XII International PhD Workshop OWD 2010, 23–26 October 2010

XII International PhD Workshop
OWD 2010, 23–26 October 2010
Komory rekombinacyjne do charakteryzacji
promieniowania mieszanego w radioterapii hadronowej
Recombination Chambers for Dosimetry of Mixed Radiation
in Hadron Radiotherapy
Łukasz Krzemiński, (Instytut Tele- i Radiotechniczny)
(31.03.2010, prof. Natalia Golnik, Politechnika Warszawska)
Abstract
Mixed Radiation is a kind of radiation which is
composed of particles of different biological
effectiveness and the radiation of unknown
composition and energy. Dosimetry of such
radiation requires not only to determine the
absorbed dose in the human body or an appropriate
phantom, but also to determine the parameters
characterizing the relative biological effectiveness of
radiation. Hadrons Radiotherapy includes protons
and heavy ions therapy (only carbon nucleus 12C
and neutrons in particular the boron-neutron
therapy.) Neutrons beams contain not only neutrons
but also the gamma rays and often other particulates.
These beams are never monoenergetic, and their
biological effectiveness is strongly dependent on the
energy spectrum. The purpose of the dosimetry in
the Hadron Radiotherapy is to determine both the
spatial-energy distribution of the input therapeutic
beam (characterization of the beam) and
measurement verification of doses in phantoms of
irradiated organs and doses of radiation scattered in
the area surrounding the irradiated area. Currently
dosimetry in the Hadron Radiotherapy requires to
determine the density and the energy spectrum of
particles in the beam of radiation dedicated to
patient irradiation. Then, from the obtained data,
absorbed dose components are calculated at an
appropriate depth in the patient’s body. The second
option is to use instruments which signal depends on
the linear energy transfer (LET). To this class of
detectors
belongs
recombination
ionization
chambers, which uses the phenomenon of local
recombination of ions in gases. Thanks to this, from
the shape of the measured characteristics, we can get
information about doses from various types of
radiation in a mixed radiation field. Design solutions
used in the recombination chambers can be very
different. It depends on the kind of beam, type of
the radiation field and measured parameters.
Streszczenie
Promieniowanie mieszane to promieniowanie w
którego składzie znajdują się cząstki o różnej
skuteczności biologicznej, a także promieniowanie o
nieznanym składzie i energii. Dozymetria
promieniowania mieszanego wymaga nie tylko
określenia dawki pochłoniętej w ciele ludzkim lub
fantomie, ale również wyznaczenia parametrów
charakteryzujących
względną
skuteczność
biologiczną danego promieniowania. Celem
dozymetrii w radioterapii hadronowej jest określenie
zarówno rozkładu wejściowej wiązki terapeutycznej
jak i pomiarowa weryfikacja dawek w fantomach
oraz dawek od promieniowania rozproszonego w
otaczającej przestrzeni. Obecnie dozymetria przy
terapii hadronowej polega na wyznaczeniu gęstości
strumienia i widma energii cząstek w wiązce
promieniowania i obliczeniu składowych dawki
pochłoniętej na różnych głębokościach w ciele
pacjenta. Drugą możliwością jest zastosowanie
przyrządów, których sygnał zależy od liniowego
przekazania energii (LET). Do tej klasy detektorów
należą rekombinacyjne komory jonizacyjne, w
których wykorzystuje się zjawisko lokalnej
rekombinacji jonów w gazach pod ciśnieniem.
Rozwiązania konstrukcyjne stosowane w komorach
rekombinacyjnych mogą być bardzo różne, w
zależności od parametrów wiązki i wielkości
mierzonej.
1. Radioterapia hadronowa i
promieniowanie mieszane
Radioterapia hadronowa jest to metoda terapii
nowotworów
wykorzystująca
własności
rozpędzonych hadronów, (protonów, neutronów lub
atomów węgla) polegająca na napromienieniu
443
objętości tkanki objętej zmianami nowotworowymi i
wykorzystująca do ich eliminacji zjawisko
obumierania komórek napromienionych. Aby
możliwe było zastosowanie promieniowania
jonizującego do celów medycznych wymagane jest
zapewnienie przewidywalnych skutków działania
tego promieniowania na organizm ludzki. Ze
względu na to, że w przypadku terapii należy
dokładnie określić względną skuteczność biologiczną
rzeczywistego promieniowania, należy wstępnie
zakładać że promieniowanie jest mieszane.
