Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 129-136

Дозиметрическая пленка GAFChromic EBT3

GAFChromic EBT3 – это самопроявляющаяся пленка, используемая в лучевой терапии для измерений поглощенной дозы от ионизирующего излучения. Дозиметрические свойства пленок этого типа позволяют проводить измерения в диапазоне доз от 0.2 до 10 Гр [5]. Пленка почти тканеэквивалентна и состоит из активного слоя толщиной 26–30 мкм, расположенного между слоями матового полиэстера толщиной 125 мкм [6]. При воздействии ионизирующего излучения на активный слой происходит его поляризация, что приводит к образованию полимера синего цвета.

Интенсивность цвета, вызванного воздействием ионизирующего излучения, пропорциональна поглощенной дозе. Для конвертации интенсивности цвета в дозу необходима калибровочная кривая. В качестве денситометров в дозиметрии используются планшетные сканеры. Производитель рекомендует использовать дозиметрическую пленку GAFChromic EBT3 вместе с 48-битным (16 бит на канал) планшетным сканером.

В данной работе все эксперименты проводились на стандартном сферическом фантоме диаметром 16 см (Leksell Gamma Knife Dosimetry Phantom) из водно-эквивалентного и тканеимитирующего материала “твердая вода”. Он применяется для проведения рутинных тестов по гарантии качества на гамма-ноже, включающих в себя измерения мощности поглощенной дозы и дозовых профилей, а также для пленочной дозиметрии. Фантом снабжен необходимыми для проведения этих экспериментов вставными держателями. Пленки облучались γ-излучением от источников ⁶⁰Co на аппарате Leksell Gamma Knife Perfexion.

Пленки были порезаны на прямоугольники размером 4 × 6 см с помощью гильотинного резака, перфорированы двумя отверстиями, помечены и помещены между двумя стержнями в аппарате Leksell Gamma Knife Dosimetry Phantom (рис. 1). Держатели и стержни обеспечивали стабильное положение пленки во время облучения. Пленка была позиционирована в центре фантома в коронарной плоскости XZ. Эта плоскость дает распределение дозы вдоль осей X и Z. Распределение дозы вдоль осей X и Y практически одинаковы из-за геометрической симметрии секторов вдоль продольной оси Z.

Когда фантом расположен в позиции облучения, центр фантома совпадает с изоцентром аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion со стереотаксическими координатами: X = 100 мм, Y = 100 мм и Z = = 100 мм.

Калибровка и обработка пленок. Для проведения дозиметрии с пленками GAFChromiс необходима калибровка по дозе, так как измеряемый отклик пленки зависит от дозы нелинейно. В литературе представлены различные протоколы для преобразования отклика пленки в поглощенную дозу.

В работе [7] предложена калибровочная кривая на основе нормализованного отклика пленки X(D) в канале каждого цвета в зависимости от поглощенной дозы D. Чтобы получить нормализованный отклик пленки, авторы использовали два разных образца одной и той же пленки. Первый образец был облучен известной дозой, второй – не подвергался облучению. Нормализованный отклик пленки был вычислен как отношение исходных значений пикселей (PV) облученного образца к исходному значению пикселей (PV₀) необлученного образца пленки. Калибровочная кривая была подобрана таким образом, чтобы соответствовать рациональной функции вида X(D) = a + b/(D – c), где a, b и c – параметры подбора.

В работе [8] разработан метод калибровки радиохромной пленки для дозиметрии на гамма-ноже с учетом оптической плотности пленки. Калибровочная кривая была получена путем соотнесения поглощенной дозы D с оптической плотностью OD: OD = –log₁₀(PV/65535), где величина 65 535 представляет собой максимальное значение пикселей для 16-битного изображения (2¹⁶–1). Данные были аппроксимированы полиномом третьего порядка: D = a ⋅ OD³ + b ⋅ OD² + c ⋅ OD + d, где a, b, c и d – параметры аппроксимации.

