 6. Для большинства пациентов, доза, подведенная к средостению, близка к дозе, подведенной к середине туловища. Равномерность дозы через выделенную часть тела не сильно зависит от толщины. Как бы то ни было, абсолютная доза зависит от толщины тела.

Таблица 6. Распределение дозы в различных частях тела относительно референсной дозы в 10 Гр в центре абдоминальной части тела

	Количество пациентов	Значения доз на средней линии (сГр)
		Голова	Средостение	Легкие	Абдоминальная часть	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%

Доза в легких

Учитывая взаимосвязь частоты возникновения радиационных пульмонитов и абсолютной дозы в легких, необходимо осторожно контролировать дозу, подводимую к легочной ткани. Многие параметры влияют на дозу в ткани легких: толщина, размер, плотность, положение тела, позиция наблюдаемой точки и качество пучка.

Для фотонных пучков 18 МэВ доза в легких без защиты примерно на 12% выше, чем в брюшной полости, несмотря на то, что увеличение дозы может изменяться на 220% в зависимости от геометрии легких и плотности. Эти значения соответствуют измеренной дозе в среднем отделе легких.

Помимо определения объема легких, КТ сканирование определяет плотность ткани легких. Плотность легких была измерена для различных позиций пациента для правого и левого легкого. Плотность легкого, расположенного около кушетки, всегда больше, чем плотность другого легкого.

Защита легких

Уменьшение дозы в легких обычно достигается с помощью защиты свинцовыми блоками. Если необходимо подвести номинальную дозу к средостению, печени и селезенке, то граница защиты отодвигается от видимых границ легкого. Таким образом, защита может охватить только часть объема легких. КТ сканирование обеспечивает простое и точное определение анатомического объема. Верхняя и нижняя части легких выше и ниже границ защиты приблизительно на 5% и 15% общего объема легких соответственно. Более чем 40% объема легких, которые остаются незащищенными свинцовыми блоками, подвергаются облучению номинальной дозой. Доза, подведенная к верхушке легкого, на 10% выше (для пучка 18 МэВ) из-за ее малой толщины, хотя эта часть занимает всего 5% от общего объема легкого.

Контроль качества

In vivo дозиметрия требует огромной осторожности в расположении пар детекторов точно в указанные места на входе и выходе пучка. Чтобы увеличить точность оценки, следует производить рентгеновские снимки в течение всего курса терапии, отмечая каждый раз положение детекторов. Снимки помогают проконтролировать положение защиты и обнаружить любые изменения в положении пациента.

Если облучение разделено на фракции, то in vivo дозиметрию нужно проводить при каждом сеансе облучения. Доза, подведенная к области живота, оцененная при in vivo дозиметрии только не при первом сеансе облучения, сравнивается с предписанной дозой. Для большинства пациентов расхождение меньше, чем 4%. Но оно достигает 8% и 12% для двух из них.

Гистограмма, содержащая дозу в легких, показывает большие отклонения. С оценкой для in vivo измерений в ходе первой сессии расхождение было между 8% и 16% для 9 из 28 пациентов.

Подведение точной и равномерной дозы ко всему телу для пациентов, которым показана пересадка костного мозга - это непростая проблема. Нет идеального пути определения дозы на пациенте; но какой бы метод не использовался, высокая доза облучения всего тела должна быть настолько точна, насколько достижима и воспроизводима.

1.4 Этапы дозиметрической подготовки к ТОТ

Получение профилей и глубинных дозных распределений в геометрии и условиях тотального облучения.

Получение характеристик ослабления излучения в поглотителях, используемых при ТОТ: церробенде, плексигласе, рисе в геометрии и условиях тотального облучения.

Дозиметрическая подготовка средств детектирования для контроля кожной дозы во время сеанса тотального облучения.

Специальная калибровка ТЛД и полупроводниковых детекторов.

Данная работа посвящена подготовке ТЛД в условиях рассеяния при ТОТ.

1.5 Сведения о ТЛД дозиметрии [11]

ТЛД базируется на способности кристаллов, имеющих дефекты, улавливать и запасать информацию об энергии ионизирующего излучения, которая высвобождается при последующем нагреве в виде испускания электромагнитного излучения, в основном, в видимой области спектра. Испускаемый свет улавливается с помощью фотоумножителя (ФЭУ), его интенсивность пропорциональна дозе, поглощенной в материале ТЛД.

