Rozwój dwuwymiarowego, termoluminescencyjnego systemu dozymetrycznego dla zapewnienia jakości w jonoterapii nowotworów

Abstract

Wśród współcześnie stosowanych metod leczenia nowotworów dynamicznie rozwijaną techniką radioterapii jest napromienianie ołówkowymi wiązkami skanującymi jonów wodoru (protonów) bądź jonów węgla. Dzięki technice tej uzyskać można duże gradienty dawek, nie zawsze możliwe do osią- gnięcia technikami klasycznymi, minimalizując jednocześnie dawkę dostarczoną do zdrowych tkanek, w szczególności do obszarów krytycznych. Wadą jest brak wiarygodnej metody weryfikacji podanej dawki w obszarze leczonym w trakcie procesu napromieniania. Stąd, w radioterapii protonami i jonami węgla pierwszoplanową rolę odgrywa rozbudowana kontrola jakości, a w szczególności kontrola pozycji i kształtu pojedynczej wiązki ołówkowej. W ramach niniejszej pracy zmodernizowano dwuwymiarowy system dozymetrii termoluminescen- cyjnej (2D TLD) i użyto go do kontroli jakości wiązek protonów i jonów węgla. Opracowano ponadto dedykowane oprogramowanie FlatView v.2.42 do automatycznego odczytu folii TL, oraz korek- cji i analizy obrazów. Zbadano własności dozymetryczne folii TL z wysokoczułym fluorkiem litu, LiF:Mg,Cu,P, wyznaczając zależności dawkowe dla zakresu energii wiązek protonowych do 123 MeV i wiązek węglowych do 237MeV/u. Uzyskane dawki charakterystyczne, tzn. takie, przy których sy- gnał osiąga 63% wartości nasycenia, zmieniały się w granicach 288 − 464 Gy dla wiązki protonów i 570 − 989 Gy dla wiązki jonów węgla. W zakresie dawek stosowanych w radioterapii protonowej, tzn. od 1 do 15 Gy liniowość odpowiedzi systemu zmienia się od 2,5% dla energii 123 M eV do 1,5% dla energii 15,2 M eV . Dla wiązek węglowych liniowość w tym zakresie dawek wynosi 1,2% dla energii 237 MeV/u i poprawia się do 0,7% dla energii 40 MeV/u. Wyznaczono ponadto współczynniki względnej wydajności energetycznej systemu, które wyniosły od η(Ep=9,3 MeV ) = 0,33 do η(Ep=220 MeV ) = 0,96 dla wiązek protonowych i od η(EC=26,4 MeV/u) = 0,05 do η(EC=428 MeV/u) = 0,48 dla wiązek węglowych. System 2D TLD wykorzystany został do kontroli jakości ołówkowych wiązek protonowych i węglo- wych pod kątem własności geometrycznych przekrojów poprzecznych wiązki (plamki). W pracy wyka- zano, że stosowane obecnie metody wyznaczania parametrów plamki protonowej przy pomocy analizy jednowymiarowej, oraz zastosowanie kryterium 10% symetrii plamki nie gwarantują prawidłowego podania dawki do obszaru tarczowego i jednorodności jej przestrzennego rozkładu. W szczególności widoczne jest to dla plamek nachylonych pod kątami bliskimi 45°, gdzie niejednorodność dawki w obję- tości tarczowej (płaskość charakterystyki dawkowej) pogarsza się wykraczając poza zakres kryterium akceptowalności. W pracy zaproponowano nową metodę analizy plamki jonów z wykorzystaniem do- pasowania asymetrycznego dwuwymiarowego rozkładu Gaussa z rotacją osi układu współrzędnych. Na tej podstawie przygotowano dedykowane oprogramowanie AnalyseSpot do szybkiej oceny pa- rametrów geometrycznych plamek jonów mierzonych systemem 2DTLD, folią typu Gafchromic® lub scyntylacyjnym systemem obrazowania Lynx 2D. Oprogramowanie to zostało wprowadzone do rutynowej kontroli jakości systemu radioterapii protonowej w Centrum Cyklotronowym Bronowice.

Among contemporary techniques of cancer radiotherapy, irradiation by scanned carbon or proton pencil beams is currently under intense development. Using this technique, dose distributions with dose gradients much higher than those obtained using photon beams may be achieved, minimising at the same time the dose delivered to healthy tissues, in particular to critical organs. However, reliable methods of verifying the distribution of dose delivered to the treated volume are in this case lacking. Therefore, in proton or carbon ion beam radiotherapy of prime importance is to apply a well-developed quality assurance system, in particular reliable verification of the position and shape of the individual pencil ion beam. Within this work, an earlier developed two-dimensional thermoluminescence system (2D TLD) was upgraded and applied in the quality assurance procedures concerning scanning proton and carbon ion beams. A dedicated software system, FlatView v.2.42, was developed to automatically read out TL foils and to correct and analyse the obtained images. The dose response of TL foils with high-sensitive lithium fluoride phosphor, LiF:Mg,Cu,P, was measured after doses of proton beams of energies up to 123 MeV and for carbon beams of energies up to 237 MeV/u. The values of characteristic doses, i.e. such at which the TL signal reaches 63% of its saturation value, ranged between 288 Gy and 464 Gy for the proton beams and between 570 Gy and 989 Gy for the carbon beams. For doses applied in proton radiotherapy, i.e. between 1 Gy and 15 Gy the linearity of the response was found to range between 2.5% and 1.5% at proton beam energies of 123MeV and 15.2MeV, respectively. For carbon ion beams the linearity in this range was 1.2% for energy 237MeV/u and improved to 0.7% for energy 40MeV/u. The coefficients of relative energy efficiency, η(E), of the system were also measured. These ranged between η(Ep=9.3MeV) = 0.33 and η(Ep=220MeV) = 0.96 for proton beams, and between η(EC=26.4 MeV/u) = 0.05 and η(EC=428 MeV/u) = 0.48 for carbon beams. The 2DTLD system was used for quality control of proton and carbon ion pencil beams with respect to the geometry of their transverse beam cross-sections (spots). It has been demonstrated that the currently used methods of determining proton beam spot parameters using one-dimensional ana- lysis and the 10% spot symmetry criterion do not assure that the dose to the target region is delivered correctly, nor that the spatial distribution of dose is sufficiently uniform. In particular, this is most evident when spots are rotated at angles close to 45°, where non-uniformity of the dose distribution over the target region (flatness of the dose characteristics) exceeds the acceptability criterion. In this work a novel method of beam spot analysis has been proposed, by fitting of asymmetric Gaussian distributions and rotation of the coordinate system axis. Dedicated software, AnalyseSpot, was de- veloped based on this method for rapid analysis of the geometry parameters of spots measured using the 2D TLD system, Gafchromic® foils or the Lynx 2D scintillation imaging system. This software has now been implemented as a part of the quality control system routinely applied at the Cyclotron Centre Bronowice.