Κατανομή δόσης από φωτόνια υψηλής ενέργειας σε υλικό μικρού ατομικού αριθμού κοντά σε ανομοιογένειες
Authors: Κατσαρού Ελένη 
Published: May 2022

Προϋπόθεση για την επιτυχία μιας ακτινοθεραπευτικής αγωγής είναι η ακριβής γνώση της κατανομής της απορροφούμενης δόσης στην ακτινοβολούμενη περιοχή. Η ύπαρξη ανομοιογενειών μέσα στο ανθρώπινο σώμα, φυσικών ή τεχνητών, τροποποιεί την κατανομή της. Ενίοτε η διαταραχή στη χωρική της κατανομή είναι μεγάλη κοντά στις διεπιφάνειες υλικών διαφορετικής σύστασης λόγω έλλειψης σωματιδιακής ισορροπίας, φαινόμενο μεγάλης κλινικής σημασίας σε ορισμένες περιπτώσεις. Σκοπός της παρούσας εργασίας που έγινε στο Εργαστήριο Ιατρικής Φυσικής του Πανεπιστημίου Ιωαννίνων (ΕΙΦ/ΠΙ) ήταν η πειραματική και υπολογιστική μελέτη της διαταραχής της απορροφούμενης δόσης στα μαλακά μόρια σε περιοχές μετά από διεπιφάνειές τους με ιστούς ή προθέσεις με πολύ διαφορετική σύσταση στην θεραπεία με ακτινοβολία Χ υψηλής ενέργειας. Συγκεκριμένα, μελετήθηκε πειραματικά και θεωρητικά η διαταραχή που προκαλείται στην κατανομή της δόσης σε ένα παραλληλεπίπεδο ομοίωμα από PMMA (υλικό μικρού ατομικού αριθμού Ζ, που προσομοιάζει τον μαλακό ιστό) στην περιοχή εξόδου μιας δέσμης ακτίνων Χ που προκαλείται από μια ανομοιογένεια μεγάλου Ζ με σχήμα πλάκας. Για τις πειραματικές μετρήσεις έγινε χρήση ακτινοβολίας Χ ποιότητας 6 και 18 MV που παράγεται από τον γραμμικό επιταχυντή τύπου Varian Clinac DHX του Πανεπιστημιακού Γενικού Νοσοκομείου Ιωαννίνων. Η μέτρηση της δόσης έγινε με χρήση ραδιοχρωμικών φιλμ τύπου HD-810, MD-55 και ΕΒΤ3. Η σάρωση και ψηφιοποίηση των φιλμ έγινε με έγχρωμο σαρωτή εγγράφων Microtek ScanMaker S480 και χρήση της τεχνικής της διέλευσης. Επιπρόσθετα, έγιναν θεωρητικοί υπολογισμοί της κατανομής της δόσης με προσομοιώσεις που έγιναν με τον κώδικα MCNP6. Η διαταραχή της κατανομής της απορροφούμενης δόσης σε έναν ιστό ή όργανο μικρού Ζ, όπως ο μυϊκός ιστός, η καρδιά και ο οφθαλμός, μετά από μια ανομοιογένεια υψηλού Ζ (π.χ. οστίτης ιστός, δόντι, μια χειρουργική πλάκα, ένας βηματοδότης) ποσοτικοποιήθηκε με δύο παράγοντες διαταραχής λόγω εμπρόσθιας σκέδασης (Forward Scatter Dose Factor, FSDF). Ο πρώτος παράγοντας διαταραχής ο Di/Dh, εκφράζει το μέγεθος της διαταραχής στο υλικό μικρού Ζ λόγω της παρουσίας της διεπιφάνειας στην περιοχή εξόδου της δέσμης από την ανομοιογένεια, ενώ ο δεύτερος, ο Di/DH, εκφράζει σε συνδυασμό το μέγεθος της διαταραχής λόγω της παρουσίας της διεπιφάνειας, με τη μεταβολή της απορροφούμενης δόσης, λόγω των διαφορών των δυο υλικών στα χαρακτηριστικά αλληλεπίδρασής τους με την ακτινοβολία.