Terminem promieniowania mieszanego nazywane
jest promieniowanie zawierające co najmniej dwa
rodzaje cząstek, istotnie różniących się lokalną
gęstością jonów wytwarzanych wzdłuż torów cząstek
w ośrodku pochłaniającym. Najczęściej spotykanym
promieniowaniem mieszanym jest promieniowanie
neutronowe z zazwyczaj towarzyszącym mu
fotonowym
promieniowaniem
gamma.
Do
promieniowania mieszanego zalicza się też każde
promieniowanie o nieznanym składzie i energii. W
przypadku promieniowania protonowego i ciężkich
jonów(obecnie tylko jonów węgla), wiązka wejściowa
nie zawiera innych cząstek, ale wiązki te są tak silnie
jonizujące, że w swoim otoczeniu generują silne
promieniowanie rozproszenia, którego skład nie jest
znany. Promieniowaniem mieszanym są również
pola promieniowania gamma o nieznanej energii,
promieniowanie
kosmiczne,
promieniowanie
rozpraszane wokół akceleratorów wysokiej energii, a
także promieniowanie emitowane z niektórych
akceleratorów medycznych.
Aby wykorzystać promieniowanie mieszane do
celów medycznych należy przeprowadzić jego
charakteryzację, a więc określić gęstość jonizacji w
funkcji długości toru w tkance (głebokości), z
uwzględnieniem oddziaływania różnych składowych
wiązki, oraz różnorodności tkanek i ich
radioczułości. Różne składowe promieniowania mają
często bardzo odmienne sposoby oddawania energii.
Energia kinetyczna cząstek w zderzeniu z atomami
obszaru napromienianego powoduje generację par
jonów w tym obszarze. Przykładowe rodzaje
promieniowania i ich dawki zdeponowane w wodzie
przedstawia wykres przedstawiony na rys 1. Na
wykresie widoczny jest zupełnie odmienny przebieg
absorpcji dawki dla protonów i neutronów, mino iż
obie cząstki są hadronami. Promieniowanie gamma
(Co60), elektronowe i rentgenowskie (X) są
najczęstszymi
składowymi
promieniowania
rozproszenia, i na wykresie mają również nieco
odmienne przebiegi absorpcji energii w wodzie. Te
wszystkie czynniki muszą być uwzględnione w dawce
zaaplikowanej pacjentowi i dlatego poznanie składu i
energii promieniowania jest tak ważne przy
określaniu czasu ekspozycji.
Rys.1. Względny rozkład dawki w wodzie dla różnych
rodzajów promieniowania.
Fig.1. The relative dose distribution in water for
different types of radiation.
2. Metody pomiarowe
Obecnie dozymetria przy terapii hadronowej
opiera się na metodzie spektrometrycznej,
która polega zwykle na wyznaczeniu gęstości
strumienia oraz określeniu kierunku i widma
energii
cząstek
w
wyjściowej
wiązce
promieniowania. Następnie z uzyskanych z
pomiarów danych obliczane są składowe dawki
pochłoniętej na różnych głębokościach w ciele
pacjenta, oraz dawki od przewidywanego
promieniowania rozproszonego. Metoda ta jest
skomplikowana matematycznie i dla nieznanych
pól staje się niewykonalna.
Drugą metodą jest metoda pomiarów
równoważnych. Polega ona na użyciu
detektorów promieniowania wykalibrowanych
tak, by otrzymywany z nich sygnał był łatwo
przeliczany na wielkość dozymetryczną. W tej
grupie metod znajduje się metoda z użyciem
rekombinacyjnych komór jonizacyjnych.
3. Rekombinacyjne komory
jonizacyjne.
