Dozymetria referencyjna skanującej wiązki protonowej z zastosowaniem komór jonizacyjnych.

Abstract

Radioterapia protonowa z użyciem ołówkowych wiązek skanujących (ang. Pencil Beam Scanning, PBS) jest nową techniką, umożliwiającą zastosowanie Radioterapii Protonowej o Modulowanej Intensywności (ang. Intensity Modulated Proton Therapy, IMPT) w leczeniu skomplikowanych przypadków nowotworów. Technika ta umożliwia modyfikację rozkładu przestrzennego dawki terapeutycznej podawanej do objętości leczonej w taki sposób, aby przy zachowaniu konformalnej depozycji energii w obszarze tarczowym zminimalizować dawkę dostarczoną do zdrowych tkanek, w szczególności do obszarów krytycznych. Istotnym elementem radioterapii wykorzystującej technikę PBS jest odpowiednia konfiguracja komputerowego systemu planowania leczenia (ang. Treatment Planning System, TPS). Od dokładności zmierzonych i wprowadzonych do systemu TPS danych (m.in. rozkładów integralnej dawki głębokiej (ang. Integral Depth Dose, IDD)) zależy zgodność obliczonego z rzeczywistym rozkładem dawki dostarczonym przez system radioterapii Proteus-235. Protokół dozymetryczny TRS - 398, aktualnie rekomendowany przez Międzynarodową Agencję Energii Atomowej (IAEA), nie definiuje metody dozymetrii referencyjnej dla wiązek skanujących. Stąd, w ramach niniejszej pracy opracowano protokół dozymetrii referencyjnej dedykowany pomiarom dawki pochłoniętej w wodzie, w warunkach referencyjnych, na stanowisku gantry wyposażonym w głowicę IBA dedykowaną protonowej wiązce skanującej. Wyznaczenie dawki pochłoniętej w wodzie przy użyciu komór jonizacyjnych wymaga przeprowadzenia ich wzorcowania oraz zastosowania różnego rodzaju współczynników korekcji, co wynika wprost z odstępstw rzeczywistych warunków pomiaru dawki w wiązce protonowej od warunków referencyjnych, w których wyznaczono współczynnik kalibracyjny dawkomierza terapeutycznego. W ramach pracy wykazano, że dawkomierz wzorcowy oraz dawkomierze terapeutyczne złożone z elektrometru UnidosWebline 10021 (PTW) oraz z odpowiedniej komory jonizacyjnej, typu Markus (TM 23343, PTW), Farmer (TM 30010 i 30013, PTW) lub Semiflex (TM 31010, PTW), dysponują wymaganą stabilnością odpowiedzi i mogą być stosowane w dozymetrii klinicznej ołówkowej wiązki protonowej w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB). Stabilność współczynników kalibracyjnych badanych dawkomierzy terapeutycznych wyznaczona w wiązce promieniowania referencyjnego (60Co) mieści się w granicy ±0,3%, przy całkowitej niepewności współczynników kalibracji wynoszącej 1,1%. Z kolei, długookresowa stabilność ich odpowiedzi, zdefiniowana jako względna różnica procentowa pomiędzy wielkością kp [Gy/min] a wartością referencyjną, w przypadku cylindrycznych komór jonizacyjnych (Farmer i Semiflex) jest na poziomie 0,1%, a w przypadku płasko-równoległej komory jonizacyjnej typu Markus mieści się w granicy ±0,3%. Wykazano, że struktura czasowa ołówkowej wiązki skanującej w systemie Proteus-235 w odniesieniu do zjawiska rekombinacji jonów występującego w badanych komorach jonizacyjnych ma charakter ciągły. Stwierdzono, że w warunkach przeprowadzonych eksperymentów, tj. w monoenergetycznym polu PBS oraz w warunkach klinicznych, zjawisko rekombinacji jonów w badanych komorach jonizacyjnych jest zdominowane przez rekombinację objętościową. Wielkość współczynnika objętościowej rekombinacji jonów (ks) w badanych komorach jonizacyjnych zależy od napięcia polaryzującego, stosunku napięć U1/U2 - w przypadku metody dwóch napięć (TVM), oraz mocy dawki skanującej wiązki protonowej. Uzyskane charakterystyki zależności energetycznej współczynników ks dla systemu radioterapii Proteus-235 odzwierciedlają wzrost zjawiska objętościowej rekombinacji jonów w badanych komorach jonizacyjnych wraz z rosnącą mocą dawki przy rosnącej energii wiązki protonowej. Dla komór jonizacyjnych typu Markus i metody TVM współczynnik ks w monoenergetycznym polu PBS o energii 225 MeV i mocy dawki 13,4 Gy/s wynosi 1,005 (0.1%), a dla komory cylindrycznej typu Farmer - 1,0134 (0,0%). W przypadku planów klinicznych odpowiednio z użyciem dyskryminatora zasięgu i bez niego uśredniona poprawka na występujące w badanych komorach jonizacyjnych zjawisko objętościowej rekombinacji jonów w skanującej wiązce protonowej wynosi: 0.1% i 0.2% dla płasko-równoległej komory jonizacyjnej typu Markus oraz od 0.1% do 0.5% dla cylindrycznych komór jonizacyjnych typu Semiflex i typu Farmer. Wyznaczone współczynniki ks dla komory jonizacyjnej typu Markus zastosowano podczas pomiarów dawki pochłoniętej w wodzie w warunkach referencyjnych, na potrzeby kalibracji monitora dawki na stanowisku gantry w CCB. W radioterapii protonowej PBS kalibracja monitora dawki w funkcji jej energii nominalnej jest wykorzystywana do normalizacji krzywych IDD ołówkowej wiązki protonowej, które stanowią jeden z podstawowych elementów konfiguracji modelu analitycznego w systemie TPS Eclipse v. 13.6 (Varian Medical System). Biorąc pod uwagę typowy zakres energii potrzeby do konfiguracji systemu TPS obejmujący przedział 70 MeV– 230 MeV wykazano, że dla PBS dawka pochłonięta w wodzie zmierzona komorą jonizacyjną typu Markus w ustalonych warunkach referencyjnych, tj. na głębokości 2 cm w wodzie, na środku jednorodnego, monoenergetycznego pola o wymiarach 10 cm x 10 cm, z dokładnością mieszczącą się w zakresie od 0,1% do 0,5% odzwierciedla całkowitą depozycję energii ołówkowej wiązki protonowej.

