Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 97 УДК 621.384.6.038.624:616-006.04-085.849.1-71 МЕТОДИКА И АППАРАТНЫЕ СРЕДСТВА ВЕРИФИКАЦИИ ОТПУСКА ДОЗЫ ПРИ ДИНАМИЧЕСКИХ МЕТОДАХ ДИСТАНЦИОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ Титович Е.В.1, Гмырак А.И.1, Тарутин И.Г.1, Киселев М.Г.2 1 РНПЦ онкологии и медицинской радиологии им. Н.Н. Александрова, г. Минск, Республика Беларусь 2 Белорусский национальный технический университет, г. Минск, Республика Беларусь Приведено описание оригинальной конструкции фантома для проведения верификации планов облучения при использовании динамических методов дистанционной лучевой те- рапии, позволившего разработать методику проведения кросс-калибровки комплексных дозовых распределений, основанной на однократном измерении стабильных во времени значений калибровочных коэффициентов, что обеспечивает необходимую реализацию запланированного распределения поглощённой дозы, сокращает продолжительность подготовки к проведению сеансов облучения пациентов и увеличивает пропускную спо- собность ускорителя. (E-mail: e.v.titovich@gmail.com) Ключевые слова: лучевая терапия, объемная модуляция интенсивности дозы, верификация от- пуска дозы, кросс-калибровка комплексных дозовых распределений, конструкция верификационного фантома. Введение Современная лучевая терапия злокаче- ственных опухолей использует в арсенале тех- нических средств облучения линейные ускори- тели электронов с динамически изменяющимися характеристиками для максимального сосредото- чения поглощенной дозы в объеме облучаемого очага-мишени и очень быстрого спада дозы за ее пределами [1]. Одним из наиболее перспектив- ных методов облучения в настоящее время явля- ется метод RapidArc – комплексная методика ди- намического облучения, в которой при помощи объемной модуляции интенсивности фотонного излучения за один полный оборот штатива ли- нейного ускорителя (360°) в мишень с каждого направления точно доставляется индивидуальная доза в соответствии с запланированным распре- делением [2–4]. Принципиальная схема проведе- ния облучения по методике RapidArc представле- на на рисунке 1. Для модуляции дозового распределения происходит постоянное движение множества ле- пестков коллиматора, изменяющих размеры и форму поля облучения, а также варьируется доза, доставляемая пациенту при различных углах наклона штатива ускорителя за счет изменения скорости его вращения и изменения мощности поглощенной дозы. Реализация плана облучения по методике RapidArc осуществляется по заданным про- граммам, разработанным в системах планиро- вания облучения, использующих оптимизаци- онные алгоритмы инверсного математического планирования. Рисунок 1 – Схема проведения облучения пациента по методике RapidArc: D – доза в секторе облучения, S – форма поля в секторе облучения Методы измерений, контроля, диагностики 98 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 При планировании лечебного плана облу- чения, состоящего из кругового поля, окруж- ность делится на сектора, отделенные друг от друга контрольными точками, которые харак- теризуются тремя основными параметрами: углом наклона штатива ускорителя, отноше- нием доставленной дозы к полной дозе за обо- рот штатива, позицией каждого лепестка из множества лепестков коллиматора в секторах (форма лечебного поля). Для каждого из секторов мощность дозы и скорость вращения штатива ускорителя посто- янны. Известны также стартовая и конечная точки движения каждого лепестка из множества лепестков коллиматора. Все вышеперечис- ленные параметры имеют непосредственное от- ношение к формированию дозового распре- деления, поэтому сохраняются в созданном фай- ле плана пациента в медицинском формате пе- редачи данных и изображений DICOM (*.dcm). Для безопасности проведения облучения пациентов с применением методики ротацион- ной лучевой терапии с объемной модулирован- ной интенсивностью необходимо обеспечить контроль технических параметров ускорителя и дозиметрических характеристик пучка. Для этого непосредственно перед проведением се- анса облучения должна проводиться верифика- ция планов облучения каждого из пациентов с помощью фантомов. В этой связи целью данной работы явля- лась разработка оригинальной конструкции специального верификационного фантома для проведения верификации планов облучения по методике RapidArc и методики проведения кросс-калибровки комплексных