При облучении образуются свободные электроны и дырки. И те и другие могут свободно перемещаться в зоне проводимости в течение короткого времени. В конце концов, они могут быть захвачены дефектами кристалла, или переходить в валентную зону и рекомбинировать с дырками с испусканием или без испускания света (флюоресценция), также осуществляется захват центрами люминесценции с испусканием света. Электроны могут находиться в ловушках продолжительное время (до месяцев), позволяя с помощью метода извлекать хранящуюся информацию.

Информацию можно получить путем нагревания кристалла до определенной температуры, зависящей от его природы. Энергия нагревания используется для извлечения электронов из ловушек в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться, пока не провзаимодействуют одним из трех возможных способов: будут захвачены ловушкой, или попадут в валентную зону и рекомбинируют с испусканием света или без, или рекомбинируют с испусканием люминесценции в активированном центре. Испускание света в последнем процессе называется термолюминесценцией (ТЛ).

Собирание света и тепла происходит в считывающей системе, который мы будем называть «считыватель» или «анализатор». ТЛ сигнал, как функция температуры (или времени нагревания, если этот параметр пропорционален температуре) зависит от природы кристалла и называется кривой термовысвечивания. Он содержит различные пики, каждый пик соответствует различному энергетическому состоянию в кристалле. Пики могут быть нестабильными, затухающими более или менее быстро со временем, в зависимости от материала ТЛД, или стабильными. ТЛ дозиметры всегда имеют как стабильный, так и нестабильный пики, один из которых используется в дальнейшем при дозиметрии. Они называются «дозиметрическими пиками».

После считывания показаний, материал или восстанавливается до своего первоначального состояния, в этом случае его можно использовать повторно, или подвергается специальному нагреву, называемому отжигом (annealing), чтобы вернуться в первоначальное состояние.

Большинство наиболее часто используемых ТЛД получены путем добавления к фосфорам (светящимся веществам), таких, как фторид лития (LiF), борат лития, сульфат кальция (CaSO₄) и фторид кальция (CaF₂), примесей, которые называют «активаторами»: например LiF:Mg-Ti - это фторид лития с добавлением магния и титана, Li₂B₄O₇:Cu - это борат лития с добавлением меди, и т.д. ТЛ материалы применяют в виде порошка, или в виде твердых дозиметров. Твердые дозиметры делают путем добавления фосфора, в виде монокристалла или прессованных поликристалликов (прессованный стержень, плавленый шарик или диск), или в виде гомогенной композиции из порошка фосфора и некоторых связывающих материалов. Следует отметить, что характеристики дозиметров из чистого фосфора могут значительно отличаться от характеристик композитных материалов.

В табл. 7 перечислены материалы, которые можно считать эквивалентными мягкой или костной ткани в некотором диапазоне энергий излучения, применяемые в лучевой терапии.

Таблица 7. Различные ТЛ материалы, эквивалентные мягкой ткани, легким или кости

Мягкая ткань или легкие	Кости
LiF (Mg, Ti), LiF (Mg, Ti, Na), Li2B4O7 : Mn Li2B4O7 : Cu	CaSO4 : Mn CaSO4 : Dy CaF2: Mn CaF2 : Dy

Анализаторы (считыватели)

Обычно облученные дозиметры располагаются на металлических подставках (или держателях, или планшетках), находящихся внутри считывающей камеры. Подставка нагревается различными способами до двух различных температур: температура предварительного нагрева применяется для удаления нестабильных пиков, а рабочая температура используется для снятия информации с дозиметрических пиков. Как правило, температура подставки измеряется термопарой, находящейся с ней в термическом контакте. Считывающую камеру следует продолжительное время продувать азотом, чтобы снизить ложные показания и снизить фон. Свет, испускаемый нагретым материалом, перед тем, как попасть на ФЭУ, проходит через один или несколько оптических фильтров. Ток ФЭУ пропорционален световому потоку, и, следовательно, поглощенной дозе, запасенной в ТЛ дозиметре.

Различные нагреватели, используемые в анализаторах для ТЛД, приведены в табл. 8.

Таблица 8. Некоторые анализаторы, выпускавшиеся в 1993 г.

