ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΑΡΙΣΤΟΤΕΛΕΙΟ ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΘΕΣΣΑΛΟΝΙΚΗΣ ΣΧΟΛΗ ΘΕΤΙΚΩΝ ΕΠΙΣΤΗΜΩΝ ΤΜΗΜΑ ΦΥΣΙΚΗΣ ΠΤΥΧΙΑΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΘΕΜΑ: ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΣ ΑΠΟΡΡΟΦΟΥΜΕΝΗΣ ΔΟΣΗΣ ΣΕ ΟΜΟΙΩΜΑ ΝΕΡΟΥ ΣΤΗΝ ΑΚΤΙΝΟΘΕΡΑΠΕΙΑ ΔΕΣΜΗΣ ΦΩΤΟΝΙΩΝ ΥΨΗΛΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ Επιβλέπων Καθηγητής: Κίτης Γεώργιος Επιβλέπων Ακτινοφυσικός: Χατζηιωάννου Κωνσταντίνος Τουμανίδου Όλγα Θεσσαλονίκη, 2018

2 Ευχαριστίες: Στην εκπόνηση αυτής της εργασίας συνέβαλλαν αρκετοί άνθρωποι στους οποίους οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ. Πρώτα από όλα θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Γεώργιο Κίτη, καθηγητή του τομέα Πυρηνικής Φυσικής και Φυσικής Στοιχειωδών Σωματιδίων του Αριστοτέλειου Πανεπιστημίου Θεσσαλονίκης για την μεγάλη βοήθεια του που έπαιξε καθοριστικό ρόλο στο να κατανοήσω σε βάθος τις βασικές αρχές του κλάδου της δοσιμετρίας. Ακόμη θα ήθελα να ευχαριστήσω τον κύριο Κωνσταντίνο Χατζηιωάννου, προϊστάμενο του τμήματος Ιατρικής Φυσικής του Γενικού Νοσοκομείου Παπαγεωργίου, που παρά το τεράστιο φόρτο εργασίας του ήταν πάντα πρόθυμος να δώσει απάντηση στα ερωτήματα και τις απορίες μου. Επιπροσθέτως θα ήθελα να ευχαριστήσω και το υπόλοιπο προσωπικού του τμήματος Ιατρικής Φυσικής του Νοσοκομείου, και ιδιαίτερα στον κύριο Μάριο Βελώνη, ειδικευόμενο ακτινοφυσικό, για την βοήθεια που μου πρόσφεραν όποτε ήταν απαραίτητο. Επίσης, οφείλω ένα μεγάλο ευχαριστώ στον κύριο Ιωάννη Στούμπουλο, αναπληρωτή καθηγητή του τομέα Εφαρμογών Φυσικής και Φυσικής Περιβάλλοντος, που από την πρώτη στιγμή με παρότρυνε και με ενθάρρυνε να ασχοληθώ με το συγκεκριμένο τομέα και πιο ειδικά με αυτό το θέμα. Τέλος το πιο μεγάλο ευχαριστώ το οφείλω στην οικογένεια και τους φίλους μου και ιδιαίτερα στις συμφοιτήτριες μου Αθανασία Χρήστου και Σκοπίδου Θεοδώρα, για την τεράστια ηθική και ψυχολογική υποστήριξη, αλλά και για την υπομονή τους για τις τόσες φορές που οι υποχρεώσεις και οι απαιτήσεις της σχολής με κράτησαν μακριά τους. 2

3 Περιεχόμενα Ευχαριστίες:... 2 Περίληψη... 5 Abstract... 6 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ:... 7 Κεφάλαιο 1: Συστήματα ακτινοθεραπείας Εισαγωγή: Σκοπός της ακτινοθεραπείας Ραδιοβιολογική βάση της ακτινοθεραπείας Μέθοδοι της ακτινοθεραπείας Ο γραμμικός επιταχυντής Τεχνικές ακτινοθεραπείας Ισοκεντρική θεραπεία πολλαπλών πεδίων ακτινοβολίας Σύμμορφη τρισδιάστατη ακτινοθεραπεία Σύγχρονες μέθοδοι ακτινοθεραπείας Η διαδικασία της ακτινοθεραπείας Βασικές παράμετροι ακτινοβόλησης με δέσμες φωτονίων Κατανομή δόσης-βάθους φωτονίων Κεφάλαιο 2: Κλινική Δοσιμετρία Βιολογική επίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Ο κλάδος της δοσιμετρίας Βασικά δοσιμετρικά μεγέθη Απορροφούμενη Δόση Ισοδύναμη δόση Ενεργός δόση Απόλυτη Δοσιμετρία Κεφάλαιο 3: Πειραματικό μέρος Απαραίτητος εξοπλισμός Μεθοδολογία για την πραγματοποίηση της πειραματικής διαδικασίας Απόλυτη δοσιμετρία Προσδιορισμός της ποιότητας της δέσμης Προσδιορισμός της δόσης στο νερό

4 Συνθήκες Μέτρησης Αναφοράς Διόρθωση της ένδειξης του δοσιμέτρου Προσδιορισμός της απορροφούμενης δόσης στο νερό Προσδιορισμός της απορροφούμενης δόσης στο ΖΖΖΖΖΖΖΖ Παράγοντες output Έλεγχος σταθερότητας παροχής γραμμικού επιταχυντή Κεφάλαιο 4: Αποτελέσματα και ανάλυση Αποτελέσματα απόλυτης δοσιμετρίας Έλεγχος της σταθερότητας παροχής του γραμμικού επιταχυντή Συμπεράσματα Βιβλιογραφία

5 Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγματοποιήθηκε στο Τμήμα Ιατρικής Φυσικής του Γενικού Νοσοκομείου Παπαγεωργίου. Στο τμήμα αυτό βρέθηκα για πρώτη φορά στα πλαίσια της πρακτικής μου άσκησης, όπου από την πρώτη στιγμή μου έγινε σαφής η σημασία της απόλυτης δοσιμετρίας, για την διασφάλιση της καλής και ασφαλούς λειτουργίας του γραμμικού επιταχυντή που είναι κρίσιμη για την επιτυχή έκβαση της ακτινοθεραπείας. Στην παρούσα εργασία λοιπόν θα γίνει προσπάθεια να παρουσιάσουμε τα βασικά στοιχεία της απόλυτης δοσιμετρίας για δέσμες φωτονίων υψηλών ενεργειών. Αρχικά θα προσεγγίσουμε το θέμα θεωρητικά, εξετάζοντας τις βασικές αρχές της ακτινοθεραπείας και της δοσιμετρίας στην ακτινοθεραπεία. Θα γίνει σαφές ποια είναι η αναγκαιότητα του κλάδου της δοσιμετρίας και ειδικότερα του ελέγχου της απόλυτης δοσιμετρίας. Στην συνέχεια ακολουθεί το πειραματικό μέρος. Στην εργασία αυτή πραγματοποιήθηκε η απόλυτη δοσιμετρία για δέσμες φωτονίων υψηλών ενεργειών, στους δύο γραμμικούς επιταχυντές του νοσοκομείου Παπαγεωργίου, τον γραμμικό επιταχυντή DHX του οίκου Varian για ενέργειες των 6 και 16 MV και στον 2100C του οίκου Varian για 6 και 18 MV. Για την διαδικασία αυτή ακολουθήθηκε το πρωτόκολλο TRS 398 της IAEA (International Atomic Energy Agency). Επιπρόσθετα πραγματοποιήθηκε και έλεγχος της σταθερότητας της παροχής των δύο αυτών γραμμικών επιταχυντών. Τα αποτελέσματα τα οποία εξήγησαν ελέγχονται και συγκρίνονται με τις αντίστοιχες τιμές αναφοράς. Η απόκλιση μεταξύ των πειραματικά προσδιοριζόμενων τιμών και των τιμών αναφοράς θα πρέπει να είναι εντός των ορίων που επιβάλλονται από την ΕΕΑΕ. 5

6 Abstract All of the needed measurements for the establishment of this thesis took place in the department of medical physics of the General Hospital Papageoriou, in Thessaloniki. My work in this department started as a part of my internship in this hospital, were from the first moment it became clear to me how great the importance of the absolute or reference dosimetry is when it comes to ensuring a safe and successful outcome in radiotherapy. The objective of this thesis is to present the basic elements of absolute dosimetry for high energy photon beams. We will approach this matter in a theoretical manner initially, by examining the principles of radiotherapy and dosimetry. We will try to show why the field of dosimetry in general, and more specifically absolute dosimetry is of such a great importance. Following that we will demonstrate the experimental part of this thesis. For our necessary measurements we conducted two experimental procedures. The first one was the absolute dosimetry for the two linear accelerators that the department haw at its disposal, the DHX1008 of house Varian, for photon beams with energy 6 and 16 MV and the 2100C of house Varian for photon beams with energy 6 and 18 MV. During these procedures we followed the protocol TRS-398 of the IAEA (International Atomic Energy Agency). Moreover we checked the stability of the provision of the linear accelerators. Our final results are being compared to the corresponding reference points. The resulting deviation between our results and the reference points has to be within the limits that are being imposed by EEAE. 6

7 ΘΕΩΡΗΤΙΚΗ ΕΙΣΑΓΩΓΗ: Κεφάλαιο 1: Συστήματα ακτινοθεραπείας 1.1 Εισαγωγή: Η ακτινοθεραπεία είναι η επιστήμη αντικείμενο της οποίας είναι η θεραπεία διαφόρων νόσων με τη χρήση ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Η ακτινοθεραπεία είναι μετά τις χειρουργικές επεμβάσεις, η περισσότερο χρησιμοποιούμενη μέθοδος αντιμετώπισης του καρκίνου. Εφαρμόζεται σε περισσότερο από το 50% των πασχόντων από καρκίνο καθώς και σε πολλές περιπτώσεις καλοηθών όγκων, οι οποίοι είτε δεν μπορούν να χειρουργηθούν, είτε η χειρουργική τους αφαίρεση εγκυμονεί πολλούς κινδύνους. Σαν ιατρική δραστηριότητα η ακτινοθεραπεία ακολούθησε την ανακάλυψη των ιοντιζουσών ακτινοβολιών, των ακτινών Χ από τον Roentgen το 1895 και της ραδιενέργειας από τον Becquerel το Από τα πρώτα έτη μετά την ανακάλυψη των ιοντιζουσών ακτινοβολιών έγινε φανερή η καταστροφή που επέφεραν σε υγιείς ιστούς των επιστημόνων που ασχολούνταν με αυτές. Ήταν φυσικό επακόλουθο η χρήση τους για θεραπευτικούς σκοπούς και κυρίως για την καταστροφή νεοπλασιών. Εικόνα 1: Ακτινοθεραπεία με συσκευή κοβαλτίου,

