Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

3.1.2. Зависимость центрально-осевого процентного дозового распределения от энергии пучка

На рис.7.5 показаны центрально-осевые процентные дозовые распределения (ЦОПДР) для пучков разных энергий. У современных линейных ускорителей на 6 МэВ процентная глубинная доза (PDD) на поверхности составляет примерно 70 %. С увеличением энергии электронов PDD на поверхности также увеличивается, достигая 90 % для пучков 20 МэВ. Данный эффект является следствием того, что низкоэнергетические электроны рассеиваются в среднем на большие углы, чем высокоэнергетические. Поэтому создаваемая ими доза Dmax на глубине zmax оказывается более высокой по отношению к дозе на поверхности, чем для высокоэнергетических электронов Знание дозы на поверхности имеет важное клиническое значение, так как при облучении электронами в область мишени часто включаются кожные покровы пациентов. В

табл. 7.1 и 7.2 представлены PDD вблизи поверхности водного фантома для ускорителя Varian Clinac 2300CD.

Таблица 7.1

Процентная глубинная доза вблизи поверхности водного фантома, создаваемая пучками электронов разных энергий, для ускорителя Varian Clinac 2300CD при размере конуса 10 х 10 см2 и РИП=100см

Глубина,		Энергия пучка электронов, МэВ
см	6,0	9,0	12,0	15,0	18,0	22,0
0	70,8 %	76,5 %	82,0 %	86,6 %	88,4 %	89,1 %
0.5	82,5 %	84,7 %	89,5 %	93,7 %	96,0 %	97,0 %
1.0	94,0 %	90,0%	92,6 %	96,4 %	98,7 %	98,9 %

Таблица 7.2

Глубина в водном фантоме, на которой находятся Dmax и D90 , для пучков разных энергий ускорителя Varian Clinac 2300CD при размере тубуса 10 х 10 см2 и РИП=100см

Энергия, МэВ	6.0	9.0	12	15	18	22
Глубина Dmax , см	1,4	2,2	2,9	2,9	2,9	2,2
Глубина D90 , см	1,8	2,8	3,9	4,8	5,4	5,8

411

Наиболее полезным терапевтическим интервалом глубин является область, где создается не менее 90 % от максимальной дозы Dmax. Эта глубина, z90 , в сантиметрах приблизительно равна наиболее вероятной энергии электронов вблизи облучаемой поверхности в мегавольтах, деленной на четыре. Глубины расположения Dmax и D90 не являются линейными функциями энергии и показывают существенные вариации для разных конструкций ускорителей (рис.7.6). Поэтому подчеркнем необходимость при планировании электронного облучения использовать экспериментальные данные для конкретной машины, конкретной энергии и конкретного аппликатора.

Рис. 7.6. Зависимость расположения глубины z90 от наиболее вероятной энергии пучка электронов Ep,0 для ускорителей Philips SL75/20 (—) и Varian Clinac 2500 (–

–) [15]

Выбор энергии пучка является существенно более критичным для электронов, чем для фотонов. Так как доза за точкой z90 быстро уменьшается, следует соблюдать осторожность при выборе терапевтической глубины и, следовательно, энергии электронов. При появлении сомнения лучше руководствоваться принципом выбора более высокой энергии, чтобы гарантировать нахождение мишенного объема внутри требуемой изодозовой поверхности. С другой

412

стороны, прежде, чем использовать более высокую энергию, следует проверить, не произойдет ли чрезмерное облучение критических органов из-за увеличения z90 .

3.1.3. Зависимость центрально-осевого процентного дозового распределения от размера поля и РИП

ЦОПДР так же как и выходной фактор существенно зависит от размера поля. Под выходным фактором понимается отношение мощности дозы, измеренной в воздухе на оси пучка для данного размера поля, к мощности дозы, измеренной в той же точке для ссылочного (опорного или рефересного) размера поля. Доза увеличивается с увеличением размера поля, так как увеличивается рассеяние в головке аппарата и в фантоме. Однако если размеры поля регулируются с помощью набора аппликаторов (тубусов), триммерных полос или вставок в аппликаторы при неизменном положении фотонных коллимационных пластин (шторок основного коллиматора), то изменение выходного фактора (см. ниже раздел 3.7) остается относительно небольшим (рис.7.7). Если же для этого используются шторки основного коллиматора головки, изменение выходного фактора будет значительным, особенно для низких энергий электронов (рис. 7.8).