Производитель	Страна	Модель	Система нагревания	Детекторы	Ручное /автомат
Panasonic	Япония	UD 513 A	Горячий газ	Ц+ПС.	Руч.
Harshaw	США	3500	Горячая подложка	ТвД.+П	Руч.
Harshaw	США	5500	Горячий газ	ТвД.	Автомат
Teledyne isotopes	США	310	Горячая подложка	ТвД.+П	Руч.
Alnor	Финляндия	DOSACUS	Горячий газ	ТвД	Авт. или руч.
Fimel	Франция	LTM	Горячая подложка	ТвД.+П	Руч.
Fimel	Франция	PCL	Изотермическое нагревание	ТвД.+П	Автомат

Твд. - твердый детектор, ПС. - порошок в стекле, П - порошок, Ц - цилиндр

Металлическая подставка с ТЛ материалом на ней может быть нагрета электрическим током, или печкой, или подвижным нагревающим стержнем. Нагревание возрастает либо линейно, либо изотермически. В первом случае материал быстро нагревается до температуры предварительного нагрева и рабочей температуры. В изотермическом случае, материал нагревается относительно быстро изотермической печкой до обеих температур, и высвечивание происходит меньше чем за 10 с. В любом случае для хорошей воспроизводимости должен сохраняться тесный контакт между дозиметром, подставкой и нагревающей системой.

Существуют некоторые бесконтактные процедуры, такие, как нагревание горячим азотом или воздухом, импульсным инфракрасным излучением галогеновых ламп или нагревание лазером. В этих случаях температура растет частями и зависимость обычно трудна для описания.

Анализаторы, сконструированные для снятия показаний с большого количества датчиков за короткое время, обычно используют изотермическое нагревание, или нагревание горячим газом.

Детектирование света различно в разных анализаторах, поскольку оно зависит от материала фотокатода ФЭУ и имеет различное спектральное поглощение окна на трубке ФЭУ. Большинство фотокатодов имеет пик восприимчивости около 400 нм, что хорошо согласуется с синей областью спектра для LiF, Li₂B₄O₇:Cu, но не подходит для желто-красной области Li₂B₄O₇:Mn. Соответствующие фильтры располагаются перед окном ФЭУ, позволяя приспосабливать считыватель под длины волн различных ТЛД. Хороший считыватель, должен иметь большое окно фотопоглощения ФЭУ и позволять быстро менять соответствующие фильтры, подходящие для различных ТЛ материалов.

В зависимости от типа считывающей системы, каждый сигнал, пропорциональный световому потоку, усиливается и проходит через интегратор (режим постоянного тока) или превращается в импульсы и проходит через пересчетное устройство (импульсный режим). Независимо от режима, напряжение на трубке ФЭУ должно быть стабильным для обеспечения хорошей воспроизводимости измерений.

Результаты, переведенные в единицы поглощенной дозы, или считываются и сохраняются в операторе, или же сохраняются на жестком диске компьютера и выводятся в форме, удобной для пользователя. В этом случае, различные калибровочные и корректировочные коэффициенты учитываются автоматически. Во многих анализаторах кривые высвечивания показываются на экране одновременно с измерением дозы, что дает максимальное количество информации.

Основные характеристики.

Стабильность сигнала после облучения.

Важным свойством при выборе ТЛД является стабильность сигнала. Иногда необходимо оценить, не был ли потерян заряд перед считыванием, образованный в процессе облучения путем излишнего нагрева (термический фединг), высвечивания (оптический фединг) или других факторов (аномальный фединг). Это выражается уменьшением отклика ТЛД в зависимости от промежутка времени между облучением и считыванием.

Предварительное нагревание позволяет исключить часть сигналов (слабо температурные пики), связанные с термическим федингом, значительно уменьшая, таким образом, термический фединг большинства ТЛД (табл. 8). Характерным для новых анализаторов является то, что предварительное нагревание составляет часть считывающего цикла. Например, Li₂B₄O₇:Mn имеет значительный фединг без предварительного нагревания, который уменьшается примерно до 2,5 % в месяц при правильном предварительном нагревании. Датчики из LiF имеют фединг от 5 до 10 % в год в зависимости от изготовления и предварительного отжига.

Оптического фединга можно избежать, работая с дозиметрами при комнатном освещении лампами накаливания, если они имеют матовые плафоны, а при использовании дозиметров для in-vivo дозиметрии помещать датчики в непрозрачные оболочки или конверты, если работают в процедурных, освещенных искусственным светом.