Μετά τον ποιοτικό έλεγχο των μεθοδολογιών που αναπτύχθηκαν, μελετήθηκε η εξάρτηση των παραγόντων FSDF από τις διαστάσεις του πεδίου ακτινοβολίας, το πάχος της ανομοιογένειας μεγάλου Ζ, τον ατομικό αριθμό και την πυκνότητα της ανομοιογένειας, την απόσταση μεταξύ του σημείου μέτρησης και της διεπιφάνειας εξόδου σε δυο κλινικά φάσματα ακτίνων X, ένα 6 MV και ένα 18 MV.Η σύγκριση των πειραματικών ευρημάτων με χρήση ανομοιογενειών στο εσωτερικό ομοιωμάτων από PMMA, Al, Cu, και Pb, επιφάνειας 30 cm x 30 cm μεταβλητού πάχους με αυτά των προσομοιώσεων έδειξε ικανοποιητική σύμπτωση στις τιμές των παραγόντων που μελετήθηκαν, λαμβάνοντας υπόψη τα σχετικά σφάλματα, τα οποία ήταν της τάξης του 2% και του 3%, αντίστοιχα. Η επιβεβαίωση του θεωρητικού μοντέλου επέτρεψε τη μελέτη ενός μεγαλύτερου αριθμού ανομοιογενειών. Επιπλέον, η σύγκριση των ευρημάτων της παρούσας μελέτης με τα λίγα διαθέσιμα βιβλιογραφικά δεδομένα έδειξε ικανοποιητική συμφωνία. Ως εκ τούτου, ελέγχθηκε η ακρίβεια των ευρημάτων της και στις περιπτώσεις που δεν μελετήθηκαν πειραματικά. Βρέθηκε ότι οι τιμές των παραγόντων FSDF σε διάφορες αποστάσεις από τις ανομοιογένειες είναι μεγαλύτερες στις ακτινοβολήσεις των 18 MV από ότι ακτινοβολήσεις των 6 MV και μάλιστα όσο αυξάνει ο Ζ της ανομοιογένειας τόσο μεγαλύτερη είναι η αύξηση των παραγόντων. Από την άλλη πλευρά, δεν βρέθηκε να επηρεάζονται οι τιμές τους από τη μεταβολή των διαστάσεων του πεδίου ακτινοβολίας στην περιοχή 3.0 cm x 3.0 cm έως 20 cm x 20 cm που μελετήθηκε.Η τιμή του παράγοντα Di/Dh σε απόσταση 125 μm από τη διεπιφάνεια βρέθηκε ότι είναι μικρότερη του 1.00 και στα τρία υλικά που μελετήθηκαν πειραματικά και ότι μειώνεται καθώς αυξάνεται το πάχος της ανομοιογένειας, όταν το ομοίωμα ακτινοβολείται με δέσμη ακτίνων Χ 6 MV, ενώ στην περίπτωση της δέσμης 18 MV είναι μεγαλύτερη του 1.00 (ως και 1.55 στην περίπτωση του Pb). Επίσης βρέθηκε ότι ο παράγοντας Di/DH μειώνεται με αύξηση του πάχους της ανομοιογένειας στις ακτινοβολήσεις 6 MV, ενώ στην περίπτωση χρήσης δέσμης 18 MV, βρέθηκαν τιμές μεγαλύτερες του 1.00 σε μικρό πάχος, και μικρότερες του 1.00 σε μεγάλα πάχη, λόγω της αυξημένης απορρόφησης στην ανομοιογένεια.