Известия РАН. Серия физическая, 2022, T. 86, № 4, стр. 557-562

Исследование пропускания дозы в многолепестковом коллиматоре на ускорителе Varian Halcyon

Е. Н. Лыкова 1, Е. П. Морозова 12*, А. Ф. Петрова 12, Н. В. Громова 2, А. П. Черняев 1

1 Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования “Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова”
Москва, Россия

2 Общество с ограниченной ответственностью “Московский международный онкологический центр”
Москва, Россия

* E-mail: ep.morozova@physics.msu.ru

Поступила в редакцию 15.11.2021
После доработки 06.12.2021
Принята к публикации 22.12.2021

Полный текст (PDF)

Аннотация

Экспериментально измерена величина утечки дозы из многолепесткового коллиматора Varian Halcyon V1.0. Измерены профили пучков с размерами 1 × 2, 4 × 4, 10 × 10, 16 × 16 см2 разными детекторами. Обнаружено увеличение дозы утечки по мере увеличения размера поля. Дополнительно измерена доза при полностью закрытом коллиматоре и обнаружено хорошее согласие с паспортными данными прибора.

ВВЕДЕНИЕ

Современные методы и технологии проведения лучевой терапии значительно улучшили способность доставлять высокие дозы в опухоль при уменьшении дозы на соседние критические органы. Многолепестковый коллиматор (MLC) используется в современной лучевой терапии для формирования поля и управления пучком излучения. Хорошо спроектированный MLC обладает следующими характеристиками: низкое пропускание лепестков, небольшой эффект гребня (tongue) и паза (groove), малая полутень, точное позиционирование лепестков и высокая скорость их движения [17].

В лучевой терапии излучение доставляется для достижения терапевтического эффекта в пределах клинического целевого объема (CTV). Неопределенности в позиционировании и доставке дозы требуют использования планируемого целевого объема (PTV) и соответствующего облучения здоровых тканей в этом объеме. С целевым объемом связан термин “обработанный или облученный объем”, который представляет собой объем ткани, запланированный для получения предписанной дозы. Ткани за пределами PTV не подвергаются воздействию излучения, но неизбежно облучаются. Доза за пределами PTV называется “нецелевой дозой”. Нецелевую дозу обеспечивает нецелевое излучение, ее подразделяют на две категории: (а) “нецелевая доза в поле” – доза, которая находится в пределах основной границы поля, например, входная и выходная доза на пути луча; (б) “нецелевая доза вне поля” – доза, которая выходит не только за пределы PTV, но и за пределы любого первичного края поля – утечка дозы [810]. В нашем исследовании интерес вызывает вторая категория нецелевой дозы – утечка дозы.

Низкие дозы утечки облучения за пределами обрабатываемого объема вызывают опасение, потому что они могут оказывать вредное воздействие на пациента [1113]. Риск поздних эффектов от облучения сегодня может быть более очевидным, чем в прошлом, потому что успех скрининга рака и современные методы лечения увеличили число больных раком, которые выживают и живут достаточно долго, чтобы проявились отдаленные реакции воздействия радиации [1419].

Целью нашего исследования является экспериментальное измерение утечки доз из головки ускорителя Varian HALCYON. Оценивалась доза, которая выходит не только за пределы облучаемого объема, но и за пределы любого первичного края поля. Также оценивалась доза утечки при полностью закрытом проксимальным слое коллиматора.

МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ

Медицинский линейный ускоритель Varian HALCYON

В настоящем исследовании все эксперименты проводились на линейном ускорителе VarianHalcyonV1.0, подающий пучок тормозным фотонов с граничной энергией 6 МэВ без сглаживающего фильтра. Для всех измерений сначала создавался план облучения в системе планирования лучевой терапии Eclipse v15.6 (Varian Eclipse Treatment Planning System). Для расчета дозы в системе планирования использовался анизотропный аналитический алгоритм (ААА).

