Ανάπτυξη διαδικασιών και μεθόδων για τη ραδιοβιολογική μελέτη και τον ποιοτικό έλεγχο σύγχρονων τεχνικών ακτινοθεραπείας
Authors: Ζώρος Εμμανουήλ 
Published: September 2021

Οι τεχνολογικές εξελίξεις στους τομείς της ιατρικής απεικόνισης και της ακτινοθεραπευτικής ογκολογίας έχουν ανοίξει το δρόμο για την όλο και πιο συχνή εφαρμογή τεχνικών Στερεοτακτικής Ακτινοχειρουργικής (Stereotactic Radiosurgery – SRS). Αν και η κλινική αποτελεσματικότητα των εφαρμογών SRS είναι αποδεδειγμένη σε σχέση με τις συμβατικές τεχνικές ακτινοθεραπείας, η δοσιμετρική και γεωμετρική τους ακρίβεια καθώς και οι μηχανισμοί βιολογικής απόκρισης είναι κρίσιμοι παράγοντες για τόσο για την αποδοτική όσο και την ασφαλή χορήγηση της θεραπείας. Συνεπώς, οι διαδικασίες ποιοτικών ελέγχων και ραδιοβιολογικών υπολογισμών σε SRS θεραπείες παίζουν σημαντικό ρόλο στο κλινικό αποτέλεσμα. Ωστόσο, οι δοσιμετρικοί υπολογισμοί σε πεδία ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές SRS εμπεριέχουν μεγάλες αβεβαιότητες λόγω του μικρού μέγεθος των πεδίων. Επιπλέον, τα συνολικά χωρικά σφάλματα μιας εφαρμογής θα πρέπει να αξιολογούνται ενδελεχώς διότι μπορεί να πηγάζουν από οποιοδήποτε στάδιο της θεραπείας. Ενώ, η ραδιοβιολογική αποτελεσματικότητα της συνταγογραφούμενης δόσης εξαρτάται τόσο από το εύρος τιμών δόσεων όσο και από τους χρονικούς παράγοντες της θεραπείας, όπως ο ρυθμός δόσης και ο συνολικός χρόνος θεραπείας. Στο πρώτο μέρος της παρούσας εργασίας, παρατίθεται το θεωρητικό υπόβαθρο των εφαρμογών SRS με έμφαση στις δοσιμετρικές και ραδιοβιολογικές αρχές. Το δεύτερο μέρος περιλαμβάνει μελέτες που σχετίζονται με τις διαδικασίες ποιοτικών ελέγχων σε συστήματα SRS. Αρχικά, προσδιορίστηκαν υπολογιστικά οι διορθωτικοί παράγοντες που απαιτούνται στις μετρήσεις απόλυτης και σχετικής δοσιμετρίας των μικρών πεδίων του συστήματος SRS Gamma Knife (GK) μέσω προσομοιώσεων Monte Carlo (MC). Για το σκοπό αυτό, χρησιμοποιήθηκε ένα αναλυτικό MC μοντέλο του GK Perfexion και υπολογίστηκαν οι διορθωτικοί παράγοντες "k" _("Q" _"msr" "," "Q" _"0" )^("f" _"msr" "," "f" _"ref" ) και "k" _("Q" _"clin" "," "Q" _"msr" )^("f" _"clin" "," "f" _"msr" ) για ένα εύρος θαλάμων ιονισμού και δοσιμετρικών διόδων, ενός ανιχνευτή διαμαντιού και δύο σημειακών ανιχνευτών έμμεσης ανάγνωσης. Οι προσομοιώσεις MC πραγματοποιήθηκαν για τα πλαστικά ομοιώματα Solid Water (SW) και Acrylonitrile Butadiene Styrene (ABS), καθώς και για ομοίωμα νερού ίδιας γεωμετρίας. Οι δοσιμετρικές επιπτώσεις από την παρουσία μικρών διάκενων αέρα μεταξύ του ανιχνευτή και του προσαρμογέα στο ομοίωμα αξιολογήθηκαν με επιπλέον προσομοιώσεις MC για ένα εύρος ενδεικτικών ανιχνευτών. Οι τιμές "k" _("Q" _"msr" "," "Q" _"0" )^("f" _"msr" "," "f" _"ref" ) για τους ανιχνευτές έμμεσης ανάγνωσης και την συντριπτική πλειοψηφία των θαλάμων ιονισμού σε ομοίωμα νερού βρέθηκαν κοντά στη μονάδα. Οι θάλαμοι ιονισμού με μεγαλύτερους ενεργούς όγκους