дозовых рас- пределений, основанной на однократном изме- рении калибровочного коэффициента. Методика верификации лечебного плана Процедура верификации плана облучения пациента по методике RapidArc должна пред- шествовать началу курса облучения пациента (первой укладке) и может быть проведена одним из трех способов: с использованием навесного детектора ионизирующего излучения EPID, двухмерного матричного анализатора поля 2D Array либо дозиметрической пленки [5–7]. В настоящее время наиболее распространена процедура верификации с использованием дву- мерных или трехмерных матричных анали- заторов поля. Основной процедурой верификации плана облучения пациента является перерасчет дозо- вого распределения целого плана или в каждом секторе в отдельности на объёмном изображе- нии верификационного фантома. Измерения дозы проводятся матричным анализатором по- ля, входящим в состав верификационного фан- тома, который помещается в радиационное по- ле вместо тела пациента (рисунок 1). Абсолютные измерения должны начи- наться с проведения абсолютной калибровки матричного анализатора поля по дозе [8–10]. Наиболее простым способом, позволяющим провести такую калибровку, является кросс- калибровка. Для этого верификационный фан- том облучается калибровочным полем фотон- ного излучения используемой энергии разме- ром 10×10 см2 с известным количеством мони- торных единиц. Облучение проводится с направления перпендикулярного поверхности верификационного фантома (угол наклона шта- тива – 0°). Путем сравнения полученного дозо- вого распределения с рассчитанным планиру- ющей системой находится калибровочный ко- эффициент kcal. При проведении верификации измеренная дозовая карта корректируется с ис- пользованием этого калибровочного коэффи- циента и производится сравнение рассчитан- ных и полученных распределений дозы с ис- пользованием специализированного программ- ного обеспечения. Dс = Dм kcal , (1) где Dс – рассчитанное значение поглощенной дозы; Dм – измеренное значение поглощенной дозы; kcal – калибровочный коэффициент. Основным методом оценки служит гамма- индексирование (проводится оценка соотноше- ния точек с гамма-индексом < 1 к общему ко- личеству точек дозовой карты, подлежащих проверке, при различных значениях параметров индексации) [11]. Проводится также сравнение профильных распределений дозы и доз в от- дельных точках. Однако использование kcal применимо только для верификации по последовательным полям статического плана облучения пациента по методике лучевой терапии с модулирован- ной интенсивностью (Intensity-modulated Radia- tion Therapy, IMRT), поскольку дозовые распре- деления для всех полей плана облучения дол- жны быть получены в условиях, в которых был Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 99 получен калибровочный коэффициент, т.е. при неизменном положении штатива линейного ускорителя. Это значит, что методика кросс- калибровки не может быть использована при композитной верификации статического IMRT плана облучения (когда дозовое распределение получено при полном соблюдении условий об- лучения пациента), которая на сегодняшний день является наиболее точной и информа- тивной [12]. Метод также не может быть при- менен для верификации планов облучения па- циентов с применением методики RapidArc из- за наличия зависимости показаний электро- метра от угла прохождения излучения через де- тектор и невозможности учета доли облучения, поглощенного при прохождении через тера- певтический стол. В качестве калибровочного коэффициента может быть использован коэф- фициент, полученный при облучении с двух противолежащих углов наклона штатива уско- рителя с направления перпендикулярных по- верхности верификационного фантома по фор- муле: 2 1800 calcal cal kk k   , (2) где kcal0 – коэффициент, полученный при облу- чении под углом наклона штатива 0°; kcal180 – коэффициент, полученный при облучении под углом наклона штатива 180°. Однако полученный калибровочный ко- эффициент имеет ограниченное применение и может быть использован только при много- секторном облучении, если количество мони- торных единиц равномерно распределено по времени вращения штатива ускорителя. Для проведения верификации планов об- лучения пациентов по методике ротационной лучевой терапии с объемной модулированной интенсивностью, а также композитной вери- фикации для планов облучения со стати- ческими IMRT