Рис. 7.7. Зависимость выходного фактора от размера квадратного поля при регу-

лировании размера поля только с помощью триммеров для ускорителя Therac 20 (адаптировано из [16])

.

413

Рис. 7.8. Относительное изменение дозы в точке zmax для тубуса 10 х 10 см2 при перемещении основных коллимационных шторок головки ускорителя Clinac-18 относительно рекомендованного положения (адаптировано из [17])

Рис. 7.9. Влияние размера поля на ЦОПДР для пучков электронов ускорителя Mevatron 80 c энергией 7 МэВ (а) и 18 МэВ (б) при РИП=100 см [18]

414

Влияние размера поля на ЦОПДР иллюстрируется на рис. 7.9. Из представленных данных видно, что если размер поля становится меньше практического пробега, то появляется заметный cдвиг в положении Dmax и D90 вперед к облучаемой поверхности при уменьшении размера поля. Величина этого сдвига растет с увеличением энергии пучка

В то же время форма ЦОПДР слабо зависит от расстояния ис- точник-поверхность. На рис. 7.10 приводятся данные для РИП=100 см и РИП=115 см. Из рисунка видно, что при энергии электронов 20 МэВ 80-95 % участки кривой для РИП=115 см находятся только на несколько миллиметров ниже, чем аналогичные участки для РИП=100 см, а при меньших дозах эти кривые практически сливаются. Объясняется такой эффект относительно короткими пробегами электронов, вследствие чего влияние закона обратных квадратов на форму ЦОПДР невелико.

Рис. 7.10. Сравнение ЦОПДР для 9 МэВ и 20 МэВ пучков электронов ускорителя

Varian 2100C при РИП=100 и 115 см [19]

415

3.2. Равномерность и симметрия поля – внеосевые характеристики

Типичный дозовый профиль показан на рис.7.11. Он представляет собой зависимость поглощенной дозы от расстояния до оси пучка на определенной глубине водного фантома. Вариация в дозовом распределении в направлении перпендикулярном к геометрической оси пучка можно описать как вне осевое отношение, понимая под этим отношение дозы в произвольной точке вне оси к дозе на оси на той же глубине водного фантома.

Спецификация по равномерности (или флатности) электронных пучков определяется в настоящее время согласно рекомендациям МЕК (Международная электротехническая комиссия) на глубине максимальной дозы, zmax, и включает два требования: 1) расстояние между уровнями 90 %-ной дозы и геометрическим краем пучка не должно превышать 10 мм вдоль большей оси и 20 мм вдоль диагонали пучка; 2) максимальная величина поглощенной дозы в любой точке внутри 90 %-го изодозового контура (см. далее) не должна отличаться более, чем на 5 % от дозы на той же глубине на оси пучка.

Ранее МКРЕ [4] рекомендовала определять равномерность с помощью «индекса однородности». Этот индекс определяется в референсной (опорной) плоскости на референсной (опорной) глубине как отношение площади, где доза превышает 90 % дозы на оси пучка, к площади поперечного сечения пучка на поверхности

фантома (рис.7.12). Этот индекс должен превышать заданное значение, например, 0.8 для поля 10 х 10 см2 на глубине zmax [20].

416

Рис. 7.11. Дозовый профиль 20 МэВ пучка электронов ускорителя Varian 2100C [19]

Рис. 7.12. К определению индекса однородности: изодозовые кривые в плоскости перпендикулярной к центральной оси на глубине zmax [22]

417

Свои рекомендации относительно равномерности электронных пучков выработала также ААМФ [21]. В соответствии с ними гладкость определяется в ссылочной плоскости, перпендикулярной к центральной оси пучка на глубине 95 % дозы за точкой zmax. Изменение дозы в пределах площади, ограниченной линией, отстоящей на 2 см внутрь от геометрического края поля размером не меньше, чем 10 10 см2 не должна превышать 5 % относи-

тельно дозы на центральной оси.