В работе [9] отклик облученной пленки был определен по изменению ее оптической плотности (netOD) с использованием изображений пленки до и после облучения. Оптическая плотность netOD была вычислена по формуле: netOD = OD_after – – OD_before = log₁₀(PV_before/PV_after). Калибровочная кривая представляла собой зависимость поглощенной дозы от оптической плотности, которую можно аппроксимировать функцией: D = a ⋅ netOD + + b ⋅ netODⁿ, где a, b, n – параметры аппроксимации.

В нашей работе для построения калибровочной кривой мы использовали следующий метод: образцы пленок из одной партии последовательно облучались дозами в диапазоне от 0 до 8 Гр с шагом 1 Гр. Размер поля облучения составлял 16 мм.

Пленки EBT3 были оцифрованы через 4 дня после облучения на планшетном сканере EPSON PERFECTION V750 PRO с пространственным разрешением 300 dpi (0.08 мм на пиксель) и глубиной цвета в 48-битном RGB-режиме (Red-Green-Blue, 16 бит на канал). Для сканирования использовалось программное обеспечение Epson Scan. Полученные изображения сохранялись в формате TIFF.

Для достижения стабильности отклика сканер прогревался в течение 15 мин, затем было выполнено 5 пустых сканирований [10, 11]. После этого были отсканированы необлученные пленки (0 Гр), а затем – облученные. Каждое сканирование выполнялось при сохранении ориентации пленок.

При обработке пленок использовалось открытое программное обеспечение для анализа изображений ImageJ [12] версии 1.52а. Из изображений извлекался красный канал. Известно, что максимум поглощения радиохромной пленки находится в видимой зоне красного цвета и извлечение красного канала из RGB-изображений позволяет улучшить чувствительность сканера при сканировании радиохромной пленки [13, 14]. Область интереса ROI находилась в центре образца пленки. Среднее значение в пикселях этой области было определено для каждого образца пленки в красном канале с использованием инструмента “овал” в программе ImageJ. Отклик пленки определялся как нормализированное значение пикселей (nPV). Это значение было вычислено как отношение средних значений пикселей облученной (PV) и необлученной (PV₀) пленок: nPV = PV/PV₀. Нормированные значения пикселей были подобраны в соответствии с референсными дозами для получения кривой калибровки доз (рис. 2), используя функцию полинома четвертого порядка вида:

где p₁ = 158.4, p₂ = –519.5, p₃ = 628.5, p₄ = –341.9, p₅ = 72.82; коэффициент детерминации R² = 1.

Нормированные значения пикселей в красном канале изображений отсканированных пленок были преобразованы в дозу с использованием калибровочной кривой, представленной на рис. 2.

Дозовые профили и относительные факторы выхода. Для измерения профилей и относительных факторов выхода на аппарате Leksell Gamma Knife шесть образцов пленки были помещены в фантом из “твердой воды” и облучены (рис. 3).

Два образца пленки были облучены дозой 4 Гр для коллиматора каждого размера. Для вычислений факторов выхода определены времена облучения T₁₆, T₈ и T₄ для коллиматоров размером 16, 8 и 4 мм соответственно.

Обработка и сканирование пленок, облученных в этом эксперименте, проводились так же, как описано ранее. Значения пикселей вдоль осей X и Z для каждого коллиматора были получены с использованием инструмента “линия” в программе ImageJ. Эти значения были нормированы и конвертированы в поглощенные дозы с помощью калибровочной кривой.