8 Η πρόοδος της ακτινοθεραπείας ακολούθησε την πρόοδο της τεχνολογίας στην παραγωγή και στην χρήση των πηγών ιοντιζουσών ακτινοβολιών. Μετά το 1940 και την τεχνολογική πρόοδο που επιτεύχθηκε κατά τη διάρκεια του Β Παγκοσμίου Πολέμου, επιταχύνθηκε και η πρόοδος στην ακτινοθεραπεία, η οποία συνίσταντο τόσο στην παραγωγή τεχνητών ραδιονουκλιδίων όσο και στην κατασκευή επιταχυντών. Η ακτινοθεραπεία κάνει χρήση ενός μεγάλου αριθμού ραδιονουκλιδίων με την μορφή κλειστών ή ανοιχτών πηγών, όπως για παράδειγμα τα Κοβάλτιο-60 (Co-60). Στον χώρο των επιταχυντικών διατάξεων το βήτατρο και κυρίως ο γραμμικός επιταχυντής αποτελούν τα παραδείγματα κατασκευών τα οποία ενώ κατασκευάστηκαν για σκοπούς φυσικής, χρησιμοποιήθηκαν και χρησιμοποιούνται σαν κύρια συστήματα ακτινοθεραπείας. Παράλληλα με την τεχνολογική ανάπτυξη των μεθόδων χορήγησης των απορροφουμένων δόσεων από ιοντίζουσα ακτινοβολία για θεραπευτικούς σκοπούς, ανεπτύχθη τόσο η κλινική εμπειρία όσο και η επιστήμη της Ακτινοβιολογίας. Η Ακτινοβιολογία προσπαθούσε και προσπαθεί να ερμηνεύσει τα βιολογικά αποτελέσματα των ακτινοβολιών και να σχηματοποιήσει επί επιστημονικής βάσεως τις τεχνικές ακτινοθεραπείας. Σε όλα τα ανωτέρω βασική θέση κατέχει και η ανάπτυξη των μεθόδων και τεχνολογιών της δοσιμετρίας η οποία αποτελεί κύρια υπευθυνότητα των φυσικών ιατρικής. Εικόνα 2 : Ακτινοθεραπεία με χρήση σύγχρονου γραμμικού επιταχυντή 8

9 1.2 Σκοπός της ακτινοθεραπείας Τα καρκινικά κύτταρα αναπτύσσονται με τρόπο τέτοιο ο οποίος δεν υπακούει στους φυσιολογικούς μηχανισμούς ελέγχου του σώματος. Επιπλέον τα καρκινικά κύτταρα προκαλούν μεταστάσεις με αποτέλεσμα να διασπείρονται από την αρχική τους θέση και να εισβάλλουν σε άλλους ιστούς. Υπάρχουν πολλών ειδών καρκινικά κύτταρα. Άλλα οργανώνονται και αυξάνονται μαζί αποτελώντας συμπαγής καρκινικούς όγκους μέσα ή στην επιφάνεια ενός οργάνου ή ιστού. Άλλα όπως στην λευχαιμία και τα λεμφώματα, έχουν την ιδιότητα να μετακινούνται μέσα στο σώμα μέσω του αίματος και του λεμφικού συστήματος. Εάν ένας καρκίνος αφεθεί, τελικά καταστρέφει την λειτουργία του οργάνου ή ιστού που έχει καταλάβει. Η θεραπεία του καρκίνου έχει σαν στόχο την θανάτωση ή την απομάκρυνση των καρκινικών κυττάρων και τη παύση του περαιτέρω πολλαπλασιασμού τους. Οι κύριοι τρόποι με τους οποίους επιτυγχάνεται ο στόχος αυτός είναι η χειρουργική επέμβαση, για την αφαίρεση των καρκινικών τμημάτων, η χημειοθεραπεία για την θανάτωση και την αδρανοποίηση των καρκινικών κυττάρων με τη χρήση φαρμάκων, η ανοσοθεραπεία με την ενίσχυση των αμυντικών μηχανισμών του οργανισμού και η ακτινοθεραπεία που προσπαθεί με χρήση ιοντιζουσών ακτινοβολιών να καταστρέψει τα καρκινικά κύτταρα. Οι παραπάνω τρόποι χρησιμοποιούνται είτε κατά μόνας είτε σε συνδυασμό. Κατά την ακτινοθεραπεία ακτινοβολούνται τα καρκινικά κύτταρα ενός όγκου αλλά επειδή αυτά βρίσκονται μέσα σε έναν υγιή ιστό είναι αναπόφευκτη και η ακτινοβόληση του υγιούς ιστού. Εάν όμως οι υγιείς ιστοί ακτινοβοληθούν με δόση μεγαλύτερη από κάποιο όριο τότε εμφανίζονται κλινικά αποτελέσματα τα οποία μπορεί να μην είναι αποδεκτά. Το γεγονός αυτό περιορίζει την δυνατότητα ακτινοβόλησης των καρκινικών κυττάρων σε δόσεις με τις οποίες θα ήταν βέβαιη η καταστροφή τους. Κατά τα ανωτέρω καταλήγουμε στο ότι σκοπός της ακτινοθεραπείας είναι να χορηγήσει τη κατά το δυνατό υψηλότερη απορροφούμενη δόση στους καρκινικούς ιστούς ώστε έτσι να επιτευχθεί η μέγιστη πιθανότητα ελέγχου της ανάπτυξης των καρκινικών κυττάρων, ενώ ταυτόχρονα πρέπει να περιορίζεται η βλάβη των ακτινοβολούμενων μη καρκινικών ιστών και οργάνων σε αποδεκτό επίπεδο. 1.3 Ραδιοβιολογική βάση της ακτινοθεραπείας Η θανάτωση κυττάρων με τη χρήση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας είναι στοχαστικό φαινόμενο όσον αφορά ένα κύτταρο. Δεν είναι δηλαδή εκ των προτέρων γνωστή και προκαθορισμένη η δόση η οποία μπορεί να οδηγήσει σε θανάτωση ενός κυττάρου. Σε μεγάλους πληθυσμούς κυττάρων όμως το φαινόμενο γίνεται μη στοχαστικό. Υπάρχει ένα κατώφλι δόσης κάτω από το οποίο δεν παρατηρείται κανένα κλινικό αποτέλεσμα και μια τιμή δόσης πάνω από την οποία έχουμε αποτέλεσμα σε όλο τον πληθυσμό 9

10 των κυττάρων. Με βάση τα παραπάνω προκύπτουν οι καμπύλες δόσεις-επιβίωσης, οι οποίες μας δίνουν το ποσοστό θανάτωσης των κυττάρων ενός πληθυσμού σε σχέση με την εναποτιθέμενη δόση ακτινοβολίας, μας δείχνουν δηλαδή την ακτινοευαισθησία ενός ιστού. Οι καμπύλες αυτές παρουσιάζουν βασικούς ραδιοβιολογικούς κανόνες στους οποίους στηρίζεται η ακτινοθεραπεία. Εάν πετύχουμε κατά την ακτινοβόληση ενός ιστού ελάττωση της δόσης σε υγιείς παρακείμενους ιστούς τότε η δόση στον όγκο-στόχο μπορεί να αυξηθεί. Αύξηση της δόσης στον όγκο-στόχο σημαίνει αύξηση της πιθανότητας ελέγχου της νόσο, ενώ μείωση της δόσης στους υγιείς ιστούς σημαίνει μείωση των επιπλοκών. Στις συμβατικές μεθόδους ακτινοθεραπείας η συνηθέστερη τεχνική για την προστασία των υγιών οργάνων που βρίσκονται σε επαφή ή στην γειτονιά του όγκου στόχου είναι η κλασματοποίηση της δόσης. Με την τεχνική αυτή αυξάνεται η συνολικά εναποτιθέμενη δόση αλλά διαμοιράζεται σε έναν αριθμό συνεδριών (περίπου 30). Εξετάζοντας την καμπύλη δόσης-επιβίωσης για καρκινικά και υγιή κύτταρα παρατηρούμε τα εξής: Υπάρχει ένα κατώφλι δόσης για την θανάτωση των κυττάρων και για τα καρκινικά αλλά και για τα υγιή κύτταρα. Το ποσοστό των κυττάρων που θανατώνονται αυξάνει με την αύξηση της δόσης. Υπάρχει μία τιμή δόσης στην οποία έχουμε θανάτωση του 100% των κυττάρων και άρα δεν υπάρχει αποτέλεσμα για περεταίρω αύξηση της δόσης. Σχήμα 1: Καμπύλες δόσης επιβίωσης για καρκινικά και υγιή κύτταρα 10

11 Συμπεραίνουμε πως εάν το κατώφλι της δόσης για τα υγιή κύτταρα είναι μεγαλύτερο από εκείνο των καρκινικών, τότε η τιμή της θεραπευτικής δόσης μπορεί να είναι τέτοια ώστε να πετυχαίνει θανάτωση του μεγαλύτερου ποσοστού των καρκινικών κυττάρων, για παράδειγμα το 95%, ενώ ταυτόχρονα να επηρεάσει σχετικά μικρό ποσοστό των υγιών κυττάρων, για παράδειγμα το 5%. Εντούτοις σε πραγματικές συνθήκες τα πράγματα μπορεί να είναι διαφορετικά, οι καμπύλες δόσης-επιβίωσης των καρκινικών και των υγιών κυττάρων μπορεί να βρίσκονται πιο κοντά μεταξύ τους και η αλληλοεπικάλυψη τους μπορεί να είναι μεγαλύτερη. Τότε ο έλεγχος της νόσου, μέσω της θανάτωσης των καρκινικών κυττάρων, θα οδηγεί αναπόφευκτα σε βλάβη στον φυσιολογικό πληθυσμό κυττάρων. Γενικά η μορφή της καμπύλης δόσης-επιβίωσης εξαρτάται από το είδος του ιστού από τον οποίο προέρχονται τα κύτταρα, από το είδος και την ενέργεια της ιοντίζουσας ακτινοβολίας και από τον ρυθμό χορήγησης της. Η εξάρτηση της καμπύλης δόσης επιβίωσης από τον ρυθμό δόσης εξηγεί την χορήγηση της δόσης σε πολλά κλάσματα-συνεδρίες. Οι πιο ταχέως χορηγούμενες δόσεις προκαλούν περισσότερη βλάβη και με μικρότερο κατώφλι δόσης. Καθώς τα υγιή κύτταρα τείνουν να έχουν καλύτερους διορθωτικούς μηχανισμούς του DNA, σε σχέση με τα καρκινικά κύτταρα, το φαινόμενο αυτό αξιοποιείται διαιρώντας την υψηλή δόση που απαιτείται για την θανάτωση των καρκινικών κυττάρων σε πολλά κλάσματα-συνεδρίες. Στο μεσοδιάστημα που μεσολαβεί από την μία συνεδρία στην επόμενη, τα υγιή κύτταρα έχουν την δυνατότητα να ανανήψουν και να αυξήσουν και πάλι τον αριθμό τους. Σχήμα 2: Καμπύλες επιβίωσης κυττάρων με και χωρίς την κλασματοποίηση 11