Система формирования поля облучения Halcyon MLC отличается уникальной ступенчатой двухслойной конструкцией, состоящей из дистального и проксимального слоя (рис. 1). Первичный и вторичный коллиматоры зафиксированы, отсутствует сглаживающий фильтр. Дистальный, или нижний слой, состоит из двух блоков с 28 лепестками каждый. Проксимальный, или верхний слой, состоит из двух блоков с 29 лепестками каждый. Лепестки сделаны из естественной смеси вольфрама и расположены в шахматном порядке на расстоянии 0.5 см относительно друг друга. Лепестки MLC на Halcyon, как и на других линейных ускорителях Varian, движутся по прямой линии и имеют закругленные концы. Halcyon обеспечивает скорость MLC до 5.0 см/с и мощность дозы 800 мониторных единиц в минуту [20].

Рис. 1.

Схематический рисунок узла головки Halcyon [22]. Первичные и вторичные коллиматоры фиксированы и не являются подвижными шторками. Показаны положения проксимального (верхнего) и дистального (нижнего) слоев MLC, причем в левом нижнем углу отображается вид сбоку листа, а в правом нижнем углу-вид конца листа.

Получение дозовых профилей при различных размерах полей

Многолепестковый коллиматор позиционировался так, чтобы сформировать квадратные размеры полей 1 × 2, 4 × 4, 10 × 10, 16 × 16 см2. Измерения проводились при положении гантри 0°. MLC был откалиброван стандартным методом, рекомендованным компанией Varian.

В экспериментах дозовый профиль измеряли ионизационной камерой SNC125с [23] и диодным детектором EDGE [24].

Для измерения дозовых профилей ионизационной камерой и диодным детектором устанавливался фантом 3D Scanner [25] (рис. 2). Данные детекторы по очереди помещались внутрь водного фантома 3D Scanner на глубину 10 см. Расстояние источник–поверхность составило 90 см. Измерения проводились в режиме step-by-step, шаг составил 0.5 см и время стояния в точке 5 с.

Рис. 2.

Установка водного фантома 3D Scanner.

Измерение пропускания дозы через закрытый многолепестковый коллиматор

В системе планирования Eclipse был создан план облучения водного фантома 3D Scanner. Измерение дозы проводилось с помощью ионизационной камеры SNC 600c [26], которая является детектором эталонного класса, созданным на основе классической конструкции камеры Фармера. Данная камера была помещена внутрь водного фантома на глубину 10 см, расстояние источник - поверхность воды составило 90 см. Были проведены измерения дозы при открытом поле размером 10 × 10 см2 и при закрытом блоке А проксимального слоя многолепесткового коллиматора. В каждом случае подавалось 5000 мониторных единиц. Утечка дозы из закрытого коллиматора рассчитывалась по формуле (1):

(1)
${{D}_{{leakage}}} = \frac{{{{D}_{{closed}}}}}{{{{D}_{{open}}}}} \cdot 100\% ,$
где ${{D}_{{closed}}}$ и ${{D}_{{open}}}$ – это рассчитанные средние дозы при закрытом и открытом коллиматоре соответственно.

РЕЗУЛЬТАТЫ

Влияния размера поля на утечку дозы

По полученным в ходе экспериментов данным доз были построены графики профилей пучка, измеренных ионизационной камерой SNC125c и диодным детектором EDGE. Для сравнения с расчетными дозами, выгруженными из системы планирования лучевой терапии Eclipse, строились профили пучка для измеренных доз при различных размерах полей (рис. 3).

Рис. 3.

Профили пучка для различных размеров полей полученные из системы планирования ECLIPSE и измеренные ионизационной камерой SNC125 и диодным детектором EDGE. Размер поля: 1 × 2 (а), 4 × 4 (б), 10 × 10 (в) и 16 × 16 см2 (г).

При оценке утечки дозы рассматривались хвосты пучка, так называемые зоны тени, дозы значение которых ниже 20%. Для более наглядного примера были построены графики “хвостов” для различных размеров полей (рис. 4).

Рис. 4.

Хвосты профилей пучка для различных размеров полей полученные из системы планирования ECLIPSE и измеренные ионизационной камерой SNC125 и диодным детектором EDGE. Размер поля: 1 × 2 (а), 4 × 4 (б), 10 × 10 (в) и 16 × 16 см2 (г).