полями, фирмы-производители предлагают к закупке готовые верификацион- ные фантомы, которые за счет комплексной прецизионной формы водоэквивалентного слоя позволяют пренебречь зависимостью показаний электрометра от угла прохождения излучения через детектор, либо за счет механического вращения матричного анализатора поля внутри фантома, постоянно располагая его поперек оси прохождения излучения, что позволяет исполь- зовать один калибровочный коэффициент для кросс-калибровки. Для использования в качестве верификаци- онного фантома авторами разработана конструк- ция фантома, состоящего из пластин твердотель- ного гомогенного водоэквивалентного фантома RW3 (тип Т29672, фирмы PTW Freiburg) и мат- ричного анализатора поля Seven29 фирмы PTW Freiburg. Матричный анализатор поля состоит из 27 × 27 вентилируемых ионизационных камер, объемом 0,5 × 0,5 × 0,5 см3 каждая, с расстояния- ми между центрами соседних камер 1 см. Верхний слой электродов находится под слоем полиметилметакрилата (ПММА) толщи- ной 0,5 см, нижний слой электродов лежит на электродной пластине толщиной 2 мм., которая в свою очередь располагается на пластине ПММА толщиной 1 см. Общая толщина верификацион- ного фантома доведена до 18,2 см; матричный анализатор поля расположен посередине; над и под ним расположен водоэквивалентный матери- ал толщиной 8 см. Фантом был отсканирован на компьютерном томографе (КТ) GE Lightspeed RT, полученные данные скорректированы с исполь- зованием экспериментальной кривой перевода значений электронной плотности материала в единицы Хаунсфилда. Серия последовательных изображений, полученных на компьютерном то- мографе, реконструирована с использованием системы планирования облучения Eclipse в трех- мерное топометрическое изображение. Поскольку все измерительные детекторы расположены внутри матричного анализатора поля в одной плоскости, очевидно, что если об- лучать его с различных углов поворота штатива ускорителя, запланированная доза и измеренная доза будут отличаться на разные величины для каждого из углов облучения. С учётом этого, для получения коэффициента кросс-калибровки в процессе верификации динамических планов об- лучения RapidArc окружность вращения штатива была разбита на 36 секторов, по 10° каждый. Для каждого из секторов были получены свои весо- вые калибровочные коэффициенты. Методика RapidArc предполагает непре- рывное ротационное облучение, и для каждого из 36 секторов коэффициент был получен из от- ношения величины поглощённой дозы, полу- ченной при расчете системой планирования с использованием алгоритма расчета фотонного дозового распределения Anisotropic Analytical Algorithm версии 8.9 к измеренной дозе при ро- тационном облучении (3): Методы измерений, контроля, диагностики 100 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 cx mx calx D D k  , (3) где kcalx – весовой калибровочный коэффициент для сектора (угла) вращения штатива x граду- сов; Dmx – измеренное значение поглощенной дозы, полученное центральным детектором матричного анализатора поля Seven29 при угле наклона штатива x градусов; Dcx – рассчитан- ное значение поглощенной дозы в изоцентре поля облучения дозы при угле наклона штатива x градусов. Коэффициенты могут значительно отли- чаться друг от друга для двух соседних секторов, поэтому возникает сложность при определении коэффициента для углов, находящихся на грани- це этих секторов. Зависимость этих различий от угла не является линейной, поэтому вместо вы- числения таких промежуточных коэффициентов они были получены методом линейной интерпо- ляции. Для установления зависимости значений kcaix от внешних условий окружающей среды (температура воздуха, давление) измерения бы- ли проведены 10 раз с интервалом в 3 дня между ними. В ходе каждого из измерений получены 72 значения калибровочных коэффициентов (для 36 статических полей с интервалом наклона штатива 10°, для секторных полей – 36 значе- ний, сектора по 10°). Измерения проводились на линейном ускорителе Unique фирмы Varian, установленном в РНПЦ онкологии и медицин- ской радиологии им. Н.