12 1.4 Μέθοδοι της ακτινοθεραπείας Τρεις είναι οι τρόποι με τους οποίους η Ακτινοθεραπεία μπορεί να ακτινοβολεί τους ιστούς: Ο πρώτος τρόπος είναι με την χρήση εξωτερικών δεσμών ιοντιζουσών ακτινοβολιών Ο δεύτερος τρόπος είναι με την χρήση κλειστών πηγών ιοντιζουσών ακτινοβολιών που τοποθετούνται στο σώμα του ασθενή (βραχυθεραπεία) Ο τρίτος τρόπος είναι με την χρήση ανοιχτών πηγών, δηλαδή ραδιενεργών ουσιών που χορηγούνται στους ασθενείς. Η θεραπεία με εξωτερικές δέσμες είναι η πιο συνηθισμένη μέθοδος ακτινοθεραπείας. Κάνει χρήση δεσμών φωτονίων γ προερχόμενες από μονάδες Κοβαλτίου-60 (Co-60), παλαιότερα και Καισίου-137 (Cs-137) και δέσμες φωτονίων ή ηλεκτρονίων που προέρχονται από γραμμικό επιταχυντή. Όταν ο προς θεραπεία όγκος βρίσκεται σε μικρό βάθος τότε χρησιμοποιούνται δέσμες ηλεκτρονίων. Άλλες σωματιδιακές ιοντίζουσες ακτινοβολίες που χρησιμοποιούνται στην ακτινοθεραπεία είναι αυτή των πρωτονίων και των ιόντων άνθρακα. Στη βραχυθεραπεία χρησιμοποιούνται ραδιενεργές πηγές εγκλωβισμένες σε περίβλημα οι οποίες τοποθετούνται στο εσωτερικό του όγκου, έτσι ώστε να τον ακτινοβολήσουν τοπικά, ώστε να ελαχιστοποιηθεί η δόση που δέχονται οι παρακείμενοι υγιείς ιστοί. Η χρήση ανοικτών πηγών στην Ακτινοθεραπεία συνίσταται στην χορήγηση ανοιχτών ραδιενεργών πηγών, που δεν περιβάλλονται δηλαδή από κάποιο περίβλημα. Οι πηγές αυτές εντοπίζονται ανάλογα με την χημική μορφή τους στον καρκινικό όγκο τον οποίο και ακτινοβολούν. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας δεν θα μας απασχολήσει καθόλου η βραχυθεραπεία ούτε η ακτινοθεραπεία ανοιχτών πηγών, παρά μόνο η ακτινοθεραπεία με χρήση εξωτερικών δεσμών, της οποίας αναλυτικότερη περιγραφή δίνεται παρακάτω. Η εξωτερική ακτινοθεραπεία λοιπόν, αποτελεί τον πιο συχνά χρησιμοποιούμενο τρόπο χορήγησης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας. Συνήθως χρησιμοποιούνται δέσμες ακτινών Χ ή ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας, οι οποίες παράγονται από γραμμικούς επιταχυντές. Εναλλακτικά οι εξωτερικές δέσμες ακτινοβολίας μπορεί να παράγονται από ραδιενεργές πηγές γ-ακτινοβολίας όπως για παράδειγμα το ραδιονουκλίδιο κοβάλτιο-60. Όμως η χρήση τους στις μέρες μας είναι περιορισμένη λόγω του ότι η ποιότητα της δέσμης που παράγουν οι ραδιενεργές πηγή είναι χαμηλότερη σε σχέση τη ποιότητα των δεσμών που παράγουν οι γραμμικοί επιταχυντές, εκπέμπουν μόνο φωτόνια και μάλιστα χαμηλής ενέργειας, απαιτείται αντικατάσταση της πηγής ανά τακτά χρονικά διαστήματα λόγω της μείωσης της έντασης της δέσμης και τέλος από 12

13 άποψη ακτινοπροστασίας η χρήση ραδιενεργών πηγών επιβαρύνει περισσότερο το προσωπικό λόγω της ύπαρξης πηγής που εκπέμπει συνεχώς. Γενικά στην εξωτερική ακτινοθεραπεία το είδος και η ενέργεια της ακτινοβολίας που χρησιμοποιείται αποτελούν βασικές συνιστώσες κατά την ακτινοθεραπεία. Καθώς ο πρωταρχικός στόχος, όπως έχουμε ήδη αναφέρει, είναι η εναπόθεση και απορρόφηση όσο το δυνατόν μεγαλύτερης ποσότητας ενέργειας από το καρκινικά κύτταρα, τα σωματίδια υψηλού LET αποτελούν την καλύτερη επιλογή. Έτσι βαριά φορτισμένα σωμάτια όπως πυρήνες άνθρακα καθώς και πρωτόνια χρησιμοποιούνται κατά κόρον σε εξειδικευμένα κέντρα, όμως προς το παρόν η ακτινοθεραπεία διεξάγεται ως επί το πλείστων με χρήση είτε φωτονίων υψηλής ενέργειας, είτε β-σωματιδίων (ηλεκτρονίων) που εκπέμπονται από γραμμικούς επιταχυντές. 1.5 Ο γραμμικός επιταχυντής Από όσα προηγήθηκαν γίνεται εύκολα κατανοητό ότι στις μέρες μας βασικό στοιχείο για την πραγματοποίηση της ακτινοθεραπείας είναι ο γραμμικός επιταχυντής. Ένας γραμμικός επιταχυντής λειτουργεί με τρόπο παρόμοιο με τη λυχνία παραγωγής ακτινών Χ. Δέσμη ηλεκτρονίων επιταχύνεται σε πολύ υψηλές τιμές ενέργειας (πολύ πιο υψηλές σε σχέση με τις αντίστοιχες των λυχνιών ακτινών Χ που χρησιμοποιούνται για διαγνωστικούς σκοπούς) με την χρήση ηλεκτρομαγνητικών πεδίων ραδιοσυχνοτήτων (RF). Αυτά τα ηλεκτρόνια μπορούν να χρησιμοποιηθούν είτε άμεσα, είτε για την παραγωγή ακτινών Χ. Οι δέσμες ακτινών Χ έχουν συνήθως ενέργεια 6, 10 και 18 MV ενώ οι δέσμες ηλεκτρονίων 6,9,12,15 και 18 MV. Τα βασικά μέρη από τα οποία αποτελείται ένας γραμμικός επιταχυντής είναι τα εξής: Πυροβόλο ηλεκτρονίων Κυματοδηγός επιτάχυνσης Στόχος παραγωγής ακτινών Χ Γεννήτρια συχνοτήτων RF Σύστημα μεταφοράς δέσμης ηλεκτρονίων Κεφαλή γραμμικού επιταχυντή Στήριγμα κεφαλής Κλίνη θεραπείας Όλοι οι γραμμικοί επιταχυντές είναι ισοκεντρικοί. Αυτό σημαίνει ότι η κεφαλή μπορεί να περιστρέφεται κατά 360 μοίρες, με τη βοήθεια ενός βραχίονα, γύρω από ένα νοητό σημείο το οποίο ονομάζεται ισόκεντρο και βρίσκεται σε απόσταση 80 cm έως 100 cm από την κεφαλή. Επίσης και η εξεταστική κλίνη έχει τη δυνατότητα να περιστρέφεται γύρω από το ισόκεντρο αλλά και να αλλάζει ύψος. Τέλος από το ισόκεντρο διέρχεται ο κεντρικός άξονας της δέσμης της ακτινοβολίας. Στην πράξη το ισόκεντρο ενός γραμμικού επιταχυντή μπορούμε να το εντοπίσουμε στον χώρο της 13

14 αίθουσας θεραπείας, στο σημείο τομής ορατών και επίπεδων laser που είναι τοποθετημένα στους τοίχους και στην οροφή της αίθουσας. Παρακάτω βλέπουμε την σχηματική αναπαράσταση ενός τυπικού γραμμικού επιταχυντή. Εικόνα 3: Σχηματική αναπαράσταση τυπικού γραμμικού επιταχυντή Στην κεφαλή του επιταχυντή ένα πυροβόλο ηλεκτρονίων (electron gun) παράγει μέσω της θερμιονικής εκπομπής ηλεκτρόνια υπό την μορφή παλμών. Τα ηλεκτρόνια αυτά στην συνέχεια επιταχύνονται μέσω επιταχυντικής διάταξης η οποία αποτελείται από έναν κυματοδηγό που χρησιμοποιεί ηλεκτρομαγνητικά πεδία ραδιοσυχνοτήτων. Από αποκτήσουν ικανή ενέργεια, της τάξης των MeV, τα ηλεκτρόνια κατευθύνονται στην κεφαλή του γραμμικού επιταχυντή όπου παράγεται η χρήσιμη δέσμη της ακτινοβολίας. Όταν ο γραμμικός επιταχυντής πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για ακτινοθεραπεία με ηλεκτρόνια, τότε η δέσμη των ηλεκτρονίων εξέρχεται από την επιταχυντική διάταξη μέσω ενός λεπτού παραθύρου και κατευθύνεται προς την κεφαλή, όπου σκεδάζεται ή σε μερικές περιπτώσεις σαρώνεται ηλεκτρομαγνητικά ώστε να επιτευχθεί η επιθυμητή διάσταση της χρήσιμης δέσμης. Όταν ο γραμμικός επιταχυντής πρόκειται να χρησιμοποιηθεί για την παραγωγή δέσμης ακτινών Χ, τα ηλεκτρόνια προσπίπτουν σε ειδικό υλικό-στόχο, υψηλού 14

