CC BY
185
ХАРАКТЕРИТИКИ ИЗЛУЧЕНИЯ БЛИЗКОФОКУСНОГО РЕНТГЕНОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО АППАРАТА РЕНТГЕН ТА-2
В.Н.Васильев, А.А.Коконцев Лаборатория медицинской физики ИЯИ РАН
E-mail: [email protected], [email protected]
Несмотря на развитие современных высокотехнологичных направлений в лучевой терапии близкофокусная рентгенотерапия фотонами низких энергий продолжает оставаться актуальным средством лечения ряда опухолевых и неопухолевых заболеваний, очаги которых расположены на поверхности тела пациента. Однако имеющиеся на настоящий момент атласы распределений дозы близкофокусных аппаратов содержат ряд неточностей и несоответствий [1-2]. В связи с вводом в эксплуатацию в Лаборатории медицинской физики ИЯИ РАН близкофокусного рентгенотерапевтического аппарата «Рентген ТА-2» в качестве вспомогательной терапевтической установки Центра протонной терапии, нами было проведено исследование его дозиметрических характеристик: определены слои половинного ослабления в алюминии, проведена абсолютная калибровка поверхностной дозы, исследована линейность зависимости радиационного выхода от анодного тока и измерены глубинные дозы в водо-эквивалентной среде.
Для измерений поверхностной и глубинной дозы использовалась плоскопараллельная ионизационная камера PTW TW34013 диаметром чувствительного объема 3 мм и толщиной 0,75 мм и электрометр Keithley 35040, обработка результатов проводилась в соответствии с протоколом МАГАТЭ TRS 398 [3]. Камера была калибрована изготовителем для режима T30 (напряжение 30 кВ, фильтр 0,55 мм Al, СПО 0,42 мм Al), для исследованных нами режимов работы аппарата значения поправочного коэффициента на качество излучения kQ
определялись путем интерполяции в зависимости от СПО (табл. 1).
Измерения поглощенной дозы в зависимости от глубины проводились в пластинчатом твердотельном фантоме из материала Plastic Water LR (CIRS Inc., США) [4], моделирующего сечения взаимодействия фотонов с водой в диапазоне энергий 15 кэВ - 8 МэВ с точностью не хуже 0,5%. Толщина пластин составляла 5, 10 или 20 мм, а их общая толщина - 80 мм. При измерении поверхностных и глубинных доз ионизационная камера помещалась внутри полости в адаптерной пластине Plastic Water толщиной 20 мм.
Слой половинного ослабления (СПО) измерялся с помощью набора фильтров - пластин из высокочистого алюминия толщиной от 0,05 до 1,95 мм каждая. При измерениях был использован тубус 1-1 диаметром 15 мм для минимизации вклада рассеянного излучения, фильтры устанавливались непосредственно на внешнем обрезе тубуса, а камера - в штативе напротив, на расстоянии «источник-детектор» 30 см. Измерения проводились после прогрева аппарата и вывода его в стабильный режим путем многократного включения и измерения мощности дозы на выходе.
Результаты измерений представлены в таблице 1. Для определения первого и второго слоя половинного ослабления были получены зависимости мощности дозы от толщины поглотителя, затем значения толщины поглотителя, приводящие к падению дозы в два и четыре раза соответственно, были рассчитаны обратной линейной интерполяцией в полулогарифмическом масштабе. Зависимости СПО от анодного тока, наблюдавшейся на аппаратах старой конструкции, обнаружено не было, СПО был стабилен в пределах 2%. Получено качественное согласие значений СПО с опубликованными данными [5-7], кроме режима 50 кВ, 0,7 мм Al, величина СПО которого оказалась завышена. В связи с этим было проведено отдельное
измерение параметров пучка, которое показало, что фильтр номинальной толщиной 0,7 мм А1 реально имеет толщину 1,0 мм А1 (выпукло-вогнутая форма фильтра затрудняет его непосредственно измерение).
Таблица 1. Параметры режимов работы аппарата Рентген ТА-2 и характеристики излучения.
№ и, кВ Фильтр, мм А1 Коэффициент к Q,Qo СПО1, мм А1 СПО2, мм А1 Коэффициент гомогенности
1. 20 0,15 0,987 0,10 0,14 1,39
2. 30 0,3 0,989 0,18 0,30 1,68
3. 40 0,5 0,999 0,37 0,68 1,84
4. 50 0,7* 1,013 0,94 1,41 1,50
5. 60 1,2 1,016 1,32 2,16 1,64
6. 80 1,6 1,013 1,82 2,93 1,61
7. 100 1,8 1,006 2,67 4,80 1,80
* Номинальное значение. В действительности 1,0 мм А1.