Proton radiotherapy using pencil beam scanning (PBS) is a new technique allowing for the usage of Intensity Modulated Radiotherapy (IMPT) for treating complex tumours. This technique enables spatial modification of the therapeutic dose delivered to the treatment volume by minimizing the dose delivered to healthy tissues, while preserving conformal energy deposition within the target. An important element of radiotherapy using the PBS technique is an appropriate configuration of the treatment planning system (TPS). The agreement between the calculated and actual dose distribution depends on the accuracy of the measured data taken as an input to the TPS (e.g. Integral Depth Dose (IDD) distributions). The TRS-398 dosimetry protocol, currently recommended by the International Atomic Energy Agency (IAEA), does not specify the reference dosimetry methods for the proton scanning beams. Therefore, within this work, a reference dosimetry protocol was developed for measuring the absorbed dose in water in the reference conditions at gantry room with the dedicated IBA PBS nozzle. Determination of the absorbed dose in water using ionization chambers (IC) requires their calibration and usage of various correction factors, which result from the deviations between the reference and actual measurement conditions. As part of this work it was shown that the standard therapeutic dosimeters consisting of the UnidosWebline 10021 electrometer (PTW) and the appropriate ionization chamber such as Markus type (TM 23343, PTW), Farmer type (TM 30013, PTW) or Semiflex type (TM 31010, PTW), demonstrate the required response stability and can be used in clinical dosimetry at the Bronowice Cyclotron Centre (CCB). The stability of the calibration coefficients of the therapeutic dosimeters examined in the reference beam (60Co) was found to be within ± 0.3%, with total uncertainty of calibration factors of 1.1%. In turn, the long-term stability of their response for cylindrical ICs (Farmer and Semiflex) does not exceed 0.1%, and in the case of a plane-parallel Markus IC, is within ± 0.3%. It was shown that the temporal structure of the pencil scanning beam in the Proteus-235 system is continuous with respect to the phenomenon of ion recombination occurring in the examined ionization chambers (Farmer, Semiflex and Markus). In this work it was shown that in the conditions of the performed experiments the phenomenon of recombination in the examined ICs was dominated by the volume recombination. The ion recombination coefficient (ks) in the ICs depends on the bias voltage, the U1/U2 voltage ratio - in the case of the two voltage (TVM) method, and the dose rate. The energy dependence of the ks reflects the increase in the volume recombination with the increasing dose rate of the proton beam scanning. In the case of Markus ICs, ks in the 225 MeV beam (dose rate of 13.4 Gy/s) obtained with the TVM method is 1.005 (0.1%) and for the cylindrical Farmer chamber - 1.0134 (0.0%). In case of clinical plans with and without range shifter, the average correction for the ion recombination in the scanning proton beams of the examined ionization chambers ranges from 0.1% to 0.2% for a plane-parallel Markus IC and from 0.1% to 0.5% for Semiflex and Farmer cylindrical ICs. In PBS proton radiotherapy, the dose monitor calibration as a function of its nominal energy is used to normalize the IDD curves of the pencil proton beams, which are one of the basic elements of the analytical model configuration in the TPS Eclipse v. 13.6 (Varian Medical System). The determined ks coefficients for the Markus ionization chamber were applied to correct the calibration of the dose monitor at the CCB gantry room. It has been shown that for PBS the absorbed dose in water measured with the Markus IC under reference conditions, i.e.: at the depth of 2 cm in water, at the centre of the homogeneous monoenergetic 10 cm x 10 cm field, reflects the total deposition of the energy of the pencil proton beam with accuracy ranging from 0.1% to 0.5%.