15 ατομικού αριθμού και χάνουν την ενέργεια τους, ένα μέρος της οποίας μετατρέπεται σε ακτινοβολία Χ. Στην φωτογραφία που ακολουθεί βλέπουμε έναν σύγχρονο γραμμικό επιταχυντή, ο οποίος χρησιμοποιείται για ακτινοθεραπευτικούς σκοπούς. Ο συγκεκριμένος είναι ο DHX1008, του οίκου Varian, και βρίσκεται στο τμήμα Ακτινοθεραπείας του γενικού νοσοκομείου Παπαγεωργίου. Εικόνα 4: Γραμμικός επιταχυντής DHX1008, Varian Ένα πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε σχετικά με την παραγόμενη δέσμη των ακτινών Χ είναι ότι αυτή δεν χαρακτηρίζεται από ομοιογένεια ως προς την ένταση της ροής της, αλλά παρουσιάζει μέγιστη ροή στο κέντρο του άξονα της. Επιπλέον η δέσμη περιέχει αρκετά σημαντικό αριθμό φωτονίων χαμηλής ενέργειας τα οποία δεν είναι κλινικά χρήσιμα, αφού αυξάνουν την δόση στην επιφάνεια, δηλαδή στο δέρμα, του ασθενούς. Για τους λόγους αυτούς και προκειμένου η δέσμη ακτινών Χ να καταστεί κλινικά χρήσιμη κρίνεται απαραίτητη η χρήση του φίλτρου επιπέδωσης. Με την χρήση του φίλτρου επιπέδωσης πετυχαίνουμε η δέσμη να καταστεί όσο το δυνατόν πιο ομοιογενής γίνεται αλλά και απορρόφηση των χαμηλής ενέργειας φωτονίων. Τέλος, η δέσμη λαμβάνει το σχήμα που εξυπηρετεί τον εκάστοτε ασθενή μέσω της χρήσης ενός συστήματος κατευθυντήρων. Στους σύγχρονους γραμμικούς επιταχυντές υπάρχουν τρία διαφορετικά είδη κατευθυντήρων, τα οποία είναι κατασκευασμένα από υλικό μεγάλου ατομικού αριθμού και πυκνότητας. Οι κατευθυντήρες αυτοί είναι ο πρωτεύον, ο δευτερεύον και ο κατευθυντήρας πολλαπλών φύλλων. 15

16 Όλα όσο εξηγήσαμε παραπάνω φαίνονται και στην παρακάτω σχηματική αναπαράσταση, στην οποία φαίνεται ολόκληρη η διαδικασία παραγωγής της δέσμης ακτινών Χ, έως ότου αυτή φτάσει στον ασθενή. Σχήμα 3: Σχηματική αναπαράσταση της πορείας της δέσμης των ακτινών Χ 1.6 Τεχνικές ακτινοθεραπείας Ισοκεντρική θεραπεία πολλαπλών πεδίων ακτινοβολίας Έχει διαπιστωθεί ότι ο σκοπός της ακτινοθεραπείας επιτυγχάνεται χρησιμοποιώντας πολλαπλά πεδία ακτινοβολίας τα οποία εισέρχονται στον ασθενή από διαφορετικές εισόδους και ακτινοβολούν τον όγκο-στόχο. Αυτός ο τρόπος ακτινοβόλησης διασφαλίζει ότι κάθε πεδίο ακτινοβολίας συνεισφέρει στη δόση στον όγκο και ταυτόχρονα ακτινοβολεί διαφορετική περιοχή υγιών ιστών από τα υπόλοιπα οδηγώντας στο τελικό αποτέλεσμα που είναι η μεγαλύτερη δόση στον όγκο από ότι στους υγιείς ιστούς. Στις μέρες μας χρησιμοποιούνται οι λεγόμενες ισοκεντρικές θεραπείες πολλαπλών πεδίων. Ο ασθενής τοποθετείται σε ειδική κλίνη κάτω από την κεφαλή του γραμμικού επιταχυντή, ο οποίος μπορεί να περιστρέφεται με τη χρήση ειδικού βραχίονα (gantry) με κέντρο περιστροφής το ισόκεντρο. Το ισόκεντρο είναι το κέντρο περιστροφής τόσο του βραχίονα περιστροφής, όσο 16

17 και της κλίνης αλλά και του συστήματος διαφραγμάτων ενώ από το σημείο αυτό περνάει ο κεντρικός άξονας της δέσμης ακτινοβολίας. Έτσι τοποθετώντας το ισόκεντρο στο κέντρο του όγκου μπορούμε γυρνώντας απλώς τον βραχίονα περιστροφής να ακτινοβολήσουμε τον όγκο, με πολλαπλά πεδία ακτινοβολίας τα οποία έχουν διαφορετικές εισόδους και ακτινοβολούν διαφορετικό μέρος υγιών ιστών. Ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα είναι η τεχνική box που χρησιμοποιείται για ενδογενής όγκους στην πύελο Σύμμορφη τρισδιάστατη ακτινοθεραπεία Η σύμμορφη (ή προσαρμοσμένη) τρισδιάστατη ακτινοθεραπεία (3-D conformal radiotherapy CRT) επιτυγχάνει να προσαρμόσει τη περιοχή υψηλής δόσης στον ακριβώς καθορισμένο όγκο-στόχο περιορίζοντας ταυτόχρονα τη δόση στους παρακείμενους υγιείς ιστούς. Στην τεχνική αυτή χρησιμοποιούνται πολλαπλά πεδία ακτινοβολίας ομοιόμορφης έντασης το σχήμα των οποίων είναι τέτοιο ώστε να προσαρμόζεται στον όγκο. Ο ακριβής καθορισμός των κατευθύνσεων των πολλαπλών δεσμών, του σχήματος του πεδίου και του ποσοστού της δόσης που χορηγείται από κάθε δέσμη, πραγματοποιείται από ειδικό λογισμικό του συστήματος σχεδιασμού ακτινοθεραπείας, με τη βοήθεια λεπτομερών δεδομένων που παρέχονται από τον αξονικό τομογράφο. Η χρήση του αξονικού τομογράφου έχει το πλεονέκτημα ότι δεδομένου ότι χρησιμοποιεί ακτίνες Χ για την απεικόνιση του σώματος, δίνει πληροφορίες για την αλληλεπίδραση των ιστών με τις ακτίνες Χ, οι οποίες χρησιμοποιούνται για τον ακριβή προσδιορισμό της δόσης που λαμβάνεται από κάθε τμήμα του σώματος (όγκος και υγιής ιστόςόργανα). Για τον λόγο αυτό, οι άλλες απεικονιστικές μέθοδοι παρόλο που σε πολλές περιπτώσεις υπερτερούν διαγνωστικά, χρησιμοποιούνται επικουρικά Σύγχρονες μέθοδοι ακτινοθεραπείας Οι εξελίξεις στις ακτινοθεραπευτικές τεχνικές καθοδηγούνται από την συνεχή προσπάθεια για αύξηση της απορροφούμενης δόσης από τον όγκο-στόχο με παράλληλη μεγιστοποίηση της προστασίας των παρακείμενων υγιών ιστών. Νέες τεχνικές εισάγονται συνεχώς στην κλινική πράξη για τη επίτευξη του παραπάνω σκοπού, στηριζόμενες κυρίως στην συνεχή ανάπτυξη των υπολογιστών και του αντίστοιχου λογισμικού που χρησιμοποιείται για τον σχεδιασμό της θεραπείας, σε συνδυασμό με την ανάπτυξη εξελιγμένων αυτοματοποιημένων συστημάτων παροχής ακτινοβολίας. 17

18 Ακτινοθεραπεία με χρήση πεδίων διαμορφούμενης έντασης (IMRT): Η ακτινοθεραπεία με χρήση πεδίων ακτινοβολίας διαμορφωμένης έντασης είναι μία εξελιγμένη τρισδιάστατη τεχνική η οποία έχει σαν αποτέλεσμα την ακόμη μεγαλύτερη μείωση της δόσης στους φυσιολογικούς ιστούς και την αύξηση της δόσης στον όγκο-στόχο. Στην πράξη εφαρμόζεται στον ασθενή μεγάλος αριθμός υποπεδίων (30-70) το σχήμα των οποίων διαμορφώνεται από τους κατευθυντήρες πολλαπλών φύλλων (MLC) τα οποία και επιτυγχάνουν την κατανομή δόσης η οποία συμπίπτει με το επιθυμητό αποτέλεσμα. Αναλυτικότερα ο ασθενής ακτινοβολείται από πολλές γωνίες (7-9) και από κάθε γωνία το πεδίο διαμορφωμένης έντασης προκύπτει από το άθροισμα πολλών υποπεδίων (3-15). Ογκομετρικά Διαμορφούμενη Τοξοειδής Ακτινοθεραπεία (VMAT): H VMAT αποτελεί εξέλιξη της τεχνικής IMRT κατά την οποία η δόση της ακτινοβολίας διανέμεται σε τρις διαστάσεις με ταυτόχρονη περιστροφής της κεφαλής κατά 360 μοίρες χρησιμοποιώντας ένα ή πολλαπλά τόξα. Κατά τη VMAT τεχνική η δόση διανέμεται κατά τη διάρκεια μία περιστροφής του τόξου γύρω από τον γραμμικό επιταχυντή, ενώ τα ποικίλα σε σχήμα φύλλα MLC που διαθέτει, ανοιγοκλείνουν συνεχώς με τρόπο τέτοιο ώστε οι υγιείς ιστοί να προστατεύονται. Επιπλέον στα χαρακτηριστικά αυτής της τεχνικής ανήκουν η δυνατότητα μεταβολής της ταχύτητας περιστροφής του επιταχυντή καθώς και η διαφοροποίηση του ύψους της δόσης που προσπίπτει από κάθε γωνία. Όλα αυτά τα χαρακτηριστικά επιτρέπουν στην VMAT τη χορήγηση υψηλών δόσεων στον όγκο στόχο και την ελαχιστοποίηση της δόσης στους υγιείς ιστούς. Απεικονιστικά Καθοδηγούμενη Ακτινοθεραπεία (IGRT): Η οπτικά καθοδηγούμενη ακτινοθεραπεία συνίσταται στη χρήση απεικονιστικών μεθόδων κατά τη διάρκεια της ακτινοθεραπείας με σκοπό της βελτίωση της ακρίβειας της θεραπείας. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται για όγκους οι οποίοι βρίσκονται κοντά σε περιοχές του ανθρωπίνου σώματος που κινούνται, όπως για παράδειγμα τα πνευμόνια. Με την χρήση της επιβεβαιώνεται η θέση του ασθενούς αλλά και του στόχου πριν από κάθε συνεδρία, με αποτέλεσμα να εξασφαλίζεται ότι η επιθυμητή θεραπευτική δόση θα χορηγηθεί στον στόχο με την απαιτούμενη χωρική ακρίβεια. Η IGRT βασίζεται σε απεικονιστικά συστήματα ιοντιζουσών ακτινοβολιών (x-rays), τα οποία είναι προσαρμοσμένα πάνω στον γραμμικό επιταχυντή (On Board Imager, OBI) και αποτελούνται από την γεννήτρια και τον ανιχνευτή ακτινών Χ. Η απεικόνιση μπορεί να είναι δισδιάστατη (2D ακτινογραφία / kv-kv) είτε τρισδιάστατη (υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης Cone Beam Computed Tomography CBCT). Μέσω των ληφθέντων εικόνων kv-kv και CBCT ελέγχεται, με κατάλληλο λογισμικό η θέση θεραπείας του ασθενούς πριν από 18