Στη μελέτη της εξάρτησης των παραγόντων διαταραχής από την απόσταση του σημείου μέτρησης από την ανομοιογένεια βρέθηκε, όταν χρησιμοποιείται δέσμη 6 MV, ότι όσο η απόσταση αυξάνει ο παράγοντας Di/Dh αυξάνεται και προσεγγίζει τη μονάδα, οπότε το φαινόμενο της διεπιφάνειας περιορίζεται, ενώ όταν γίνεται χρήση δέσμης 18 MV αυξάνεται η τιμή του παράγοντα Di/Dh μέχρι μία μέγιστη τιμή και παραμένει σχεδόν σταθερή σε απόσταση από περίπου 1 ως 10 mm και σε μεγαλύτερες αποστάσεις μειώνεται και προσεγγίζει τη μονάδα. Ο παράγοντας Di/DH μειώνεται για όλα τα υλικά καθώς αυξάνεται η απόσταση από την ανομοιογένεια στις ακτινοβολήσεις με δέσμη ποιότητας 6 και 18 MV. Επιπλέον, μελετήθηκε θεωρητικά η επίδραση οκτώ μονοστοιχειακών ανομοιογενειών ατομικού αριθμού άνω του δέκα ίδιου ειδικού πάχους στην κατανομή της δόσης μετά την ανομοιογένεια. Στην περίπτωση χρήσης δέσμης 6 MV βρέθηκε μείωση των παραγόντων FSDF με αύξηση του Ζ στις αποστάσεις 50 μm, 125 μm και 1000 μm από τη διεπιφάνεια εξόδου. Αντίθετα, στην περίπτωση δέσμης 18 MV βρέθηκε αύξηση του παράγοντα Di/Dh με αύξηση του ατομικού αριθμού σε όλες τις αποστάσεις που μελετήθηκαν, ενώ για τον παράγοντα Di/DH βρέθηκε αύξηση σε απόσταση 50 μm από τη διεπιφάνεια με αύξηση του Ζ και σχεδόν σταθερότητα στις άλλες δυο αποστάσεις. Επιπλέον, με βάση τις προσομοιώσεις βρέθηκε ότι ο Ζ και όχι η πυκνότητα του υλικού είναι ο κύριος παράγοντας που επηρεάζει την τιμή των παραγόντων διαταραχής.Συνδυάζοντας τα ευρήματα της παρούσας μελέτης με αυτά προηγούμενων μελετών που έγιναν ΕΙΦ/ΠΙ για τον παράγοντα διαταραχής της δόσης στο ΡΜΜΑ πριν από μια ανομοιογένεια μεγάλου ατομικού αριθμού, βρέθηκε ότι όταν γίνεται χρήση δυο αντίθετων ή σχεδόν αντίθετων πεδίων ακτινοβολίας Χ 6 MV, το μέγεθος της διαταραχής κοντά στην διεπιφάνεια περιορίζεται γιατί σε σχετικά μικρές αποστάσεις από την διεπιφάνεια ο ένας παράγοντας Di/DH είναι μικρότερος του 1.00 και ο άλλος μεγαλύτερος, ενώ αν γίνεται χρήση πεδίων 18 MV η δόση αυξάνεται τοπικά γιατί και οι δυο παράγοντες έχουν τιμή μεγαλύτερη του 1.00. Συμπερασματικά, η απορροφούμενη δόση κοντά σε διεπιφάνειες υλικών που διαφέρουν πολύ ως προς τον Ζ επηρεάζεται λόγω της παρουσίας ανομοιογένειας σε βαθμό που σε ορισμένες περιπτώσεις μπορεί να επηρεάσει την έκβαση της θεραπευτικής αγωγής. Τα ευρήματα των πειραματικών μετρήσεων ήταν παρόμοια με τα αντίστοιχα των μαθηματικών προσομοιώσεων και συμβατά με τα λίγα διαθέσιμα βιβλιογραφικά δεδομένα, γεγονός το οποίο επιτρέπει την εκτίμηση με τεχνικές παρεμβολής των παραγόντων διαταραχής σε γεωμετρίες που διαφέρουν από αυτές που μελετήθηκαν.