Значение мощности поглощенной дозы на поверхности водно-эквивалентного фантома измерялось 4-7 раз в течение трех месяцев от начала цикла с поправкой на температуру и давление воздуха в день измерений, были рассчитаны средние значения и среднеквадратичные отклонения. Компонента погрешности, связанная с позиционированием тубуса относительно камеры, учтена в среднеквадратичном отклонении. Все измерения выполнялись после прогрева аппарата и вывода его в стабильный рабочий режим путем нескольких последовательных включений на 0,5-1 минуты с интервалом 2-3 минуты между включениями.
Толщина передней стенки камеры составляла 25 мкм полиэтилена, однако по оценкам TRS 398 (табл. 8.1) для обеспечения электронного равновесия она должна быть равна от 45 до 140 мкм полиэтилена для рентгеновского излучения от 50 до 100 кВ соответственно. В примечании к указанной таблице отмечено, что толщина стенки взята равной максимальному пробегу вторичных электронов по докладу МКРЕ №37 [9]. В свою очередь, сравнение с таблицей 12.4 доклада показывает, что максимальная энергия вторичных электронов принята равной максимальной энергии фотонов в спектре.
Нами был исследован предполагаемый эффект накопления вторичных электронов путем добавления к передней стенке камеры слоев полиэтиленовой пленки толщиной 25 мкм каждый. Никакого увеличения ионизационного тока при этом обнаружено не было. Таким образом, значения толщин, необходимых для накопления вторичных электронов, приведенные в таблице 8.1 доклада МАГАТЭ TRS 398, вероятно, являются значительно завышенными. При их оценке не учтены реальные спектры фотонов и вторичных электронов, а также угловые распределения фотоэлектронов и комптоновских электронов отдачи, генерируемых в передней стенке камеры. Более детальное исследование этого вопроса может быть проведено путем моделирования переноса вторичных электронов в стенке методом Монте-Карло с учетом указанных эффектов.
Линейность зависимости радиационного выхода от анодного тока соблюдалась в пределах 2%. Средние значения мощности поглощенной дозы в воде на поверхности водно-эквивалентного фантома, приведены в таблице 2, а среднеквадратичное отклонение мощности дозы при указанных выше условиях измерения в среднем составляло 0,7%.
Для тубусов 1-1 - 1-4, имеющих близкую конструкцию и диаметр от 15 до 50 мм, в основном наблюдается систематическое возрастание обратного рассеяния. Исключением является тубус 1-1 (015 мм): мощность дозы для него несколько
выше, чем для тубусов большего размера, вероятно, вследствие рассеяния первичного пучка на его внутренней стенке. Тубусы 1-5 и 1-6 имеют свинцовую вставку внутри. Для них наблюдалось некоторое возрастание поверхностной дозы (приблизительно на 10%) при переходе от режима 80 кВ к режиму 100 кВ по сравнению с мощностью дозы близких по площади тубусов, но без свинцовой вставки. Источником такого эффекта, вероятно, является генерация характеристического излучения свинца при превышении первичными фотонами энергии его К-скачка поглощения (88 кэВ). Этот вторичный источник характеристического излучения распределен на внутренней поверхности тубуса и имеет резкое падение интенсивности с глубиной за счет геометрического ослабления.
Таблица 2. Удельная мощность дозы рентгеновского излучения на поверхности водо-эквивалентного фантома, Гр/(мин-мА).
Тубус Режим работы аппарата
20 кВ 30 кВ 40 кВ 50 кВ 60 кВ 80 кВ 100 кВ
1-1 1,108 1,180 0,983 0,583 0,616 0,876 1,225
1-2 1,066 1,156 0,975 0,589 0,623 0,881 1,218
1-3 1,091 1,169 0,985 0,596 0,633 0,875 1,106
1-4 1,095 1,186 0,990 0,611 0,656 0,900 1,102
1-5 1,113 1,191 0,996 0,597 0,631 0,913 1,326
1-6 1,104 1,187 0,998 0,595 0,638 0,915 1,306
1-7 0,106 0,122 0,107 0,069 0,075 0,105 0,129
1-8 0,107 0,122 0,107 0,067 0,072 0,100 0,123
1-9 0,109 0,124 0,109 0,070 0,076 0,105 0,129
1-10 0,225 0,250 0,214 0,131 0,138 0,199 0,272
1-11 0,229 0,259 0,227 0,144 0,153 0,214 0,283
1-12 0,233 0,266 0,235 0,151 0,161 0,225 0,288
Распределение поглощенной дозы по глубине водо-эквивалентной среды
измерялось путем последовательного добавления пластин Plastic Water LR поверх пластины с закрепленной в ней
ионизационной камерой,
установки над камерой трубки аппарата с соответствующим тубусом и фильтром и проведения измерения мощности дозы. Штатив аппарата «Рентген ТА-2» не обеспечивает точной воспроизводимости и жесткой фиксации положения трубки, поэтому точность ее положения над камерой контролировалась дополнительно. Для этого на потолке помещения крепился лазер, луч которого
устанавливался по отвесу строго вертикально и направлялся в центр ионизационной камеры. Далее, над
Глубина, мм
—♦—20 кВ —■—30 кВ —6-40 кВ
--Ж--50 кВ ---Х---60 кВ —О— 80 кВ -1-100 кВ
камерой устанавливался и центрировался тубус аппарата, а на корпусе трубки устанавливалась метка по лазеру, которая в дальнейшем использовалась при репозиционировании тубуса над камерой.