Н. Александрова, с энер- гией генерации фотонов 6 МэВ. Калибровочный фантом устанавливался в фиксированное поло- жение на лечебном столе, его положение вери- фицировалось при помощи портальных изоб- ражений. Результаты исследований В ходе эксперимента установлена нели- нейная зависимость калибровочных коэффициен- тов от угла наклона штатива ускорителя (рисунок 2), что делает невозможным использование 0calk или суммы 0calk и 180calk для определения ре- зультирующего калибровочного коэффициен- та без дополнительной обработки результатов. Были вычислены усредненные весовые калиб- ровочные коэффициенты по результатам деся- ти независимых измерений, проведенных в де- сять разных дней. Рисунок 2 – Зависимость значений весовых калибровочных коэффициентов от угла наклона штатива ускорителя Методы измерений, контроля, диагностики Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 101 Для оценки влияния изменения параметров окружающей среды (температура и давление воздуха) на значения калибровочных коэффи- циентов проведена серия экспериментов по из- мерению коэффициентов в течение 10 дней (имеются в виду различные значения темпера- туры и давления воздуха в процедурном поме- щении). На основании полученных экспери- ментальных данных установлено, что влияние условий проведения процедуры облучения вы- зывает отклонение значений калибровочных коэффициентов менее чем на 1 % от значения, среднего из 10 измерений, что позволяет ис- пользовать полученные средние значения для вычисления результирующего калибровочного коэффициента. При вычислении результирующего калиб- ровочного коэффициента план облучения раз- бивается на 72 отдельных сектора облучения, для каждого из которых вычисляется свой ве- совой калибровочный коэффициент. Эти коэф- фициенты корректируются на фракцию дозы для данного сектора. Для получения значений количества излучения, проходящего через фан- том (фракции дозы) при облучении определён- ного сектора вращения штатива ускорителя, применено разработанное нами специальное программное обеспечение, которое позволяет получить информацию о параметрах облучения секторного поля в числовом формате путем преобразования DICOM файла плана облучения пациента после его экспорта из системы плани- рования. Результирующий калибровочный ко- эффициент равен сумме скорректированных весовых коэффициентов в секторах, доза в ко- торых отлична от нуля. Кросс-калибровка осуществляется путем облучения верификационного фантома калиб- ровочным IMRT полем фотонного излучения размером 10 × 10 см2 с количеством монитор- ных единиц равным 100. Облучение проводит- ся с направления, перпендикулярного поверх- ности верификационного фантома (угол накло- на штатива – 0°). Калибровочный коэффициент kcal для каждого индивидуального плана облу- чения находится путем сравнения значения по- глощенной дозы, измеренного центральным де- тектором матричного анализатора поля Seven29, со значением, рассчитанным планирующей си- стемой для калибровочного IMRT-полем фотон- ного излучения размером 10 × 10 см2. Калибровочный коэффициент, примени- мый для верификации отпуска дозы при ис- пользовании динамического облучения по ме- тодике RapidArc, равен произведению резуль- тирующего калибровочного коэффициента и коэффициента кросс-калибровки и может быть определен по формуле: xi n i calxicalcalROT Dkkk    1 , (3) где kcalxi – калибровочный коэффициент для i-го сектора облучения; Dxi – фракция дозы в i-м сек- торе; kcalROT – калибровочный коэффициент для динамического облучения по методике RapidArc; kcal – калибровочный коэффициент для индиви- дуального плана облучения. После получения калибровочного коэффи- циента для динамического облучения по мето- дике RapidArc измеренное дозовое распределе- ние для секторного плана облучения корректи- руется с использованием этого калибровочного коэффициента. После этого производится срав- нение рассчитанных и полученных распределе- ний дозы с использованием специализирован- ного программного обеспечения по методу гамма-индексирования при различных значе- ниях параметров индексации и определение возможности проведения облучения пациента по методике RapidArc. Заключение 1. Разработана оригинальная конструкция верификационного фантома, состоящая из твердотельного гомогенного водоэквивалент- ного фантома и матричного анализатора поля, позволяющая осуществлять верификацию пла- нов обучения по методике RapidArc. 2. С использованием разработанного фан- тома получены экспериментальные данные, отражающие влияние угла наклона штатива ускорителя, а также изменения температуры, давления и влажности воздуха в процедурном помещении на значения калибровочных коэф- фициентов. Установлено, что имеет место устойчивая однозначная зависимость значений этих коэффициентов от угла наклона штатива, а влияние параметров окружающей среды в про- цедурном помещении вызывает отклонение значений калибровочных коэффициентов от их средних значений менее чем на 1 %. 