Komora rekombinacyjna jest dozymetrycznym
detektorem promieniowania. Jest to komora
jonizacyjna zbudowana z materiałów o składzie
atomowym dozymetrycznie równoważnym tkance i
wypełniona jest gazem (o odpowiednio dobranym
ciśnieniu), w którym zachodzi zjawisko lokalnej
rekombinacji jonów. Jest to jedyny detektor, za
pomocą którego można w polu promieniowania o
nieznanym składzie i energii wyznaczyć (w szerokim
zakresie mocy dawki) zarówno dawkę pochłoniętą
jak i parametr charakteryzujący skuteczność
biologiczną. Podstawową zaletą tej metody jest fakt,
że oparta jest na zjawisku fizycznym (rekombinacji
jonów), a wielkość mierzona związana jest
444
bezpośrednio z lokalną gęstością jonizacji, a więc
parametrem bezpośrednio związanym z fizycznym
oddziaływaniem promieniowania na organizm
ludzki. Komora posiada prostą konstrukcje,
charakteryzuje się stabilnością pracy oraz krótkim
czasem otrzymania wyniku pomiaru dla pola o
dowolnym składzie i energii . Uproszczony schemat
konstrukcji komory przedstawia rysunek 2
takich jak: dawka pochłonięta, moc dawki,
przestrzenny rozkład dawki i równoważnik
dawki w obszarze fantomu, średnia i efektywna
wartość przekazania energii, współczynnik
jakości promieniowania, wartość względnej
skuteczności biologicznej, rekombinacyjny
wskaźnik jakości promieniowania, wskaźnik
równoważnika
dawki,
kierunkowe
i
przestrzenne równoważniki dawki, rozkład
dawki wg. LET, średnia energia wytworzenia
pary jonów, i inne.
3. Konstrukcja komór.
Konstrukcja komór rekombinacyjnych jest
zdeterminowana
wieloma
czynnikami.
Do
różnorodnych
zastosowań
wymagany
jest
indywidualny dobór odpowiednich parametrów, a
więc każdą realizacja komory jest konstruowana
indywidualnie.
P – Zacisk elektrody polaryzującej,
M – Zacisk elektrody pomiarowej,
Z – Kontakt obudowy komory
Rys.2. Budowa komory jonizacyjnej
Fig.2. Construction of ionization chamber
Do elektrody napięciowej dostarczane jest
napięcie polaryzujące, natomiast z elektrody
otrzymujemy sygnał pomiarowy. Aby można
było dokonywać pomiarów, komora musi być
wykalibrowana
w
znanym
polu
promieniowania. Podstawową charakterystyką
komór jonizacyjnych jest charakterystyka
prądowo-napięciowa. W przypadku komór
rekombinacyjnych częściej posługujemy się nie
bezwzględną wartością prądu jonizacji, lecz
skutecznością zbierania jonów, f‘ a więc
stosunkiem prądu mierzonego przy danym
napięciu, i(U), do prądu nasycenia komory, i0
lub prądu odniesienia is przy napięciu Us
zbliżonym do napięcia nasycenia.
f ' (U ) =
i (U )
i (U )
lub =
i0
i (U S )
(1)
Typową
charakterystykę
skuteczności
zbierania jonów przedstawia rysunek 3.
Dobór parametrów konstrukcyjnych musi
uwzględniać :
•
Rodzaj promieniowania (X, gamma, p, n,
elektrony);
•
Rodzaj pola promieniowania (wiązka, pole
równomierne, gradientowe i jego kierunek);
•
Wymiary wiązki lub pola promieniowania;
•
Zakres energii promieniowania;
•
Parametry które mają być mierzone;
•
Materiały stosowane do budowy komory) i
ich własności fizyczne i chemiczne – wymagane takie
własności jak równoważność tkance, określona stała
dielektryczna,
duża
przewodność
elektrod,
odporność na promieniowanie jonizujące, aktywacja
materiałów i inne);
•
Rodzaj gazu i jego ciśnienie – wymagane są
obliczenia wytrzymałościowe ścian komory;
•
Zakres napięć polaryzujących – ściśle
określone minimalne odległości międzyelektrodowe,
i materiał użyty na izolatory;
•
Inne.
Należy także wziąć pod uwagę dodatkowe
zależności między wymienionymi wyżej warunkami,
które dodatkowo komplikują proces projektowania
realizacji detektorów rekombinacyjnych.
4. Rozwiązania praktyczne
Rys.3. Względna skuteczność zbierania jonów
Fig.3. Relative ion collection efficiency
Na podstawie sygnału z użyciem różnych
typów komór i różnych metod pomiarowych
można z pomocą komór rekombinacyjnych
wyznaczyć wiele parametrów dozymetrycznych
Komory w zależności od przewidzianego
zastosowania mogą przyjmować różnorodne kształty
i rozmiary. Zaczynając od komór służących ochronie
indywidualnej przed promieniowaniem o rozmiarach
niewiele większych od długopisu, do komór
służących do badań promieniowania kosmicznego o
objętości dochodzącej do kilkuset litrów. W
niniejszej publikacji przedstawione zostaną 2
rozwiązania
już
zrealizowane
oraz
dwa
445
zaprojektowane i znajdujące się w fazie realizacji.