Относительные факторы выхода ROF для коллиматоров размером 8 и 4 мм были получены путем выбора среднего значения вокруг зоны интереса (ROI) для каждого образца пленки. ROF определялся как отношение поглощенной дозы для исследуемого поля к дозе для референсного поля, которое специфично для аппаратов данного типа (f_msr) [15]. Это поле определяется как наибольшее возможное радиационное поле для аппаратов, на которых нельзя установить поле 10 × 10 см². Для аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion f_msr соответствует коллиматору 16 мм. Каждый образец пленки был облучен одинаковой заданной дозой. Поэтому факторы выхода для коллиматоров размером 4 и 8 мм определялись как ROF_c = = (M_c/T_c)/(M₁₆/T₁₆), где M_c, T_c – соответственно интенсивность цвета пленки, преобразованная в дозу, и время проведения измерения для коллиматора 4 или 8 мм; M₁₆, T₁₆ – аналогичные параметры для коллиматора 16 мм.

Алмазный детектор T60019

T60019 – коммерческий синтетический монокристаллический алмазный детектор, работающий при напряжении 0 В. Чувствительный объем этого детектора крайне мал – 0.004 мм³, что обусловливает высокое пространственное разрешение и почти тканеэквивалентность алмазного детектора. Вследствие этого PTW T60019 является идеальным инструментом для работы с малыми полями и в условиях высокого градиента дозы, как в случае аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion, эффективная точка измерения которого находится на расстоянии 1 мм от кончика детектора.

Для сбора заряда от алмазного детектора использовался электрометр PTW Unidos. Измерения проводились внутри сферического фантома, описанного выше, с дополнительной вставкой собственного производства. Оригинальная вставка для фантома от производителя дозиметрического оборудования не может быть использована для измерений алмазным детектором вследствие наличия воздушной полости между вставкой и передней плоскостью детектора, что приводит к значительным погрешностям измерений [16].

Для точного позиционирования в изоцентре установки алмазный детектор перемещали вдоль осей X, Y и Z до обнаружения максимального значения показаний. Эффективная точка измерений была найдена при смещении на 0.1 мм от Z координаты изоцентра гамма-ножа.

Дозовые профили вдоль осей X и Z для трех коллиматоров (16, 8 и 4 мм) были измерены при перемещении фантома в направлениях X и Z с шагом 1 мм для коллиматоров 16 и 8 мм и с шагом 0.5 мм для коллиматора 4 мм. Для каждой точки было выполнено пять измерений, затем вычислено среднее значение.

Относительные факторы выхода были определены, согласно новому формализму для абсолютной дозиметрии малых нестандартных полей, представленному в работе [17]. В этой работе введен поправочный коэффициент $k_{{{{Q}_{с}},{{Q}_{{msr}}}}}^{{{{f}_{с}},{{f}_{{msr}}}}}$, который учитывает различие между показаниями детектора для конкретного поля f_c и референсного поля f_msr. Относительные факторы выхода ROF_c для коллиматоров размером 8 и 4 мм аппарата гамма-нож определялись как:

Поправочный фактор $k_{{{{Q}_{с}},{{Q}_{{msr}}}}}^{{{{f}_{с}},{{f}_{{msr}}}}}$ для детектора T60019 при измерениях в Leksell Gamma Knife Perfexion может быть вычислен методом Монте-Карло либо определен с помощью экспериментальных оценок. В работе [15] проведены расчеты методом Монте-Карло и разработана процедура экспериментальной оценки поправочного фактора с использованием референсного детектора “без коррекции”. В работе [16] была использована модель Монте-Карло для вычисления абсолютных и относительных поправочных факторов для детектора. Факторы выхода для коллиматоров 8 и 4 мм определялись как средневзвешенные значения, полученные по результатам аланиновой дозиметрии и измерений с помощью термолюминесцентного детектора и радиохромной пленки EBT 2. В [18] поправочные коэффициенты и факторы выхода измеряли, учитывая показания детектора как в параллельном так и в поперечном направлении его перемещения, затем проводилось сравнение измеренных факторов выхода со значениями в TMR 10.