Таблица 9. Термический фединг для различных ТЛ материалов после правильного предварительного нагревания

ТЛ Материал	Термический фединг
LiF Li2B4O7 : Mn Li2B4O7 :Cu CaSO4 : Dy CaSO4 : Mn CaF2 : Dy CaF2: Mn	5-10 % в год 2,5 % в месяц 4 % в месяц 1-5 % в месяц 10 % в месяц 25 % в месяц 7 % в день



Аномальный фединг намного сложнее уловить, чем термический или оптический, так как он проявляется обычно более медленно. Возможно, из-за этого он еще мало изучен и вызывает трудности при дозиметрии.

Практический вывод.

Термический фединг следует определять для каждого считывателя вместе с ТЛ материалом, который планируется использовать. Он составляет примерно 1% в месяц, или меньше для различных LiF-дозиметров при считывании и правильном отжиге. Для Li₂B₄O₇ он колеблется от 0,5 до 1 % в неделю в зависимости от примеси.

При длительном промежутке между облучением и считыванием следует вносить поправку на фединг.

Собственная точность.

Собственная точность (intrinsic precision) - это воспроизводимость показаний данного ТЛ материала, связанная с данной считывающей системой. Она сильно зависит от качества используемого материала, характеристик считывателя, пути предварительного и полного нагревания, чистоты азота в считывающей камере и т.д. Ее можно оценить, отобрав случайным образом 10 образцов порошка или детекторов из некоторой партии и облучив их одинаковой дозой. После считывания и отжига, эту операцию следует повторить несколько раз.

Когда параметры считывания оптимизированы, стандартное отклонение составляет 2% или меньше, что достигается ручным или автоматическим считыванием хорошего качества, совместно с испытанным ТЛ материалом.

Практический вывод.

ТЛ материалы, имеющие стандартное отклонение больше, чем 2% либо плохого качества, либо неправильно настроены. Их не следует применять для in-vivo дозиметрии, пока процедура снятия показаний не будет улучшена.

Чувствительность.

Всегда существуют некоторые различия в чувствительности для группы ТЛД. Для ограничения влияния этих различий, можно использовать различные методы.

Наилучший метод следующий. Облучить все дозиметры в определенной геометрии, затем снять показания и приписать каждому из них чувствительность в виде коэффициента S_i:

S_i=R_i / R'

где R_i- показания i-го дозиметра, а R'- усредненное показание для данного дозиметра. Данный коэффициент чувствительности показывает отклонение отклика каждого дозиметра относительно среднего значения. Несмотря на то, что это среднее значение может сильно меняться от облучения к облучению, S_i остается постоянным, так как все дозиметры имеют соответствующие отклонения. Коэффициент чувствительности следует периодически проверять, чтобы учесть возможные ошибки, происходящие, когда ТЛД не очень хорошо подготовлены.

Другой метод, дающий похожую точность, состоит в разделении ТЛД на группы по чувствительности (т.е. группы дозиметров, отклик которых изменяется менее, чем на 1 или 2 % от среднего по группе) и увеличении числа дозиметров, используемых для каждой точки измерений. Если имеется автоматический считыватель, такой метод очень удобен, поскольку считывание занимает очень короткое время. Если распределение чувствительности в группе меняется со временем по причинам, описанным выше, следует повторить измерения, чтобы добиться заданной точности.

Практический вывод.

Для твердых дозиметров: различия в чувствительности следует учитывать или путем их нахождения и определения индивидуальных коэффициентов чувствительности или путем объединения дозиметров в группы с одинаковой чувствительностью.

Для достижения оптимальной точности при использовании ТЛ порошков, количество порошка и условия считывания должны быть точно определено и скорректировано. Чувствительность зависит от массы ТЛ материала, которую следует выбирать в зависимости от условий считывания, что зависит от кинетики нагревания. Для большинства материалов сигнал пропорционален массе при линейной скорости нагрева. Следует вносить либо поправку на линейность при различной массе образцов, либо использовать образцы с одинаковой массой.

Некоторые материалы, например, Li₂B₄O₇:Cu имеют чувствительность, которую можно считать независящей от массы при ее определенном значении, если применять автоматическое считывание с изотермическим нагревом. В этом случае нет необходимости взвешивать порошок, достаточно просто измерять объем порошка.

Практический вывод.

Для порошков: следует определить чувствительность порошка в зависимости от массы материала для имеющихся условий считывания и при необходимости вносить поправки.

Зависимость чувствительности от дозы.