Значение мощности дозы на поверхности измерялось 2-5 раз с повторным позиционированием камеры, поскольку к нему нормировались дозы на глубине. До глубины 40 мм шаг измерения по глубине был равен 5 мм, далее - 10 мм. Максимальная глубина составляла 80 мм, однако для низкоэнергетических режимов уже на глубине 30-50 мм уровень мощности дозы падал ниже 1% от поверхностной. Измерения были проведены для тубусов 1-1 - 1-7.
На рисунке приведено распределение поглощенной дозы для тубуса 1-3 диметром 35 мм и РИП 100 мм. С увеличением диметра тубуса вклад рассеянного излучения на глубине увеличивается, однако для некоторых комбинаций тубусов и режимов работы аппарата обнаружено аномальное завышение дозы на поверхности (до 15-20%), предположительно обусловленное рассеянием от внутренней поверхности тубуса и генерацией характеристического излучения свинца на внутренней поверхности тубусов 1-5 и 1-6, имеющих свинцовые вставки.
1. Васильев В.Н., Сидорин В.П., Ставицкий Р.В. Поглощенная доза в тканеэквивалент-ной среде при облучении низкоэнергетическими фотонами. М.: Препринт МИФИ 028-86, 1986. -24 с.
2. Васильев В.Н., Коконцев А.А. Измерение кривых глубинной дозы излучения рентгенотерапевтического аппарата РТА. //Медицинская техника, 1997, №5, с.11-14.
3. Absorbed dose determination in external beam radiotherapy: An international code of practice for dosimetry based on standards of absorbed dose to water. IAEA TRS 398, IAEA, Vienna, 2000.
4. Plastic Water LR. User guide & technical information. CIRS Inc. http://www.cirsinc.com .
5. Markus B., Kasten G. Messung von Tiefendosiskurven weicher Rontgenstrahlen im Wasserphantom. /Strahlentherapie und Onkologie, 1988, 164, Nr 4, 228-234.
6. Seelentag W.W., Panzer W., Drexler G., Platz L., Santner F. A catalogue of spectra for calibration of dosemeters. Munchen, GSF Bericht 560, 1979.
7. Ставицкий Р.В., Васильев В.Н., Сидорин В.П., Подлящук Е.Л. Эквивалентные дозы при рентгенотерапии. М.: Энергоатомиздат, 1994. -112 с.
8. Stopping power for electrons and positrons. ICRU Report 37, ICRU, Bethesda, 1984.
RADIATION PARAMETERS OF SUPERFICIAL THERAPY X-RAY MACHINE "ROENTGEN TA-2"
V.N.Vasiliev, A.A.Kokontsev Laboratory of Medical Physics, Institute for Nuclear Research, RAS
E-mail: [email protected], [email protected]
Some radiation parameters of a superficial therapy X-ray machine "Roentgen TA-2" installed in the Laboratory of Medical Physics, INR RAS, were evaluated: halve-value layers (HVL) in Al, surface dose rate, its stability and linearity vs. anode current, depth dose data in water-equivalent medium. The tube high voltage was 20-100 kV and additional filter from 0.15 to 1.8 mm Al. The measurements were performed by a plate-parallel ionization chamber TW34013 (PTW) and an electrometer Keithley 35040, the results where corrected according to IAEA TRS 398. Depth dose data were measured in a solid state phantom made of Plastic Water LR (CIRS Inc., USA), a water substitute simulating photon interaction cross-sections within 0.5% from 15 keV to 8 MeV.
HVL thickness was equal to 0.10-2.7 mm Al, and the specific dose rate at SSD =100 mm was from 0.97T0-2 to 2.05T0-2 Gy/(s-mA) depending on high voltage and filter. The dose rate vs. anode current linearity was better 2%, typically about 0.5%. Measured depth dose data can be used for X-ray therapy planning.
