Optymalizacja parametrów działania układu do radioterapii śródoperacyjnej - igły fotonowej

Abstract

Celem niniejszej rozprawy było zbadanie wpływu rozmaitych parametrów konstrukcyjnych i operacyjnych na funkcjonowanie układu do radioterapii śródoperacyjnej czyli igły fotonowej. Rozpatrywanymi parametrami były grubość tarczy konwersji i materiał z jakiego została ona wykonana, szerokość i energia pierwotnej wiązki elektronów oraz kształt tarczy konwersji igły. Na wstępie testom zostało poddanych osiem wiązek o różnych szerokościach. Następnie po wyborze optymalnej szerokości sprawdzonych zostało czternaście materiałów będących potencjalnymi kandydatami na materiał tarczy konwersji, z których zostały następnie wybrane cztery. Z ich użyciem sprawdzono różne kombinacje energia wiązki pierwotnej, grubość tarczy (w sumie po dziewięć kombinacji na każdy z czterech materiałów). Do tego celu stworzony został komputerowy model igły fotonowej oparty na oprogramowaniu GEANT4 umożliwiającym symulowanie zjawisk fizycznych w trakcie działania urządzenia. Dzięki tak stworzonemu modelowi możliwe stało się następnie przetestowanie różnych kształtów tarcz konwersji. Na tym etapie badań zostały wybrane dwa materiały: złoto (jako materiał referencyjny oraz z powodu powszechności jego wykorzystania w produkowanych obecnie igłach fotonowych) oraz wolfram (jako, że wcześniejsze analizy wskazały właśnie na ten materiał jako najbardziej obiecujący). Dla każdego z tych metali testom poddano cztery modele tarcz paraboloidalnych oraz sześć tarcz „wklęsłych”. Parametrami, które decydowały o tym czy dane rozwiązanie techniczne jest właściwe z punktu widzenia wykorzystania go w rzeczywistych urządzeniach były kątowe i głębokościowe rozkłady mocy dawek (ze szczególnym uwzględnieniem współczynnika płaskości obliczanego dla rozkładów kątowych oraz współczynnika spadku dla rozkładów głębokościowych), kątowa i głębokościowa zależność średniej energii generowanych fotonów oraz wydajność konwersji zdefiniowana na potrzeby niniejszej pracy jako liczba fotonów zarejestrowanych w pierwszym detektorze radialnym przypadająca na jeden elektron wiązki pierwotnej (symulowany był miliard elektronów). Jedynie w przypadku testów wpływu szerokości wiązek na działanie igły nie była brana pod uwagę wydajność konwersji jako, że na tym etapie nie była ona kluczowa. Dodatkowej argumentacji dostarczały histogramy widm energetycznych rejestrowanych na różnych głębokościach oraz pod różnymi kątami. Ze względu jednak na ogromną ich ilość (ponad tysiąc wykresów) w pracy zamieszczone zostały jedynie reprezentowane przykłady podczas gdy reszta widm zamieszczona została na dołączonej do rozprawy płycie CD. W trakcie analiz okazało się, iż kluczowe znaczenie mają właściwie wyłącznie kątowe rozkłady mocy dawki (wraz ze współczynnikiem płaskości), kątowa zależność średniej energii fotonów oraz w niekiedy wydajność konwersji. Pozostałe parametry w większości przypadków nie faworyzowały wyraźnie żadnego z testowanych rozwiązań. Z tego też powodu niniejsze podsumowanie skupi się wyłącznie na trzech pierwszych parametrach. Przy porównaniu tarcz sferycznych, paraboloidalnych oraz „wklęsłych” przedstawione zostaną jedynie tarcze wolframowe i złote o grubości 1 pm, dla których energia pierwotnej wiązki elektronów wynosiła 50 keV (jako, że to właśnie one odpowiadają parametrom tarcz paraboloidalnych i „wklęsłych”). Pierwszym z badanych parametrów, który (co potwierdziły pomiary wykonane w Narodowym Centrum Badań Jądrowych w Świerku koło Warszawy) ma znaczny wpływ a kątowe rozkłady mocy dawki jest szerokość pierwotnej wiązki elektronów. Przeprowadzone analizy wykazały, iż wraz ze zwiększaniem się wartości tego parametru rozkład mocy dawki ulega wypłaszczeniu. Należy naturalnie do tego dążyć jako, że im bardziej płaski jest rozkład, tym bardziej jednorodnie naświetlony jest guz w ciele pacjenta. Najkorzystniej w prezentowanym w rozdziale 5.2.1 zestawieniu wypadła najszersza z testowanych wiązek, o szerokości 2.2 mm. Współczynnik płaskości dla tej konkretnej wiązki wyniósł 14.23% i był niemal pięciokrotnie niższy niż dla wiązki najwęższej (o szerokości 0.3 mm), dla której wynosił on 69.75%. Ponadto jedynie dla tej wiązki współczynnik płaskości był niższy niż założony próg 15%. Wybór tej właśnie wiązki potwierdza również zależność