Независимо от ТЛ материала, зависимость интенсивности термолюминесценции от поглощенной дозы имеет вид кривой. При относительно низких величинах поглощенной дозы зависимость линейная, график начинается с фонового значени. Значение ограничивает линейный участок, далее идет сверхлинейный участок чувствительности, достигающий насыщения в точке и затем чувствительность спадает. Это связано с повреждениями кристаллической решетки при облучении ТЛ кристаллов, в результате чего возрастает чувствительность детектора, т.к. дефекты могут служить ловушками для электронов, внося свой вклад в процесс ТЛ. Значения уровня доз, ограничивающих линейный участок, и дозы, при которой происходит насыщение, для ТЛД, используемых в лучевой терапии, приведены в табл. 9. Наличие нелинейного участка на кривой дозовой чувствительности не мешает использовать ее в дозиметрии, если ввести поправочный коэффициент. Хорошим примером служит LiF, имеющий линейный участок только от 10^-5 до 1 Гр, но широко используемый на практике. Однако не рекомендуется использовать ТЛД в области сверхлинейности, приближающейся к насыщению.

Таблица 10. Зависимость чувствительности от дозы для различных ТЛ материалов, используемых в in-vivo дозиметрии. Доза, соответствующая концу линейного участка и насыщению, представлена в колонках 2 и 3 соответственно

Материал	Доза, Гр
	Зона линейности	Насыщение
LiF Li2B4O7 : Mn Li2B4O7 :Cu (C.E.N.-FAR CaSO4 : Dy CaSO4 : Mn CaF2 : Dy CaF2: Mn	510-5 до 1 10-4 до 3 510-4 до 120 10-6 до 30 10-7 до 30 10-5 до 10 10-5 до 10	103 3104 103 103 102 104 103

Следует иметь в виду, что сверхлинейный участок и участок насыщения дозы, могут изменяться при плохих условиях нагрева, при неправильном облучении и температурных перепадах.

Практический вывод.

На практике рекомендуется использовать ТЛД в области, где чувствительность пропорциональна дозе (линейный участок). В противном случае в полученное значение дозы следует вводить поправку, которую получают из кривой чувствительности для данного материала, полученную на аппарате и в условиях пользователя, а не по опубликованным данным, так как параметры считывания каждый раз могут меняться. Данный график следует периодически проверять. Поправки можно внести в компьютер и использовать с некоторыми автоматически считывающими системами, что позволяет вводить поправку автоматически.

ТЛД не следует использовать на участке сверхлинейности вблизи точки насыщения.

Процедура отжига

Некоторые материалы, такие, например, LiF сильно зависят от теплового воздействия, называемого отжиг (annealing), который проводится перед первым облучением и после использования. Если данная процедура не проводится, то чувствительность ТЛД и фон сильно меняются. Более того, дозиметрические свойства не остаются постоянными. Это происходит из-за кластерных процессов внутри дефектов, которые могут сопровождаться генерацией термолюминесценции, увеличивая, таким образом, зависимость сверхлинейности и чувствительности от скорости нагрева.

Перед первым использованием, процедура нагревания Li₂B₄O₇, с примесью меди или марганца, включает отжиг от 15 мин до часу при 300 °С, при этом дополнительный отжиг перед следующим использованием не требуется.

Отжиг намного сложнее для некоторых способов приготовления LiF, и может изменять дозиметрические свойства ТЛ материалов, если процедура проведена неправильно. Это зависит от формы, в которой выпускается LiF. Можно обратиться к литературе и к указаниям производителя по проведению процедуры отжига для данного ТЛД LiF. Для LiF:Mg, Ti в виде цилиндров или палочек следует применять отжиг от 1 до 2 часов при 400°С, затем 24 часа при 80°С после каждого использования.

Некоторые производители рекомендуют не отжигать LiF детекторы после повторного использования. Наш опыт показал, что правильные результаты можно получить, если заменить процедуру отжига предварительным нагреванием материала непосредственно перед считывания.

Практический вывод.

Li₂B₄O₇ с примесью меди или марганца можно использовать повторно много раз без процедуры нагревания между считыванием и последующим облучением.

LiF, CaSO₄ и CaF₂ нуждаются в специальной процедуре нагревания после каждого использования.

Влияние мощности дозы

ТЛ дозиметры не имеют зависимости от величины мощности дозы. Например, LiF и Li₂B₄O₇ не имеют зависимости от мощности дозы вплоть до 45 Гр и 10³ Гр за импульс 0,1 мкс. Это на практике означает, что при применении ТЛД учитывать изменение мощности дозы, получающееся при применении модификаторов пучка облучения, изменения РИП, толщины пациента и т.д., не нужно. Даже чрезмерно высокие мощности дозы, получающиеся в пучках электронов линейных ускорителей, не создают особых трудностей.