Из рис. 4 видно, что утечка дозы становится больше по мере увеличения размера поля. Так, для поля размером 1 × 2 см2, на расстоянии 8 см от края поля, доза утечки, измеренная диодным детектором EDGE составляет 0.09306%, доза утечки, измеренная ионизационной камерой SNC125c – 0.1017%, спланированная доза – 0.0901%. Для размера поля 4 × 4 см2 на таком же расстоянии от края поля доза, измеренная диодным детектором EDGE– 0.7981%, измеренная SNC 125c составила – 0.8288%, спланированная доза – 0.7965%. Для полей 10 × 10 и 16 × 16 см2 на расстоянии 14 см от центра поля доза утечки для SNC125с составила 1.1664 и 3.7738%, для детектора EDGE– 1.5148 и 3.7971%, спланированная доза 1.0582 и 3.5024% соответственно. Видно, что измеренные данные в хвостовой части профилей отличаются для камеры и детектора, но все дозы оказываются выше, чем спланированные в тех же точках. В области тени для полей 10 × 10 см2 и 16 × 16 см2 детектор EDGE показал более высокие дозы, чем камера SNC 125c, так как чувствительность детектора выше, соответственно измерять зоны тени и малые поля лучше диодным детектором.

Из построенного графика (рис. 4а) видно явное различие на расстоянии от 8 до 14 см от центральной оси в значениях расчетных и экспериментальных доз. Для оценки такого различия приведена таблица значений доз в данных точках (табл. 1). “Ступенчатый” характер расчетных доз объясняется тем, что алгоритм расчета доз ААА, в системе планирования лучевой терапии Eclipse, округляет значения рассчитанных доз. Сторона сетки расчета составляла 0.25 см.

Таблица 1.  

Относительные расчетные и измеренные ионизационной камерой SNC 125c и диодным детектором EDGE дозы, на различных расстояниях от центральной оси пучка

Расстояние от центральной оси, см Доза, рассчитанная в ECLIPSE, % Доза, измеренная SNC 125c, % Доза, измеренная EDGE, %
14 0.00 0.032 ± 0.001 0.020 ± 0.001
12 0.00 0.054 ± 0.001 0.046 ± 0.001
10 0.09 0.089 ± 0.001 0.084 ± 0.001
8 0.09 0.102 ± 0.001 0.093 ± 0.001

Утечки дозы из закрытого многолепесткового коллиматора SX1

Результаты измерений показаны в табл. 2. Доза утечки из закрытого многолепесткового коллиматора составила (0.012 ± 0.001)% от предписанной дозы в 5000 мониторных единиц. Данный результат хорошо согласуется со значением утечки дозы, представленной производителем.

Таблица 2.  

Рассчитанные дозы для эксперимента с закрытым коллиматором

  Заряд, при открытом поле, нКл Среднее значениие заряда, нКл Закрытое поле, нКл Среднее значение заряда закрытого поля, нКл Утечка дозы, %
1 431.9 ± 56 431.9 ± 5.6 0.513 ± 0.007 0.513 ± 0.007 0.012 ± 0.001
2 431.8 ± 5.6 0.513 ± 0.007
3 432.0 ± 5.6 0.512 ± 0.007

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Выполнено исследование утечки дозы из многолепесткового коллиматора SX1 на линейном ускорителе Varian Halcyon. Была измерена фактическая утечка дозы из закрытого многолепесткового коллиматора SX1, которая составила (0.012 ± ± 0.001)% от предписанных 5000 мониторных единиц, что хорошо согласуется с данными от производителя.

Для оценки утечки дозы и исследования влияния размера поля на нецелевую дозу был проведен ряд экспериментов с различными размерами полей и детектирующими устройствами. Был проведен эксперимент с размерами полей 1 × 2, 4 × 4, 10 × 10, 16 × 16 см2. Из проведенных опытов можно сделать вывод, что утечка дозы становится больше по мере увеличения размера поля. Так для размера поля 16 × 16 см2 различия между спланированной и измеренной дозой составило 0.3%, что говорит о том, что планирующая система Eclipse “занижает” дозу вдали от центра пучка. Также дозы, измеренные разными детекторами, существенно различались. Для измерения зоны тени лучше использовать диодный детектор EDGE, а не ионизационную камеру SNC 125c из-за его большей чувствительности.