και κεντρικά ηλεκτρόδια από ατσάλι βρέθηκε ότι σχετίζονται με μεγαλύτερες διορθώσεις, μέχρι και 6%. Τα χρησιμοποιούμενα πλαστικά ομοιώματα επηρεάζουν τις μετρήσεις απόλυτης δοσιμετρίας σε σχέση με το ομοίωμα νερού κατά 0.6% και 2.4% για το SW και ABS, αντίστοιχα. Οι προσομοιώσεις MC έδειξαν ότι οι διορθωτικοί παράγοντες "k" _("Q" _"clin" "," "Q" _"msr" )^("f" _"clin" "," "f" _"msr" ) για τις δοσιμετρικές διόδους και τον ανιχνευτή διαμαντιού είναι μικρότεροι από τη μονάδα κυρίως λόγω της υψηλής φυσικής πυκνότητας του ενεργού τους όγκου καθώς και των παρελκόμενων υλικών του κάθε ανιχνευτή. Αντιθέτως, οι παράγοντες "k" _("Q" _"clin" "," "Q" _"msr" )^("f" _"clin" "," "f" _"msr" ) για τους θαλάμους ιονισμού βρέθηκαν μεγαλύτεροι από τη μονάδα, υποδεικνύοντας υποεκτίμηση στη μετρούμενη δόση που εξαρτάται από το μέγεθος του πεδίου (μεγαλύτερη για το πεδίο των 4 mm) και το συνδυασμό ανταγωνιστικών φαινομένων που σχετίζονται με τα γεωμετρικά χαρακτηριστικά και τον προσανατολισμό των θαλάμων, καθώς και διαταραχές στην ενεργειακή ροή των ηλεκτρονίων. Η παρουσία ενός διάκενου αέρα με πάχος 0.5 mm στο μπροστινό τμήμα των δοσιμετρικών διόδων μπορεί να επηρεάσει σημαντικά τις μετρήσεις παραγόντων παροχής (Output Factors – OFs), μέχρι 4.6% για τη δίοδο Razor. Στη συνέχεια, προσδιορίστηκαν πειραματικά οι διορθωτικοί παράγοντες για ένα σύνολο θαλάμων ιονισμού κατάλληλοι για μετρήσεις απόλυτης δοσιμετρίας στο GK και οι αντίστοιχοι παράγοντες σχετικής δοσιμετρίας για 2 θαλάμους και 4 διόδους. Σκοπός της μελέτης αυτής είναι η ανάπτυξη πειραματικών μεθόδων δοσιμετρίας στο GK και η επαλήθευση των διορθωτικών παραγόντων που προσδιορίστηκαν μέσω των προσομοιώσεων MC. Οι παράγοντες "k" _("Q" _"msr" "," "Q" _0)^("f" _"msr" "," "f" _"ref" ) προσδιορίστηκαν για τα πλαστικά ομοιώματα SW και ABS που χρησιμοποιούνται στις μετρήσεις απόλυτης δοσιμετρίας, ενώ, οι παράγοντες "k" _("Q" _"clin" "," "Q" _"msr" )^("f" _"clin" "," "f" _"msr" ) προσδιορίστηκαν μόνο για το ομοίωμα SW. Ο πειραματικός προσδιορισμός των τιμών αναφοράς που απαιτούνται για τον υπολογισμό των διορθωτικών παραγόντων πραγματοποιήθηκε χρησιμοποιώντας TLDs, δοσίμετρα αλανίνης και ραδιοχρωμικά φιλμ. Τα αποτελέσματα για τους παράγοντες "k" _("Q" _"msr" "," "Q" _0)^("f" _"msr" "," "f" _"ref" ) συμφωνούν εντός των πειραματικών αβεβαιοτήτων με τα αντίστοιχα που προέκυψαν μέσω MC, ενώ, επιβεβαιώθηκε και η εξάρτηση που παρατηρείται λόγω του προσανατολισμού των ανιχνευτών εντός των ομοιωμάτων. Οι μικροί σε όγκο θάλαμοι ιονισμού βρέθηκε ότι χρειάζονται διορθώσεις λιγότερο από 1%, ενώ, οι αντίστοιχες διορθώσεις για τους θαλάμους με μεγαλύτερους ενεργούς όγκους ή ατσάλι στο κεντρικό τους ηλεκτρόδιο μπορεί να φτάσουν μέχρι και το 5%. Η πειραματική διαδικασία επιβεβαίωσε και τους παράγοντες "k" _("Q" _"clin" "," "Q" _"msr" )^("f" _"clin" "," "f" _"msr" ) για τους ανιχνευτές που μελετήθηκαν, αναδεικνύοντας για μια ακόμη