Практический вывод.

Поправку на мощность дозы, в пределах используемых в клинике доз, вносить не надо.

Влияние температуры

Так как температура, которая требуется для получения светового сигнала от ТЛ кристалла, намного больше комнатной или температуры тела пациента, то чувствительность ТЛД не зависит от изменений температуры в диапазоне, относящемуся к in-vivo дозиметрии. Однако не следует хранить дозиметры рядом с источниками тепла.

Практический вывод.

Вносить поправку на температуру для in-vivo дозиметрии не нужно.

Энергетическая зависимость

За исключением измерений на поверхности тела, на ТЛД следует надевать равновесные колпачки, соответствующие энергии и геометрическим условиям облучения. Если равновесный колпачок сделан из тканеэквивалентного материала, то теоретически возможно оценить дозу, поглощенную датчиком и колпачком, облученных пучком фотонов, зная относительное изменение массового коэффициента поглощенной энергии между материалом ТЛД и водой в зависимости от энергии фотонов. Теоретически, эта зависимость будет меньше 4% и 8% в энергетическом диапазоне от 1 до 50 МэВ для Li₂B₄O₇ и LiF соответственно. На практике влияние окружающего материала (равновесные колпачки и пациент) и размер и форма датчика, могут изменить ожидаемый результат на 5%.

Условия нагревания тоже могут несколько влиять на результат. Таким образом, наиболее надежный, сравнительно точный метод включает в себя сравнение показаний самого ТЛД и соответствующего колпачка, с показаниями калиброванной ионизационной камеры с хорошо известной энергетической зависимостью. Облучив оба детектора тем же пучком, что и при лечении пациента, нужно сравнить эти зависимости. Из-за небольшой зависимости чувствительности от энергии для Li₂B₄O₇ и LiF в рассматриваемом энергетическом диапазоне, калибровочные коэффициенты, полученные с помощью данного метода, можно использовать для всех пациентов, облучаемых в одних и тех же пучках, или для пациентов, облучаемых пучками одинаковой энергии, независимо от геометрических параметров (размера поля, РИП, использования компенсирующих фильтров и т.д.).

Если энергия фотонов меньше 300 кэВ, применяют очень тонкие ТЛД без равновесных колпачков. Предпочтительно использовать борат лития вместо LiF, и другие материалы, так как здесь зависимость от энергии не так важна. В этом случае можно использовать теоретические кривые энергетической зависимости, каждый раз для ТЛ дозиметров малых размеров. Для низких энергий (ниже 50 кэВ), теоретические кривые или другие теоретические данные, непосредственно использовать нельзя, так как форма и размер детектора могут порождать сильные изменения чувствительности в объеме детектора. Более того, природа активатора так же может быть причиной больших различий чувствительности ТЛ материалов в этом энергетическом диапазоне. Единственным методом разрешения проблемы является непосредственное сравнение показаний ТЛД с показаниями калиброванной ионизационной камеры. Для низких уровней энергии, эффективная точка ионизационной камеры, выбирается как для рентгеновского излучения низких энергий, в данном случае на уровне, что и для ТЛ дозиметра.

В заключение следует отметить, что LiF тип 6 и Li₂B₄O₇ чувствительны к медленным нейтронам благодаря реакциям на ⁶Li и ¹⁰B. Тормозное излучение очень высоких энергий иногда содержит нейтроны, этому следует уделять внимание при проведении in-vivo измерений с помощью тормозного излучения с энергией более 12 МэВ. Наилучшие результаты достигаются при использовании LiF, обогащенного ⁷Li, который нечувствителен к нейтронам.

Энергия электронов.

Теоретически можно оценить поглощенную дозу в ТЛД, облученном пучком электронов, зная изменение зависимости от энергии электронов отношения массовой тормозной способности в материале ТЛ к тормозной способности воды или ткани. Это изменение меньше 2% и 5% для LiF и Li₂B₄O₇ соответственно, в энергетическом диапазоне от 200 кэВ до 50 МэВ. На практике, по тем же причинам что и для фотонных пучков предпочтительнее сравнивать непосредственно используемые ТЛ дозиметры с калиброванными ионизационными камерами, энергетическая зависимость которых хорошо известна для электронных пучков. Законность этого метода проверялась многими авторами.

...