Parametry wszystkich opisywanych komór zostały
zestawione w Tabeli 1.
Komora KR14 zbudowana została w formie walca.
W ciśnieniowej obudowie ze stopu glinu w którym
znajdują się naprzemiennie powierzchnie elektrod
polaryzujących i pomiarowych. Budowa wewnętrzna
komory przedstawiona jest na rysunku nr 4.
Cechą charakterystyczną dla tej komory jest
zastosowanie elektrod cienkościennych, co znacznie
zmniejsza stosunek ilości jonów wytworzonych w
materiale elektrody do ilości jonów powstałych w
gazie wypełniającym komorę. Komora została
skonstruowana do
prac badawczych
nad
rekombinacją w różnych gazach, ale po napełnieniu
etylenem (gaz o składzie atomowym równoważnym
tkance) może służyć jako detektor w ochronie
radiologicznej.
Fig.5. Design of chamber F4
Komora ta zbudowana została do precyzyjnych
pomiarów
w
fantomach
tkanki
ludzkiej
umieszczonych obszarach promieniowania o dużych
mocach dawki. Z uwagi na stabilność pomiarów i
dobrze zdefiniowaną przestrzeń pomiarową komora
ta pozwala na pomiary w terapeutycznych wiązkach
hadronowych. Charakterystycznymi cechami tej
komory są przede wszystkim małe wymiary obszaru
pomiarowego
i
niewielka
odległość
międzyelektrodowa (pozwala to na utrzymanie
komory w stanie rekombinacji lokalnej mim dużych
mocy dawki) oraz to, że elektrody zostały wykonane
z materiału równoważnego tkance. Użycie takiego
materiału pozwala na użycie komory do celów
dozymetrycznych, ponieważ zjawiska w komorze są
analogiczne do tych zachodzących w rzeczywistej
tkance. Obudowy komór KR14 i F4 zostały
wykonane ze stopów lekkich o znanym czasie i
współczynniku aktywacji, co pozwala na precyzyjne
określenie dawki od zjawisk zachodzących w
obudowie. Zmierzony prąd ciemny (sygnał
odbierany bez oddziaływania promieniowania
jonizującego) komory F4 oscylował w granicach
250fA co dla komory przewidzianej do pomiarów w
wiązce dużej mocy jest dobrym wynikiem. Przebieg
charakterystyki względnej skuteczności zbierania
jonów we wzorcowym polu promieniowania gamma
przebiega jak na rysunku nr 6.
Rys.4. Budowa komory KR14
Fig.4. Design of chamber KR14
Kształt komory w formie walca o o stałej grubości
ścianek bocznych i podstawy górnej, oraz znaczna
objętość pomiarowa pozwala na pomiary w polach
promieniowania o znacznych rozmiarach i
niewielkich mocach dawki.
Kolejną z przedstawionych konstrukcji
komora F4 przedstawiona na rys.5.
jest
Rys.6. Charakterystyka względnej skuteczności
zbierania jonów komory F4
Fig.6. Characteristic of relative Relative ion collection
efficiency of the chamber F4
Na podstawie charakterystyki komory można
stwierdzić zgodność z teoretyczną charakterystyką
przedstawioną na rysunku nr 3. Komora ta jest
aktualnie stosowana do pomiarów w wiązkach
promieniowania terapeutycznego i ich kalibracji.
Komora F5, będąca aktualnie w fazie realizacji jest
odmianą komory cienkościennej i dzięki temu będzie
posiadać podobne właściwości jak komora KR14,
jednak z uwagi na znacznie mniejsze wymiary i
kształt będzie ja można stosować w fantomach oraz
Rys.5. Budowa komory F4
446
umieszczać w wiązkach hadronowych. Projekt
komory F4 przedstawiono na rysunku 7.
międzyelektrodowe o przeciwnym kierunku
polaryzacji jonizacji, co jest korzystne dla precyzji
pomiaru. Elektrody komory F6 wykonane są z
grafitu. Materiał ten został zastosowany z uwagi na
planowane użycie komory do pomiarów w wiązkach
promieniowania neutronowego. Węgiel ma małą
powierzchnię
czynną
dla
promieniowania
neutronowego, a więc cała dawka zmierzona w
komorze będzie pochodziła od jonizacji gazu.
Konstrukcja komory F6 została przedstawiona na
rysunku nr 8.