19 κάθε συνεδρία και διορθώνονται οι αποκλίσεις από την προγραμματισθείσα θέση θεραπείας 1.7 Η διαδικασία της ακτινοθεραπείας Έχει μέχρι στιγμής προηγηθεί η περιγραφή των βασικών μεθόδων και τεχνικών της ακτινοθεραπείας, δίνοντας έμφαση στην ακτινοθεραπεία με εξωτερικές δέσμες, η ανάλυση του πως παράγονται οι κλινικά χρησιμοποιούμενες δέσμες και τελικά θα καταλήξουμε στην περιγραφή του πως λαμβάνει χώρα η διαδικασία της ακτινοθεραπείας. Ο ακτινοθεραπευτής ογκολόγος είναι ο εξειδικευμένος ιατρός ο οποίος θα αποφασίσει εάν η ακτινοθεραπεία κρίνεται ωφέλιμη για τον εκάστοτε ασθενή. Η διαδικασία της σύγχρονης ακτινοθεραπείας με εξωτερικές δέσμες ακτινοβολίας περιλαμβάνει διάφορα στάδια και πραγματοποιείται από θεραπευτική ομάδα η οποία αποτελείται από ειδικούς γιατρούς, φυσικούς ιατρικής και τεχνολόγους. Τα εν λόγω στάδια είναι τα εξής: Αρχικά πραγματοποιείται η τοποθέτηση και η ακινητοποίηση του ασθενούς στον αξονικό τομογράφο. Στο στάδιο αυτό η ακινητοποίηση του ασθενούς που είναι υψίστης σημασίας επιτυγχάνεται με την χρήση διαφόρων μέσων όπως για παράδειγμα μασκών ακινητοποίησης σε περιστατικά ακτινοβόλησης κεφαλής-τραχήλου. Κατόπιν πραγματοποιείται η ογκομετρική CT σάρωση του ασθενούς. Με την βοήθεια της αξονικής τομογραφίας και σημείων αναφοράς που έχουν οριστεί στο σώμα του ασθενούς, λαμβάνονται όλα τα απαραίτητα στοιχεία για τον σχεδιασμό του θεραπευτικού πλάνου. Στην συνέχεια τα απεικονιστικά δεδομένα μεταφέρονται στο σύστημα σχεδιασμού θεραπείας. Με την βοήθεια αυτών των δεδομένων ο ακτινοθεραπευτής ιατρός προσδιορίζει τον Αδρό Καρκινικό Όγκο (GTV, Gross Tumor Volume). Στην συνέχεια ο ιατρός προσδιορίζει τον Κλινικό Όγκο Στόχου (CTV, Clinical Target Volume) ο οποίος είναι ο GTV με ένα περιθώριο ώστε να συμπεριλαμβάνονται οι τοπικές διηθήσεις των καρκινικών κυττάρων. Τέλος ο ιατρός προσδιορίζει το μέγεθος της δόσης που θα δοθεί στον CTV, την διάρκεια της θεραπείας και τα Όργανα Κινδύνου ( OAR, Organs at Risk).. Στο επόμενο βήμα γίνεται η 3D αναπαράσταση της περιοχής ενδιαφέροντος και ακολουθεί ο υπολογισμός κατανομής της δόσης, τόσο στον ίδιο τον όγκο όσο και στους παρακείμενους υγιείς ιστούς, σύμφωνα με το πρωτόκολλο ακτινοβόλησης. Στο στάδιο αυτό επίσης γίνονται οι απαραίτητες διορθώσεις προκειμένου να επιτευχθεί το βέλτιστο θεραπευτικό αποτέλεσμα. 19

20 Στην συνέχεια πραγματοποιείται ο ποιοτικός έλεγχος της θεραπείας. Λόγω της πολυπλοκότητας των σύγχρονων τεχνικών ακτινοθεραπείας και στα πλαίσια του ποιοτικού ελέγχου, για κάθε πλάνο θεραπείας ασθενή, απαιτείται επιβεβαίωση της κατανομής δόσης που υπολογίζει το σύστημα σχεδιασμού θεραπείας, με κάποιο ανεξάρτητο μετρικό σύστημα. Το μετρικό σύστημα μπορεί να είναι είτε ένα ομοιογενές ομοίωμα μέσα στο οποίο έχουν τοποθετηθεί μετρητές (film, δοσίμετρα θερμοφωτάυγειας, θάλαμοι ιονισμού κ.α.) είτε κάποια συσκευή μέτρησης (π.χ. EPID, MapCHECK, Delta 4 κ.α.). Εφόσον ολοκληρωθεί η επιβεβαίωση του πλάνου θεραπείας ακολουθεί η επιβεβαίωση της θέσης του ασθενή πάνω στην ακτινοθεραπευτική κλίνη, ώστε να εξασφαλιστεί η χωρική ακρίβεια της ακτινοβολούμενης περιοχής. Έχοντας ακολουθήσει όλα τα προηγούμενα βήματα, πλέον είναι δυνατή η εκτέλεση της θεραπείας, με την χορήγηση του θεραπευτικού πλάνου ακτινοβόλησης στον εκάστοτε ασθενή Βασικές παράμετροι ακτινοβόλησης με δέσμες φωτονίων Όταν μία δέσμη φωτονίων ακτινοθεραπείας προσπέσει πάνω σε ένα υλικό, για παράδειγμα το νερό το οποίο χρησιμοποιούμε συνήθως σαν υποκατάστατο των ιστών στην δοσιμετρία, εναποθέτει ενέργεια με διαδικασία δύο σταδίων. Στο πρώτο στάδιο μέσω των μηχανισμών αλληλεπίδρασης Compton ή και δίδυμου γέννησης προσφέρει κινητική ενέργεια στα ηλεκτρόνια Comptonή και στα ζεύγη ηλεκτρονίωνποζιτρονίων. Ποσοτικά το στάδιο αυτό προσδιορίζεται από την ποσότητα Kerma. Στο δεύτερο στάδιο τα πρωτογενή αυτά ιοντίζοντα σωματίδια εναποθέτουν στο υλικό την αποκτηθείσα κινητική ενέργεια με την μορφή ιονισμών και ποσοτικά αυτό μετράται με την απορροφηθείσα δόση ή απλώς δόση. Ανάλογα με την ενέργεια των φωτονίων, τα παραγόμενα πρωτογενή ηλεκτρόνια έχουν μία εμβέλεια μέσα στο υλικό. Στα πρώτα στρώματα του υλικού η πυκνότητα αυτών των ηλεκτρονίων είναι μικρή, όμως όσο αυξάνεται το βάθος θα αυξάνεται και αυτή, μέχρι το βάθος όπου η μέση εμβέλεια όπου η μέση ενέργεια των πρωτογενών ηλεκτρονίων θα αποκτά τη μέγιστη τιμή της. Η περιοχή μέχρι τη μέγιστη τιμή ονομάζεται περιοχή επαύξησης. Το σημείο της μέγιστης πυκνότητας των ηλεκτρονίων αποτελεί το σημείο της μέγιστης απορροφούμενης δόσης, ενώ μετά το σημείο αυτό η δόση ελαττώνεται ακολουθώντας τον εκθετικό νόμο απορρόφησης δέσμης φωτονίων και τον νόμο του αντιστρόφου τετραγώνου των αποστάσεων. Παράγοντας εξόδου (FOF) : Είναι η πρώτη βασική παράμετρος και αποδίδει τον ρυθμό δόσης του μηχανήματος σε βάθος d 0 της μέγιστης δόσης μέσα σε ομοίωμα για διάφορες διαστάσεις πεδίων 20

21 ακτινοβολίας. Η μέση τιμή του δίνεται ως ο λόγος προς την τιμή για ένα πεδίο το οποίο λαμβάνεται σαν πεδίο αναφοράς με διαστάσεις συνήθως 10x10 cm. Επί τοις εκατό δόση βάθους (PDD) : Είναι μία από τις από τις βασικότερες παραμέτρους. Η PDD για τα διάφορα σημεία προσδιορίζεται με την βοήθεια ομοιώματος νερού και μικρού θαλάμου ιονισμού μετακινούμενου σε διάφορα βάθη και για διάφορα μεγέθη πεδίων. Τα δεδομένα των μετρήσεων εισάγονται στο σύστημα σχεδιασμού θεραπείας για τον προσδιορισμό του μεγέθους και της κατανομής δόσης. Σχήμα 4: Καμπύλη δόσης-βάθους Το βασικό πλεονέκτημα των φωτονίων υψηλών ενεργειών είναι ότι το μεγαλύτερο ποσοστό της χορηγούμενης δόσης φθάνει σε μεγάλο βάθος και επομένως είναι καταλληλότερα για θεραπεία όγκων σε βάθος. Επιπλέον επειδή η μέγιστη δόση δεν απορροφάται στην επιφάνεια το δέρμα δεν αποτελεί τον κύριο ανασταλτικό παράγοντα για την επίτευξη της επιθυμητής δόσης θεραπείας. Από το παραπάνω σχήμα παρατηρούμε πως η PDD μετά το μέγιστο σημείο δόσης ελαττώνεται λόγω της εκθετικής απορρόφησης και του νόμου του αντιστρόφου τετραγώνου των αποστάσεων. Λόγος Ιστών Αέρος (TAR) : Έστω δέσμη η οποία προσπίπτει κάθετα σε ομοίωμα ιστών. Η απόσταση μεταξύ πηγής και επιφάνειας είναι η SSD(απόσταση πηγής-δέρματος). Έστω και ένα σημείο 21