В данной работе факторы выхода были определены экспериментально с использованием алмазного детектора T60019. Показания детектора были скорректированы с учетом поправочных факторов для коллиматоров 8 и 4 мм, опубликованных в работе [8]. Нами сравнивались полученные значения с результатами пленочной дозиметрии, проводимой с помощью радиохромной пленки EBT3, так как эта пленка имеет поправочный фактор, близкий к единице, и рекомендована к измерению факторов выхода [19].

Метод гамма-индекса

Метод гамма-индекса (гамма-критерий) [20] применялся для количественной оценки дозовых распределений, полученных по результатам моделирования Leksell Gamma Knife Perfexion методом Монте-Карло в программной среде Penelope/penEasy. Этот критерий позволяет оценить как разницу между дозами в процентах, так и расстояние до совпадения дозы (минимальное расстояние от точки измерения дозы до точки, где точно такое же значение дозы получено расчетным путем) при сравнении измеренных и рассчитанных дозовых распределений. При таком сравнении выбираются пороговые значения этих двух параметров. Согласно гамма-критерию, дозовые распределения находятся в хорошем согласии при гамма-индексе <1.

Относительные факторы выхода

Результаты расчетов в penEasy и TMR 10, а также относительные факторы выхода, измеренные с помощью алмазного детектора T60019 и радиохромной пленки EBT3 для коллиматоров 8 и 4 мм аппарата Leksell Gamma Knife Perfexion, приведены в табл. 1. Измерения с помощью алмазного детектора проводились 5 раз после предварительного облучения дозой 5 Гр с использованием коллиматора 16 мм. Алмазный детектор был помещен в специальную, предварительно спроектированную вставку внутри сферического фантома. Для каждого размера коллиматора использовалось по три пленки. Среднее значение и стандартное отклонение были рассчитаны для детектора каждого типа.

Результаты расчетов факторов выхода в программе penEasy хорошо согласуются с экспериментальными данными, полученными путем облучения пленки EBT3. Различие данных составило 0.4% и –0.7% для коллиматоров 8 и 4 мм соответственно. Относительный фактор выхода, измеренный с использованием пленки EBT3, по сравнению с результатами по алгоритму TMR10 оказался выше на 1.3% для наименьшего коллиматора (4 мм) и на 0.3% для коллиматора 8 мм.

Измеренные с помощью алмазного детектора относительные факторы выхода для коллиматоров 8 и 4 мм были меньше соответственно на 1.8% и 2.1%, чем рассчитанные с помощью penEasy, и на 1.7% и 1.5% по сравнению с алгоритмом TMR10. Наиболее различались результаты измерений, полученные с помощью алмазного детектора и путем облучения пленки: для коллиматора 4 мм различие составило 2.9%, а для коллиматора 8 мм – 1.4%. Важно отметить, что измерения были проведены в сферическом фантоме из твердой воды (плотность твердой воды 1.043 г/см³) с использованием вставки, которая была напечатана из ПЛА (полиактид) + пластик (плотностью 1.24 г/см³ [16]) на 3D-принтере. Этим можно объяснить наблюдаемые различия.

Относительные дозовые профили

На рис. 4 изображены относительные дозовые профили вдоль координатных осей X и Z для коллиматоров 16 (рис. 4а), 8 (рис. 4б) и 4 мм (рис. 4в) соответственно. Для сравнения на каждом графике представлены четыре набора данных: результаты экспериментов с использованием EBT3 и алмазного детектора, а также результаты расчетов по алгоритмам TMR 10 и penEasy. Анализ этих графиков показывает хорошее совпадение всех участков кривых. Для того чтобы количественно оценить различие в относительных дозовых профилях для penEasy, мы провели сравнение с помощью гамма-индекса данных, рассчитанных в penEasy и измеренных с использованием EBT3. Данные, полученные при измерении с пленкой EBT3, были выбраны референсными, пороговые значения для дозового различия и расстояния до совпадения дозы составили 3% и 1 мм соответственно. Графики для гамма-индексов расположены вверху каждого рисунка. Во всех случаях значение гамма-индекса было меньше единицы.