Rys.7. Budowa komory F5
Fig.7. Design of chamber F5
Komora ta posiada obudowę wykonaną ze stopów
tytanu. Taka konstrukcja z uwagi na wyższą
wytrzymałość materiału pozwoli na użycie wyższych
ciśnień gazów niż w przypadku komory KR14,
Wybrany do konstrukcji stop wykazuje dobre
własności aktywacyjne, co dobrze rokuje na szersze
zastosowanie go jako materiału na obudowy komór
rekombinacyjnych.
Rys.8. Budowa komory F6
Ostatnia konstrukcja nosi symbol F6. Podobnie jak
F5 jest aktualnie realizowana i na jej obudowę
również użyty będzie stop tytanu. Komora ta posiada
trzy elektrody, a więc dwie przestrzenie
Fig.8. Design of chamber F6
Tab.1.
Zestawienie paramet rów komór reko mbinacyj nych
Summary o f th e r eco mbination chamb er’s para met ers
Parametr
Komora
KR14
F4
F5
F6
Objętość czynna
Liczba elektrod/materiał
Średnica /Grubość komory
Średnica elektrody
pomiarowej
Odległość
międzyelektrodowa
Wyprowadzenia pomiarowe
940 cm3
29 / mylar
110 mm/240mm
94mm
1 cm3
2 / mrt.
62 mm/12 mm
36 mm
100,5cm3
5/mylar
125mm/40mm
80mm
1,8 cm3
3 / Grafit.
62mm/11mm
36 mm
5 mm
1 mm
5 mm
2 mm
1
1
1
1
Wyprowadzenia napięciowe
Grubość ścianki
Gaz / Ciśnienie
2
1,2 mm
C2H4/0,5MPa
1
0,4 mm
grt/ 0,4 MPa
1
1 mm
C2H4/1MPa
1
0,5 mm
N /0,4 MPa
Napięcie próby
Napięcie odniesienia/
rekombinacji
Dmin - Dmax
2kV
900V/42V
1,6 kV
800 V / 30 V
1,5 kV
b.d
2 kV
b.d.
b.d.
b.d.
2 µGy/h-500Gy/h 30µGy/h100Gy/min
447
5. Podsumowanie
W związku z rozwojem technik radioterapii
hadronowej, w ostatnich kilku latach znacznie
wzrosło
zainteresowanie
rekombinacyjnymi
komorami
jonizacyjnymi
jako
detektorami
promieniowania.
Szczególnie
ważnym
jest
zastosowanie nowych i specjalizowanych konstrukcji
do konkretnych zastosowań, oraz analiza własności
radiacyjnych szeregu nowoczesnych materiałów
konstrukcyjnych pod kątem ich przydatności do
konstrukcji komór. Ponadto występuje jeszcze kilka
problemów związanych z własnościami izolatorów
(pamięć ładunkowa) i dopracowaniem metod
pomiarowych, których rozwiązanie pozwoli na
jeszcze szersze stosowanie tego typu przyrządów do
pomiarów w promieniowaniu wiązek hadronowych.
6. Literatura
1.
P.Tulik, N. Golnik, Ł. Krzemiński, J.
Swakoń, M. Zielczyński „Komora jonizacyjna do kontroli
jednorodności wiązki na stanowisku do protonowej terapii
czerniaka gałki ocznej” - Materiały XIV KBIB ’05 L.
Rutkowski (redakcja), tom II (2005) – Fizyka
medyczna.
2.
Ł. Krzemiński, N. Golnik, P. Tulik, M.
Zielczyński „Ionisation Chamber for continuous monitoring
of the diameter and direction of therapy proton beam for eye
melanoma treatment”. Radiation Protection and
Dosimetry - Annual Report 2005 - IEA OtwockŚwierk
3.
Ł. Krzemiński – „Recombination chambers
designed for hadron therapy” Polish Journal of Medical
Physics and Engineering, przyjęte do publikacji.
4.
Ł. Krzemiński - "Komora rekombinacyjna do
dozymetrii wiązek protonów„ Elektronika - konstrukcje,
technologie, zastosowania – 7/2010
Adres służbowy Autora:
Mgr inż. Łukasz Krzemiński
Instytut Tele- i Radiotechniczny
Ul. Ratuszowa 11
03-450 Warszawa
tel. (48-22) 619 01 05
fax (48-22) 619-27-66
email: [email protected]
email: [email protected]
448