22 βάθους dαπό την επιφάνεια. Στο βάθος αυτό το πεδίο της δέσμης έχει επιφάνεια Α d. Σαν λόγος ιστών αέρος στο σημείο ορίζεται ο λόγοςtttttt(dd, AA dd ) = 100 DD dd DD aa. 1.8 Κατανομή δόσης-βάθους φωτονίων Τα φωτόνια αλληλεπιδρούν με την ύλη, παράγοντας ηλεκτρόνια ίσης ή μικρότερης ενέργειας, κυρίως μέσω των παρακάτω φαινομένων: Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο Φαινόμενο Compton Δίδυμη γένεση Σκέδαση Rayleigh Ο τρόπος με τον οποίο θα αλληλεπιδράσει ένα φωτόνιο με την ύλη εξαρτάται από την ενέργεια του. Μία δέσμη φωτονίων ωστόσο αλληλεπιδρά με όλους τους τρόπους με την ύλη και το φαινόμενο με την μεγαλύτερη πιθανότητα είναι το κυρίαρχο στην συγκεκριμένη περίπτωση. Στην περίπτωση της ακτινοθεραπείας με φωτόνια η δέσμη φωτονίων εισέρχεται στον ασθενή και εναποθέτει ενέργεια μέσω μίας διαδικασίας δύο σταδίων. Στο πρώτο στάδιο έχουμε την παραγωγή ηλεκτρονίων στα πρώτα στρώματα και διαδοχικά και στα επόμενα στρώματα της ύλης, μέσω των μηχανισμών αλληλεπίδρασης των φωτονίων με την ύλη, τους οποίους αναφέρουμε παραπάνω. Στο δεύτερο στάδιο τα παραγόμενα αυτά ηλεκτρόνια εναποθέτουν την ενέργεια τους με την μορφή ιονισμών συνεισφέροντας έτσι στην απορροφούμενη δόση. Είναι μεγάλης σημασίας ο ακριβής καθορισμός της κατανομής δόσης που θα χορηγηθεί σε έναν ασθενή. Έχουμε ήδη αναφέρει πως βασικός σκοπός της ακτινοθεραπείας είναι η εναπόθεση της μέγιστης δυνατής δόσης στην περιοχή του όγκου στόχου, προστατεύοντας ταυτόχρονα τους γειτονικούς υγιείς ιστούς και όργανα και ειδικότερα όσους είναι ιδιαίτερα ευαίσθητοι στην ακτινοβολία. Καθώς λοιπόν η δέσμη των ακτινών προσπίπτει πάνω στον ασθενή η απορροφούμενη δόση μεταβάλλεται με το βάθος. Η μεταβολή αυτή της δόσης με το βάθος καθορίζεται από τις % καμπύλες δόσης βάθους. Παρακάτω παραθέτουμε τις καμπύλες δόσης βάθους για δέσμες φωτονίων και δέσμες ηλεκτρονίων, για διάφορες κλινικά χρησιμοποιούμενες ενέργειες. 22

23 Σχήμα 5: Καμπύλες δόσεις- βάθους φωτονίων και ηλεκτρονίων Όπως φαίνεται από τις παραπάνω καμπύλες το βάθος εμφάνισης της μέγιστης δόσης της εκάστοτε ακτινοβολίας είναι σημαντικός δείκτης για την λήψη της βέλτιστης απόφασης για τον κάθε ασθενή. Βλέπουμε πως τα φωτόνια εναποθέτουν την μέγιστη δόση τους σε ένα σχετικά μεγάλο βάθος, που εξαρτάται φυσικά και από την ενέργεια της δέσμης. Αντίθετα τα ηλεκτρόνια εναποθέτουν την μέγιστη δόση τους πολύ κοντά στην επιφάνεια. Καταλαβαίνουμε πως οι δέσμες φωτονίων είναι κλινικά χρήσιμες για όγκους που βρίσκονται σε κάποιο βάθος μέσα στο σώμα του ασθενούς, ενώ οι δέσμες φωτονίων χρησιμοποιούνται κυρίως για επιφανειακούς όγκους. 23

24 Κεφάλαιο 2: Κλινική Δοσιμετρία 2.1 Βιολογική επίδραση ιοντίζουσας ακτινοβολίας Ονομάζουμε ιοντίζουσα την ακτινοβολία που φέρει αρκετή ενέργεια ώστε να προκαλέσει ιονισμό σε ένα άτομο. Σε αυτήν την κατηγορία ανήκει και η ακτινοβολία που παράγεται από έναν γραμμικό επιταχυντή και χρησιμοποιείται για ακτινοθεραπευτικούς σκοπούς. Όταν λοιπόν μία δέσμη ακτινοβολίας εξέλθει από το παράθυρο του γραμμικού επιταχυντή και κατευθυνθεί προς τον εκάστοτε ασθενή, τότε έχουμε αλληλεπίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας με την ύλη από την οποία αποτελείται το ανθρώπινο σώμα. Η αλληλεπίδραση αυτή οδηγεί σε απορρόφηση ενέργειας μέσω ιονισμών και διεγέρσεων ατόμων και μορίων. Από ποσοτική άποψη η ενέργεια που απορροφάται και εκδηλώνεται τελικά με μορφή θερμότητας είναι σχετικά μικρή και εντελώς ακίνδυνη βιολογικά. Από ποιοτική άποψη όμως το ποσοστό ενέργειας που θα απορροφηθεί μέσω ιονισμών μπορεί να προκαλέσει πληθώρα χημικών μεταβολών. Γενικότερα η επίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας χωρίζεται σε 2 κατηγορίες, στην άμεση και την έμμεση επίδραση. Η άμεση επίδραση ουσιαστικά αφορά την επίδραση της ιοντίζουσας ακτινοβολίας με άτομα σημαντικών οργανικών πολυμερών μορίων του κυττάρου, όπως για παράδειγμα το DNA, και την θραύση χημικών δεσμών. Η έμμεση επίδραση από την άλλη μεριά αφορά την πρόκληση βιολογικών βλαβών λόγω της χημικής αντίδρασης σημαντικών οργανικών μορίων του κυττάρου με δραστικές ελεύθερες ρίζες που σχηματίζονται κατά την ραδιόλυση του νερού, την αλληλεπίδραση δηλαδή της ακτινοβολίας με τα άτομα των μορίων του νερού που αφθονεί στα βιολογικά συστήματα. Είναι συνεπώς εύκολο να καταλάβουμε πως και για έναν άνθρωπο η έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία, αν δεν λάβει χώρα με την απαραίτητη προσοχή, μπορεί να προκαλέσει πολύ πλήθος δυσμενών αποτελεσμάτων που γενικά μπορούμε να χωρίσουμε σε δύο κατηγορίες: Καθορισμένα αποτελέσματα, που είναι κλινικά αποτελέσματα, ανιχνεύσιμα μετά την έκθεση σε μεγάλης δόσης ακτινοβολία, ενίοτε πολύ σοβαρά Στοχαστικά αποτελέσματα, στα οποία ανήκουν η λευχαιμία, ο καρκίνος και οι κληρονομήσιμες βλάβες. Για όλους αυτούς τους λόγος κρίνεται απαραίτητη η ύπαρξη ενός επιστημονικού κλάδου αντικείμενου του οποίου θα αποτελεί η μέτρηση του ποσού της ακτινοβολίας που λαμβάνει ένα πρόσωπο ενδιαφέροντος (είτε αυτό είναι ένας ασθενής, είτε κάποιο μέλος του νοσοκομειακού προσωπικού). Γνωρίζοντας ακριβώς το ποσό αυτό είμαστε σε θέση να διαπιστώσουμε εάν τηρούνται οι βασικές αρχές της ακτινοπροστασίας όπως αυτές ορίζονται από τους αρμόδιους φορείς. 24

25 2.2 Ο κλάδος της δοσιμετρίας Δοσιμετρία είναι ο επιστημονικός κλάδος αντικείμενο μελέτης του οποίου αποτελεί ο προσδιορισμός του μεταφερομένου ποσού ενέργειας και η κατανομή της απορριφθείσας ενέργειας εντός ενός ακτινοβολούμενου υλικού. Η μελέτη της κρίνεται απαραίτητη όχι μόνο για ιατρικές τεχνικές, αλλά και για κάθε πρακτική, όπου η έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία προκαλεί χημικές και βιοχημικές αλλαγές στο εκτιθέμενο υλικό. Ιστορικά οι ποσότητες που χρησιμοποιήθηκαν για την μέτρηση της ποσότητας της ακτινοβολίας είχαν βασιστεί σε έναν μεγάλο αριθμό ιονισμών, σε μία καθορισμένη περίπτωση ή σε μία σχετικά μεγάλη ποσότητα αποτιθέμενες ενέργειας, σε καθορισμένη μάζα ύλης. Οι προσεγγίσεις αυτές παρόλο που παράβλεπαν την ασυνεχή φύση της διαδικασίας του ιονισμού, επαληθεύτηκαν εμπειρικά από την παρατήρηση ότι οι ποσότητες που μετριούνται συσχετίζονται καλά με τα βιολογικά φαινόμενα που προκαλούνται. Οι μελλοντικές εξελίξεις ωστόσο έδειξαν πως είναι προτιμότερο να χρησιμοποιούνται άλλες ποσότητες μέτρησης της ακτινοβολίας οι οποίες θα βασίζονται στην στατιστική κατανομή των γεγονότων σε ένα μικρό στόχο ύλης, αντίστοιχων διαστάσεων των βιολογικών ολοτήτων. Οι βασικές αρχές, οι μονάδες και οι όροι της δοσιμετρίας καθώς και τα βασικά δοσιμετρικά μεγέθη, που θα δούμε παρακάτω, τέθηκαν από διεθνής οργανισμούς όπως ο ICRUM (International Commission on Radiation Units and Measurements) και ο ICRP (International Commission on Radiological Protection). Η δοσιμέτρηση είναι απαραίτητη και υποχρεωτική για όλους τους επαγγελματίες οι οποίοι εκτίθενται σε ιοντίζουσα ακτινοβολία. Σαν σκοπό της έχει τόσο τον κατά τον δυνατόν μεγαλύτερο περιορισμού της έκθεσης του προσωπικού στην ακτινοβολία, την παρακολούθηση και την διασφάλιση της σωστής λειτουργίας των συστημάτων ακτινοπροστασίας, αλλά και την βελτίωση των πρακτικών που εφαρμόζονται. 2.3 Βασικά δοσιμετρικά μεγέθη Απορροφούμενη Δόση Επί της ουσίας η δοσιμετρία μελετά τα βιολογικά αποτελέσματα που έχει η έκθεση σε ιοντίζουσα ακτινοβολία. Η μελέτη όμως αυτή διαφέρει από την μελέτη των φυσικών μεγεθών με τα οποία είμαστε εξοικειωμένοι ως φυσικοί (για παράδειγμα την ενέργεια), γιατί απαιτεί συσχέτιση μεγέθους-αποτελέσματος. Επομένως τα κλασικά φυσικά μεγέθη δεν επαρκούν και είναι αναγκαία η εισαγωγή νέων. Ένα από αυτά τα μεγέθη είναι η απορροφούμενη δόση η οποία ορίζεται ως εξής: DD = EE mm 25