φορά την αναμενόμενη δοσιμετρική υποεκτίμηση των θαλάμων ιονισμού και την υπερεκτίμηση των δοσιμετρικών διόδων στα πολύ μικρά πεδία. Ο πειραματικός προσδιορισμός των OFs αναφοράς και στα δύο κλινικά πεδία του GK επιβεβαίωσε τα αντίστοιχα αποτελέσματα MC καθώς και τις προ-εγκαταστημένες τιμές στο σύστημα σχεδιασμού θεραπείας εντός των παρατηρούμενων αβεβαιοτήτων. Σχετικά με τη μελέτη της συνολικής γεωμετρικής ακρίβειας μιας εφαρμογής SRS, πραγματοποιήθηκε η εκτίμηση του ολικού σφάλματος συστήματος (Total System Error – TSE) στη μονάδα ρομποτικής ακτινοχειρουργικής CyberKnife (CK) πραγματοποιώντας μια δοκιμή End-to-End. Η διαδικασία End-to-End που εφαρμόστηκε, βασίστηκε στη 3D δοσιμετρία γέλης πολυμερισμού, χρησιμοποιώντας ένα ανθρωπόμορφο ομοίωμα που προέκυψε από τρισδιάστατη εκτύπωση δεδομένων υπολογιστικής τομογραφίας ενός πραγματικού ασθενούς. Το ομοίωμα ακτινοβολήθηκε, εφαρμόζοντας τη μέθοδο παρακολούθησης ασθενών 6Dskull, με ένα πλάνο θεραπείας πολλαπλών μεταστάσεων που κάλυπταν όλη την περιοχή του εγκεφάλου και απεικονίστηκε σε ένα σύστημα απεικόνισης μαγνητικού συντονισμού για την ανάγνωση της δόσης. Μετά την επεξεργασία των μετρήσεων, εκτιμήθηκε το εύρος διακύμανσης του TSE από 0.26 ± 0.08 mm έως 0.66 ± 0.07, αποδεικνύοντας ότι η χωρική ακρίβεια εναπόθεσης της δόσης στο CK διατηρείται σε επίπεδα κάτω του 1 mm ακόμα και σε Όγκους Στόχους (ΟΣ) που βρίσκονται σε αποστάσεις μέχρι 80 mm από το εικονικό ισόκεντρο. Στο τελευταίο μέρος της εργασίας, εκτιμήθηκαν υπολογιστικά οι ρυθμοί δόσης που λαμβάνουν χώρα στην εναπόθεση της θεραπευτική δόσης ακτινοβολίας καθώς και οι τιμές της Βιολογικά Ενεργού Δόσης (Biologically Effective Dose – BED) σε περιπτώσεις θεραπείας ακουστικού νευρινώματος με το σύστημα SRS CK. Οι ρυθμοί δόσης χαρτογραφήθηκαν σε επίπεδο ογκοστοιχείου για ένα σύνολο 25 ασθενών και παρατηρήθηκαν ρυθμοί πάνω από 2.5 Gy/min στην πλειοψηφία των ογκοστοιχείων με μέση τιμή συνολικού χρόνου θεραπείας τα 21 min. Οι χρόνοι θεραπείας βρέθηκε να σχετίζονται άμεσα με το μέγεθος του ΟΣ, ενώ, μειώνονται περίπου 14% με την αύξηση του ρυθμού παροχής του γραμμικού επιταχυντή από 800 σε 1000 MU/min. Επιπλέον, παρατηρήθηκε στατιστικά σημαντική θετική συσχέτιση μεταξύ του ρυθμού δόσης και το μέσο μέγεθος πεδίων ακτινοβολίας. Οι τιμές BED που υπολογίστηκαν λαμβάνοντας υπόψη όλους τους εμπλεκόμενους χρονικούς παράγοντες είχαν μέση τιμή από όλες τις περιπτώσεις ίση με 101 Gy2.47 για ρυθμό παροχής 800 MU/min. Η τιμή αυτή είναι 20% μικρότερη από τους αντίστοιχους υπολογισμούς BED που θεωρούν άμεση και οξεία εναπόθεση της δόσης αναδεικνύοντας μια σημαντική απώλεια στο BED που μπορεί να επηρεάζει το βιολογικό αποτέλεσμα της θεραπείας ειδικά σε περιοχές που βρίσκονται στην περιφέρεια του ΟΣ. Οι τιμές BED αυξάνουν με τη μείωση του χρόνου θεραπείας ή με την αύξηση του ρυθμού παροχής σε 1000 MU/min, ενώ αντίστοιχα μειώνεται η ποσοστιαία απώλεια στο BED.