С помощью понятия «симметрия пучка» сравниваются дозовые профили по разные стороны от центральной оси пучка. Спецификация по симметрии электронных пучков согласно рекомендациям МЕК определяется также на глубине максимальной дозы zmax,, и включает требование,что различие в значениях дозы в любых двух точках, расположенных симметрично на противоположных сторонах относительно центральной оси, не должно превышать 2 %.

3.3. Формирование и коллимация пучка

Пучок электронов выходит из системы ускорения медицинских ускорителей в виде тонкого луча. Если аппарат работает в режиме облучения пучком тормозного излучения, то электронный пучок падает на мишень из тяжелых материалов. При работе же в режиме облучения электронами мишень отсутствует и узкий пучок (тонкий луч) электронов проходит через выходное окно в систему формирования широкого расходящегося пучка.

В настоящее время применяются два основных метода расширения узких электронных пучков: использование электромагнитного сканирования тонкого луча по облучаемой поверхности; использование рассеивающих фольг из тяжелых элементов, например, свинца. На практике более широкое распространение пока получил второй метод, особенно после того, как была разработана система, состоящая из двух фольг (рис.7.13). Первая фольга в этой системе за счет многократного рассеяния электронов превращает тонкий луч в расходящийся пучок. Вторая фольга предназначена для создания однородного профиля в поперечном сечении пучка. Толщина второй фольги имеет сложный профиль в поперечном се-

418

чении для обеспечения вместе с системой коллимации рекомендуемых значений гладкости и симметрии дозового профиля.

Система коллимации (рис.7.13 и 7.14) включает набор коллиматоров, позволяющих создавать поля разных размеров и улучшающих гладкость пучка.

Все коллиматоры обеспечивают первичное коллимирование пучка вблизи источника и вторичное коллимирование – вблизи пациента. Первичное коллимирование определяет максимальный размер поля, а вторичное определяет размеры конкретного поля облучения. Вторичные коллиматоры могут изготовляться из триммерных полос или в виде набора тубусов различного размера.

Рис. 7.13. Принципиальная схема двухфольговой системы формирования и коллимации расходящегося пучка электронов с однородным профилем в поперечном сечении: W – окно ускорителя; B – первичный коллиматор; S1,S2 – рассеивающие фольги; F – вторичная коллимация

419

3.4. Закон обратных квадратов (положение виртуального источника)

В противоположность режиму работы с тормозным излучением, которое имеет реальный фокус (положение «точечного» источника) в месте расположения мишени ускорителя, при облучении электронными пучками такого физического фокуса не существует. Расходящийся электронный пучок создается за счет рассеяния в системе фольг (см. рис. 7.2 и 7.13). Затем он испытывает дополнительное рассеяние в воздухе и в коллиматорах. Однако при проведении расчета изменения фактора выхода в зависимости от изменения расстояния до облучаемой поверхности, используя закон обратных квадратов, наличие такого фокуса было бы весьма удобным. Отсюда возникла идея введения некоторого виртуального точечного источника электронов [23].

Под термином ―виртуальный точечный источник электронов‖ понимается точка пересечения обратных проекций наиболее вероятных направлений движения электронов к поверхности пациента (рис. 7.14) [24]. В литературе описано несколько способов определения положения виртуального источника, например, в работе [25] предложено определять эту точку через обратное проецирование 50 % ширины профилей пучка, измеренных на разных расстояниях.

Использование понятия ―расстояние виртуальный источник – поверхность‖ (РИП или SSD) для расчета поправки на изменение геометрического ослабления пучков по закону обратных квадратов неплохо работает для больших полей [26], однако, к сожалению, приводит к достаточно значимым погрешностям для небольших размеров полей. В основном, это связано с потерей электронного равновесия в воздухе и в фантоме для небольших полей и требует дополнительной корректировки.

Альтернативный способ корректировки фактора выхода для учета воздушного зазора между концом электронного коллиматора и пациентом предложен в работе [27] и назван методом эффективного SSD (РИП).

Эффективное SSD для электронных пучков (SSDeff) определяется как расстояние от положения виртуального источника до точки номинального SSD (обычно это изоцентр аппарата). Для нахожде-

420