26 όπου Ε η ποσότητα ενέργειας που απορροφάται από το υλικό και mη μάζα του. Άρα η δόση εκφράζει το ποσό ενέργειας που απορροφάται ανά μονάδα μάζας. Μονάδα μέτρησης της απορροφούμενης δόσης είναι στο S.I. είναι το Gray (Gy) και ορίζεται ως η απορρόφηση ενέργειας 1 Jouleανά kgακτινοβολούμενου υλικού. Παλιότερα μονάδα μέτρησης της αποτελούσε το rad (r, radiation absorbed dose) που εκφράζει την απορρόφηση ενέργειας 100 ergανά gακτινοβολούμενου υλικού. Οι μονάδες μέτρησης αυτές μπορούν να χρησιμοποιηθούν τόσο για ακτινοβολίες Χ και γ όσο και για σωματιδιακές ακτινοβολίες. Η απορροφούμενη δόση ορίζεται με την προϋπόθεση ότι είναι δυνατόν να προσδιοριστεί σε ένα ορισμένο σημείο αλλά η εν γένει χρήση της είναι ως η μέση δόση σε έναν ιστό ή σε ένα όργανο Ισοδύναμη δόση Έχει βρεθεί ότι η ίδια δόση ακτινοβολίας και στο ίδιο βιολογικό υλικό είναι πιθανό να προκαλέσει διαφορετικά βιολογικά αποτελέσματα. Το γεγονός αυτό μας οδηγεί στο συμπέρασμα ότι το αν θα προκληθούν ή όχι βιολογικά αποτελέσματα εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, ένας εκ των οποίων και η ποιότητα ακτινοβολίας. Για το λόγο αυτό εισήχθη ως βιολογική μονάδα δοσιμετρίας η ισοδύναμη δόση. Η ισοδύναμη δόση εκφράζει την απορροφούμενη δόση σε έναν ιστό ή όργανο σταθμισμένη όμως για το είδος και την ποιότητα της ακτινοβολίας. Αριθμητικά δίνεται από την σχέση: HH TT = DD WW RR όπου Dη δόση που απορροφάται στον ιστό ή στο όργανο και WW RR ο παράγοντας ποιότητας της ακτινοβολίας. Μονάδα μέτρησης της ισοδύναμης δόσης αποτελεί το Sievert (Sv), η οποία όμως σαν μονάδα είναι αρκετά μεγάλη και γι αυτό συχνά χρησιμοποιούνται τα υποπολλαπλάσια της. Ακόμη θα πρέπει να αναφέρουμε πως ο παράγοντας ποιότητας εξαρτάται από το είδος της ακτινοβολίας. Παρακάτω στον πίνακα που ακολουθεί δίνεται ο παράγοντας βάρους για διάφορα είδη ακτινοβολίας: 26

27 Τύπος ακτινοβολίας και ενέργεια Παράγοντας ποιότητας ακτινοβολίας Φωτόνια όλων των ενεργειών 1 Ηλεκτρόνια, μιόνια όλων των ενεργειών 2 Νετρόνια 5-2 Πρωτόνια εκτός των ανακρουόμενων 5 πρωτονίων ενέργειας >2 ΜeV Σωμάτια άλφα, θραύσματα σχάσης, 20 βαρείς πυρήνες Ενεργός δόση Έχει βρεθεί ότι η σχέση ανάμεσα στην πιθανότητα πρόκλησης στοχαστικών αποτελεσμάτων και ισοδύναμης δόσης ποικίλει ανάλογα με το όργανο ή τον ιστό που έχει ακτινοβοληθεί. Έτσι ορίστηκε ο παράγοντας βάρους ιστού, κατά αναλογία με τον παράγοντα ποιότητας της ακτινοβολίας. Προκύπτει ότι η ενεργός δόση δίνεται από το άθροισμα: ΕΕ eeeeee = WW TT HH TT όπου ΗΗ ΤΤ η ισοδύναμη δόση σε ένα ιστό ή ένα όργανο καιww TT ο παράγοντας βάρους οργάνου ή ιστού. Στον παρακάτω πίνακα δίνονται οι τιμές του παράγοντας βάρους οργάνου για διάφορα όργανα ή ιστούς. Αξίζει να σημειώσουμε πως οι τιμές αυτές είναι ανεξάρτητες από τον τύπο ή την ενέργεια της ακτινοβολίας. Ιστοί ή όργανα Παράγοντας βάρους οργάνου ή ιστού Μυελός οστών 0,12 Σπονδυλική στήλη 0,12 Πνεύμονες 0,12 Στομάχι 0,12 Κύστη, Νεφρά, Συκώτι 0,05 Δέρμα, Επιφάνεια οστών 0,01 Διάφορα άλλα 0, Απόλυτη Δοσιμετρία Για τις ανάγκες της δοσιμετρίας απαιτείται χρήση ειδικών οργάνων τα οποία λέγονται δοσίμετρα. Δοσίμετρο καλείται κάθε μετρικό σύστημα το οποίο είναι ικανό να παρέχει μία ένδειξη η οποία είναι ανάλογη της δόσης που εναποτίθεται σε έναν ευαίσθητο όγκο. Γενικά διακρίνουμε δύο κατηγορίες δοσιμέτρων, τα πρωτογενή και τα δευτερογενή και κατ επέκταση τις πρωτογενής και δευτερογενής μεθόδους μέτρησης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας: Πρωτογενής ή απόλυτες ή άμεσες μέθοδοι μέτρησης ονομάζονται εκείνες που περιλαμβάνουν τον άμεσο προσδιορισμό της δόσης έκθεσης και της 27

28 απορροφούμενης δόσης με φυσικές μετρήσεις, για παράδειγμα θερμοκρασία, ηλεκτρικό ρεύμα, φορτίο και τα λοιπά, χρησιμοποιώντας πρωτογενή δοσίμετρα. Δευτερογενής ή έμμεσες μέθοδοι μέτρησης της ιοντίζουσας ακτινοβολίας ονομάζονται εκείνες που χρησιμοποιούν δευτερογενή δοσίμετρα, των οποίων η απόκριση στην ακτινοβολία γίνεται σε σύγκριση με ένα πρωτογενές δοσίμετρο. Το είδος της δοσιμετρίας το οποίο αποτελεί αντικείμενο της παρούσας εργασίας, αλλά και μία ύψιστης σημασίας διαδικασία που πραγματώνεται σε ένα χώρο όπου γίνεται χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας (για ιατρική χρήση), είναι η απόλυτη δοσιμετρία. Η απόλυτη δοσιμετρία είναι η μέτρηση της απορροφούμενης δόσης σε συνθήκες αναφοράς με ένα βαθμονομημένο δοσίμετρο. Πρόκειται επί της ουσίας για ένα δοσιμετρικό έλεγχο που πραγματοποιείται τακτικά στο τμήμα ακτινοθεραπείας ενός Νοσοκομείο. Εφόσον γίνεται χρήση ιοντίζουσας ακτινοβολίας, κάθε νοσοκομείο έχει την υποχρέωση να πραγματοποιεί αυτόν τον έλεγχο για να διαπιστώνεται η σωστή χρήση του νοσοκομειακού εξοπλισμού, τον γραμμικών επιταχυντών δηλαδή, που είναι αυτοί που χρησιμοποιούνται ως επί το πλείστων για ακτινοθεραπευτικούς σκοπούς. Η IAEA (International Atomic Energy Agency) έχει θεσπίσει το πρωτόκολλο TRS- 398 το οποίο αναφέρεται στον τρόπο υπολογισμού της δόσης στην ακτινοθεραπεία για δέσμες: Κοβαλτίου 60 Φωτονίων γραμμικών επιταχυντών ενέργειας 1 έως 50 MeV Ηλεκτρονίων ενέργειας 3 έως 50 MeV Φωτονίων χαμηλής ενέργειας από λυχνίες Χ υψηλής τάσης έως 100 kv Φωτονίων μέσης ενέργειας από λυχνίες Χ υψηλής τάσης άνω των 80 kv Πρωτονίων ενέργειας από 50 έως 250 MeV Βαρέων φορτισμένων σωματιδίων Το πρωτόκολλο υποδεικνύει μεθοδολογία για τον προσδιορισμό δόσης στο νερό για κάθε μία από τις παραπάνω δέσμες σε συγκεκριμένες συνθήκες αναφοράς. Στα πλαίσια αυτής της εργασίας θα κάνουμε λόγο μόνο για την απόλυτη δοσιμετρία για δέσμες φωτονίων γραμμικών επιταχυντών. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί αυτός ο έλεγχος απαιτείται μία συγκεκριμένη μεθοδολογία και ο απαραίτητος εξοπλισμός, για τα οποία θα γίνει λόγος παρακάτω. 28