Важность проведенных экспериментов состоит в том, что анализ полученных данных дает понимание того, как влияет размер поля на утечку дозы, какие дозиметрические приборы корректно использовать для тех или иных измерений, и стоит ли более тщательно промерять зоны тени пучка. Так как утечки дозы тесно связаны с поздними лучевыми реакциями, данная тема будет актуальна пока совершенствуются ядерно-физические методы лечения рака.

Исследование выполнено при поддержке Междисциплинарной научно-образовательной школы Московского университета “Фотонные и квантовые технологии. Цифровая медицина”.

Список литературы

  1. Deng J., Pawlicki T., Chen Y., Li Jinsheng S. et al. // Phys. Med. Biol. 2001. V. 46. P. 1039.

  2. Salari E., Men C., Romeijn H.E. // Med. Phys. 2011. V. 38. No. 3. P. 1266.

  3. Petersen N., Perrin D., Newhauser W., Zhang R. // J. Med. Phys. 2017. V. 42. № 3. P. 151.

  4. Lafond C., Chajon E., Devillers A. et al. // J. Appl. Clin. Med. Phys. 2013. V. 14. P. 4074.

  5. Joel M., Francois D., Alasdair S. // Bio. Med. Phys. Eng. Express. 2016. V. 2. Art. No. 065013.

  6. Kim J., Han J.S., Hsia A.T. et al. // Phys. Imaging Radiat. Oncol. 2018. V. 5. P. 31.

  7. Белоусов А.В., Варзарь С.М., Желтоножская М.В. и др. // Вест. МГУ. Сер. 3. Физ. и астрон. 2019. № 6. С. 3.

  8. Takam R., Bezak E., Marcu L G., Yeoh E. // Radiat. Res. 2011. V. 176. P. 508.

  9. Attalla E.M. // J. Clin. Oncol. 2013. V. 12. P. 435.

  10. Lonski P., Taylor M.L., Franich R.D. et al. // Radiat. Prot. Dosim. 2012. V. 152. P. 304.

  11. Preston D.L., Shimizu Y., Pierce D.A. et al. // Radiat. Res. 2003. V. 160. P. 381.

  12. Ivanov V.K., Maksioutov A.A., Chekin S.Y. et al. // Health Phys. 2006. V. 90. P. 199.

  13. Kreuzer M., Kreisheimer M., Kandel M. et al. // Radiat. Environ. Biophys. 2006. V. 45. P. 159.

  14. Travis L.B., Ng A.K., Allan J.M. et al. // J. Nat. Cancer. Inst. 2012. V. 104. P. 357.

  15. Chargari C., Supiot S., Hennequin C. et al. // Cancer Radiother. 2020. V. 24. P. 602.

  16. De Ruysscher D., Niedermann G., Burnet N.G. et al. // Nat. Rev. Dis. Primers. 2019. V. 5. P. 13.

  17. Wang T.-M., Shen G.-P., Chen M.-Y. et al. // J. Nat. Cancer Inst. 2019. V. 111. P. 620.

  18. Hanania A.N., Mainwaring W., Ghebre Y.T. et al. // Chest. 2019. V. 156. P. 150.

  19. Pascoe C., Duncan C., Lamb B.W. et al. // BJU Int. 2019. V. 123. P. 585.

  20. Varian medical systems. Halcyon physics. Palo Alto, 2017.

  21. Varian Medical Systems. Halcyon accompanying documents functional performance characteristics. Palo Alto, 2017.

  22. Tze Y.L., Dragojević I., Hoffman D. et al. // J. Appl. Clin. Med. Phys. 2019. V. 20. P. 106.

  23. SNC125c. Product brochure. Sun Nuclear Corporation, 2015.

  24. https://www.sunnuclear.com/uploads/documents/datasheets/edge_detector.pdf.

  25. 3D scanner product brochure. Specifications. Sun Nuclear Corporation, 2021.

  26. SNC600c. The classic farmer type chamber. Product brochure. Sun Nuclear Corporation, 2020.

Дополнительные материалы отсутствуют.