3. Разработана методика проведения кросс- калибровки комплексных дозовых распределе- ний, основанная на однократном измерении ко- Методы измерений, контроля, диагностики 102 Приборы и методы измерений, № 1 (6), 2013 эффициента кросс-калибровки, что обеспечива- ет реализацию запланированного распределе- ния поглощенной дозы, сокращает продолжи- тельность подготовки к проведению сеансов облучения пациентов и увеличивает пропуск- ную способность ускорителя. Список использованных источников 1. IMRT commissioning: Multiple institution plan- ning and Dosimetry comparisons / Report AAPM Task Group 119. – 2009. 2. Jørgensen Mai-Britt K. Machine-specific QC in Aarhus using EPID / K. Mai-Britt Jørgensen, L. Hoffmann, L.P. Muren [et al.] / Proceed of RA workshop // Denmark 2012. 3. Hoffmann, L. Patient specific QC in Aarhus / L. Hoffmann, U.V. Elstrøm, K. Mai-Britt Jørgen- sen / Proceed of RA workshop // Denmark 2012. 4. Fredh, A. RapidArc QA at Rigshospitalet / A. Fredh, M. Hörling // Proceed of RA work- shop // Denmark 2012. 5. Nicolini, G. GLAaS: An absolute dose calibra- tion algorithm for an amorphous silicon portal imager. Applications to IMRT verifications / G. Nicolini, A. Fogliata, E. Vanetti [et al.] // Med. Phys. – V. 33. – 2006. – P. 2839. 6. Nicolini, G. The GLAaS algorithm for portal do- simetry and quality assurance of RapidArc, an intensity modulated rotational therapy / G. Nico- lini, E. Vanetti, A. Clivio [et al.] // Radiation On- cology. – V. 3. – 2008. – P. 24–32. 7. Essers, M. Commissioning of a commercially available system for intensitymodulated radio- therapy dose delivery with dynamic multileaf collimation / M. Essers, M. De Langen, M.L.P. Dirkx [et al.] // Radiotherapy and Onco- logy. – V. 60. – 2001. – P. 215–224. 8. Absorbed dose determination in external beam radiotherapy / An international Code of Practice for Dosimetry Based on Standards of Absorbed dose to Water // IAEA. Technical Report Seri- es. – № 398. – Vienna, 2000. 9. Bocanek, J. Report from the feasibility testing of MatriXX device for RapidArc QA / J. Bocanek // Proceed of Varian Medical Systems workshop. – 2008. 10. Van Esch, A. Dominique P. Huyskens Mauro Iori Christian Clermont and Magali Devillers On-line quality assurance of rotational radio- therapy treatment delivery by means of a 2D ion chamber array and the Octavius phantom / A. Van Esch, D.P. Huyskens, M. Iori // Med. Phys. – V. 34. – 2007. – P. 3825–3837. 11. Depuydt, T. A quantitative evaluation of IMRT dose distributions: refinement and clinical as- sessment of the gamma evaluation / T. De- puydt A. Van Esch, D.P. Huyskens // Radio- therapy and Oncology. – V. 62. – 2002. – P. 309–319. 12. Van Esch, A. Acceptance tests and quality control (QC) procedures for the clinical im- plementation of intensity modulated radiother- apy (IMRT) using inverse planning and the sliding window technique: experience from five radiotherapy departments / A. Van Esch, J. Bohsungb, P. Sorvaric [et al.] // Radiothera- py and Oncology. – V. 65. – 2002. – P. 53–70. _________________________________________________________ Tsitovich Y.V., Hmyrak A.I., Tarutin I.G., Kiselev M.G. Methods and hardware of dose output verification for dynamic radiotherapy The design of special verification phantom for dynamic radiotherapy checking is described. This phan- tom permits to insert the dose distribution cross-calibration before every days patients irradiation on Linac with RapidArc. Cross-calibration factor is defined by approximation of large number correction factors measured in phantom at different angles of gantry rotation and middle quantity calculation. The long range stability of all correction factors have been evaluated during checking of setting treatment plans and did not exceed 1 %. The fast checking of patient’s dynamic irradiation with developed method gives possibility tex- actly realize of planning dose distribution and to increase the capacity of accelerators. (E-mail: e.v.titovich@gmail.com) Key words: RapidArc, dose output verification, cross-calibration of complex dose fluences, verification phantom construction. Поступила в редакцию 18.01.2013.