29 Κεφάλαιο 3: Πειραματικό μέρος Στα πλαίσια αυτής της εργασίας έλαβαν χώρα δύο πειραματικές διαδικασίες που είχαν σαν σκοπό η μεν πρώτη την πραγματοποίηση της απόλυτης δοσιμετρίας για δέσμες φωτονίων υψηλών ενεργειών των δύο γραμμικών επιταχυντών του Γενικού Νοσοκομείου Παπαγεωργίου, η δε δεύτερη τον έλεγχο της σταθερότητας της παροχής των γραμμικών επιταχυντών. Στο κεφάλαιο αυτό σκοπός μας είναι να παρουσιάσουμε αυτές τις πειραματικές διαδικασίες. Παρακάτω δίνεται ο απαραίτητος εξοπλισμός και η μεθοδολογία που ακολουθήθηκε και για τα δύο πειράματα. Αυτές οι διαδικασίες πραγματοποιήθηκαν για τον γραμμικό επιταχυντή 2100 C του οίκου Varian για ενέργειες 6 και 16 MV και για τον γραμμικό επιταχυντή DHX του οίκου Varian για ενέργειες 6 και 18 MV. 3.1 Απαραίτητος εξοπλισμός Ο απαραίτητος εξοπλισμός για την διεξαγωγή των πειραματικών μας μετρήσεων αποτελείται από τα εξής: Θάλαμοι ιονισμού και προφυλακτικά υδατοστεγή καλύμματα θαλάμου Ηλεκτρόμετρο Ομοίωμα νερού Ομοίωμα pmma Θερμόμετρο Πιεσόμετρο Φορητό ηλεκτρονικό υπολογιστή που φέρει το αντίστοιχο λογισμικό του Blue 2 water phantom Θάλαμος ιονισμού Ένας θάλαμος ιονισμού είναι ο απλούστερος ανιχνευτής που μπορεί να χρησιμοποιηθεί προκειμένου να ανιχνευθεί ή να μετρηθεί η ιοντίζουσα ακτινοβολία. Ο θάλαμος ιονισμού είναι ένα όργανο που μετρά των αριθμό των ιόντων που παράγονται από την ακτινοβολία Χ μέσα σε ένα υλικό, το οποίο μπορεί να είναι αέριο, στερεό ή υγρό. 29

30 Εικόνα 5: Κυλινδρικός θάλαμος ιονισμού Scdsx-Wellhofer FC65-G Ο θάλαμος ιονισμού συνήθως φέρει δύο ηλεκτρόδια, την άνοδο και την κάθοδο, μεταξύ των οποίων βρίσκεται ένα περίβλημα το οποίο είναι γεμισμένο με αέριο. Τα ηλεκτρόδια μπορεί να έχουν την μορφή παράλληλων πλακών ή ομοαξονικών κυλίνδρων. Όταν η ιοντίζουσα ακτινοβολία διέρχεται από τον θάλαμο ιονισμού τότε το αέριο που βρίσκεται μέσα σε αυτόν υφίσταται ιονισμό με αποτέλεσμα τα ιόντα και τα ηλεκτρόνια να κινούνται προς τα ηλεκτρόδια με αντίθετη πόλωση, δημιουργώντας έτσι ένα ρεύμα ιονισμού που μπορεί να μετρηθεί με ένα ηλεκτρόμετρο. Κάθε ιόν προσθέτει ή αφαιρεί ένα μικρό ηλεκτρικό φορτίο, σε ή από ένα ηλεκτρόδιο αντίστοιχα, έτσι ώστε το συσσωρευμένο φορτίο να είναι ανάλογο με τον αριθμό ιόντων που μετακινήθηκαν. Οι θάλαμοι ιονισμού οι οποίοι χρησιμοποιούνται για της απόλυτη δοσιμετρία είναι απαραίτητο να είναι να είναι βαθμονομημένοι σε πρότυπα εργαστήρια βαθμονόμησης PSDL ( Primary Standard Dosimetry Laboratory) ή SSDL (Secondary Standard Dosimetry Laboratory). Συνήθως η βαθμονόμηση γίνεται σε SSDLμε χρήση δέσμης CCCC 60, για την οποία είναι γνωστή η δόση στο νερό, σε βάθος 5 gg cccc 2 σε ομοίωμα νερού. Ο θάλαμος τοποθετείται με το σημείο αναφοράς του στο βάθος των 5 gg cccc 2 και ο συντελεστής βαθμονόμησης δόσης στο νερό είναι του θαλάμου ΝΝ DD,ww = DD ww όπου Μ είναι η ένδειξη του δοσιμέτρου διορθωμένη για παράγοντες που την MM επηρεάζουν, όπως η πολικότητα της υψηλής τάσης και η επανασύνδεση φορέων. Οι συνιστώμενες συνθήκες βαθμονόμησης αναγράφονται στον παρακάτω πίνακα. 30

31 Συνιστώμενες Συνθήκες Βαθμονόμησης Υλικό ομοιώματος Νερό Διαστάσεις ομοιώματος 30*30*30 cccc 3 Απόσταση πηγής- θαλάμου (SCD) 100 cm Θερμοκρασία αέρα 20 oo CC Πίεση 101.3kPa Σημείο αναφοράς στον θάλαμο Γεωμετρικό κέντρο του θαλάμου Βαθμός μέτρησης 5 gg cccc 2 Διαστάσεις πεδίου στο βάθος 10*10 cccc 2 μέτρησης Σχετική υγρασία 50% Ηλεκτρόμετρο Το ηλεκτρόμετρο το οποίο χρησιμοποιείται στην απόλυτη δοσιμετρία και είναι συνδεδεμένο με τον θάλαμο ιονισμού, θα πρέπει να παρέχει την δυνατότητα μεταβολής της τιμής αλλά και της πολικότητας της τάσης με την οποία τροφοδοτείται ο θάλαμος. Συνιστάται να έχει ψηφιακές ενδείξεις με ακρίβεια τουλάχιστον τεσσάρων δεκαδικών ψηφίων, ενώ η μακροπρόθεσμη σταθερότητα του θα πρέπει να είναι καλύτερη από 0,5% ανά έτος. Εικόνα 6: Ηλεκτρόμετρο PTW Unidos Webline 31

32 Ομοίωμα νερού (water phantom)- Προφυλακτικό κάλυμμα θαλάμου Για την απόλυτη δοσιμετρία δέσμης φωτονίων υψηλής ενέργειας συνιστάται η χρήση η χρήση υδάτινου ομοιώματος (water phantom). Τα τοιχώματα του ομοιώματος θα πρέπει να είναι πλαστικά (PMMA ή πολυστυρένιο) και θα πρέπει να έχει πάχος 0,2 έως 0,5 cm. Οι διαστάσεις του ομοιώματος πρέπει να είναι τέτοιες ώστε τα τοιχώματα να απέχουν τουλάχιστον 5 cm από κάθε πλευρά του πεδίου ακτινοβολίας στο βάθος μέτρησης και η βάση του να απέχει τουλάχιστον 5 gg cccc 2 από το μέγιστο βάθος μέτρησης. Σχήμα 6: Ελάχιστες διαστάσεις ομοιώματος Σε περιπτώσεις που η δέσμη των φωτονίων είναι οριζόντια, θα πρέπει κατά την επιλογή του βάθους τοποθέτησης του θαλάμου να λαμβάνεται υπόψη το ισοδύναμο πάχος νερού του τοιχώματος του ομοιώματος, το οποίο δίνεται από το γινόμενο dd pp pph όπου d το πάχος του τοιχώματος και pp pph η πυκνότητα του υλικού. Σχήμα 7: Υπολογισμός ισοδύναμου βάθους οριζόντια δέσμη 32

33 Αν ο θάλαμος δεν είναι αδιάβροχος, για την στεγανοποίηση του χρησιμοποιείται ειδικό προφυλακτικό κάλυμμα το οποίο θα πρέπει να είναι από ΡΜΜΑ με πάχος όχι μεγαλύτερο από 1 mm. Μεταξύ των τοιχωμάτων του θαλάμου και του καλύμματος θα πρέπει να υπάρχει κενό μεταξύ 0.1 mmκαι 0.3 mm. Κατά την διεξαγωγή των μετρήσεων συνίσταται να χρησιμοποιείται το ίδιο κάλυμμα που χρησιμοποιήθηκε και για την βαθμονόμηση του θαλάμου. Αν αυτό δεν είναι εφικτό θα πρέπει να χρησιμοποιείται κάλυμμα ίδιου υλικού και παραπλήσιου πάχους. Εικόνα 8: Ομοίωμα νερού Blue Phantom 2, του οίκου Iba Ομοίωμα pmma (pmma phantom) Το pmma (πολυμεθακρυλικό μεθύλιο, poly-methyl methacrylate) είναι επίσης γνωστό με τους όρους plexiglas,lucite και perspex. Πρόκειται για ένα διαφανές θερμοπλαστικό το οποίο χρησιμοποιείται για σκοπούς δοσιμετρίας και μάλιστα προσφέρει αποτελέσματα σε πολύ καλή συμφωνία με το ομοίωμα νερού. Φυσικά το ομοίωμα pmma πρέπει να φέρει κατάλληλο άνοιγμα ώστε να μπορούμε να τοποθετήσουμε το ομοίωμα νερού μέσα σε αυτό. 33

34 Εικόνα 9: Ομοίωμα pmma 3.2 Μεθοδολογία για την πραγματοποίηση της πειραματικής διαδικασίας Απόλυτη δοσιμετρία Αρχικά θα περιγράψουμε την πειραματική διαδικασία που έλαβε χώρα με σκοπό την διεξαγωγή της απόλυτης δοσιμετρίας. Πρώτο μας βήμα είναι να τοποθετήσουμε το θερμόμετρο και το πιεσόμετρο που θα χρησιμοποιήσουμε κατά την διάρκεια της απόλυτης δοσιμετρίας, για αρκετή ώρα στον χώρο όπου θα πραγματοποιηθούν οι μετρήσεις ώστε να έχουμε όσο το δυνατόν ακριβέστερο προσδιορισμό της θερμοκρασίας και της πίεσης. Το ομοίωμα ύδατος γεμίζει με νερό το οποίο θα πρέπει να είναι απιονισμένο. Στη συνέχεια ο θάλαμος ιονισμού, ο οποίος είναι συνδεδεμένος με το ηλεκτρόμετρο, τοποθετείται στο ομοίωμα στο κατάλληλο βάθος και ξεκινά η διαδικασία της ακτινοβόλησης. Η ιοντίζουσα ακτινοβολία του γραμμικού επιταχυντή όταν προσπέσει πάνω στον θάλαμο ιονισμού θα προκαλέσει ιονισμό στο αέριο που βρίσκεται μέσα του, οδηγώντας έτσι στην δημιουργία ενός ρεύματος ιονισμού το οποίο μετράται μέσω του ηλεκτρόμετρου. Καταγράφουμε τις ενδείξεις που εμφανίζονται στην οθόνη του ηλεκτρόμετρου για κάθε ενέργεια ακτινοβόλησης. Εφόσον έχει ολοκληρωθεί η βασική αυτή διαδικασία της υλοποίησης της διάταξης στην συνέχεια ακολουθούμε τα βήματα του πρωτοκόλλου TRS 398 της IAEA για την απόλυτη δοσιμετρία ώστε να καταλήξουμε στα επιθυμητά αποτελέσματα. 34