średniej energii fotonów od kąta. Najmniejsze zmiany dotyczą właśnie wiązki najszerszej (zmienność nieprzekraczająca 4%). Wielkość zmian rośnie sukcesywnie wraz z malejącą szerokością wiązki aż osiąga niemal 36% dla wiązki najwęższej. Z tej części testów wynika zatem, iż najkorzystniej jest stosować wiązki elektronowe o możliwe największej średnicy. Jak już jednak wcześniej podkreślono nie warto przekraczać granicy 2.2 mm ponieważ wiązki szersze nie trafiałaby już w całości w tarczę konwersji ale uderzały częściowo w ścianę sondy igły fotonowej. To z kolei nie tylko może wpłynąć negatywnie na badane parametry ale również może doprowadzić w ostateczności do uszkodzenia urządzenia. Rozwiązaniem mogłoby być stosowanie igieł z sondami o większej średnicy jednak zważywszy na to, iż urządzenia te wykorzystywane są głównie do leczenia nowotworów w trudno dostępnych lokalizacjach (np. mózg) wydaje się, że takie podejście stanowi ślepą uliczkę. Niemniej jednak zakres zastosowań igły rośnie z dnia na dzień i możliwe, iż pewnego dnia będzie ona stosowana rutynowo również do nowotworów łatwiej dostępnych. Być może jedną z możliwości jest opracowanie igły fotonowej o wymiennych sondach posiadających różne średnice - stanowiłoby to idealne rozwiązanie ponieważ dawałoby możliwość jak najdokładniejszego dostosowywania jednorodności naświetlania guza do jego rozmiaru i lokalizacji. Kolejnym etapem był wybór najlepszego materiału jako potencjalnego kandydata na materiał tarczy konwersji. Stosowane obecnie złoto wydaje się materiałem wystarczająco dobrym jednak niektóre przesłanki świadczyć mogłyby o tym, że nie jest to materiał najlepszy z możliwych. I rzeczywiście przeprowadzone testy wykazały, iż jeśli chodzi o kątowe rozkłady mocy dawek znajduje się ono dopiero na siódmym miejscu (pod względem wartości współczynnika płaskości) w zestawieniu. Lepszą jednorodność generowanego promieniowania fotonowego wykazywały ind, iryd, cynk, srebro, wolfram, platyna, tantal. Wartość współczynnika płaskości dla najlepszego w tej grupie pierwiastka, indu, była niemal dwukrotnie mniejsza niż dla złota (odpowiednio 7.16% oraz 14.23%). Większość z tych materiałów została jednak odrzucona z dalszych testów, ze względu na niekorzystną zależność średniej energii lub też zbyt niską generowaną moc dawki. I tak na przykład iryd mimo pierwszego miejsca w kategorii płaskości wiązki oraz mimo niewielkich zmian wartości średniej energii fotonów wraz kątem musiał ustąpić miejsca gorszym materiałom właśnie ze względu na niską moc dawki (niemal dwukrotnie) co wiązało się z jego niższą liczbą atomowa. Jeśli chodzi o średnią energię fotonów to równie niewielkie zmiany kątowe tej wielkości charakteryzowały również kadm, srebro, ind, nikiel, iryd oraz wolfram. Zmiany te wynosiły mniej więcej 4% w przypadku kadmu i 5% w przypadku wolframu. Podobnej wartości zmiany dotyczyły złota. Pierwiastek ten z całą pewnością góruje pod względem wydajności konwersji, z jej wartością ponad czterokrotnie większą niż dla najgorszego pierwiastka, chromu. Co warto zaznaczyć różnice pomiędzy złotem a pozostałymi metalami tej samej grupy jest nieznaczna i nie przekracza 14% (w skrajnym przypadku). Jak jednak podkreślono parametr ten mimo, iż jest dość istotny, nie jest najważniejszy. Ten etap analiz wyłonił czterech kandydatów na materiał tarczy konwersji: złoto (jako materiał referencyjny), wolfram oraz iryd (jako materiały charakteryzujące się lepszymi parametrami niż złoto) oraz srebro (które mimo znacznie gorszych parametrów jest materiałem, który bierze pod uwagę Narodowe Centrum Badań Jądrowych w związku z czym postanowiono poddać go szczegółowym testom). Kolejnym etapem badań było sprawdzenie wpływu różnych kombinacji energia wiązki elektronów-grubość tarczy konwersji na kluczowe parametry igły fotonowej. Testowane były po trzy wartości energii i grubości tarczy co daje w efekcie dziewięć symulacji dla każdego z wybranych na poprzednim etapie materiałów. Analiza współczynników płaskości wykazała, iż trudno jest jednoznacznie określić, jaka grubość tarczy byłaby najodpowiedniejsza dla wszystkich testowanych wartości energii. Okazało się bowiem, że wiązki elektronów o energiach 30 keV, 40 keV i 50 keV mogą generować dla danego materiału najbardziej jednorodne rozkłady mocy dawki dla tarcz o różnych grubościach. Różnice nie są wprawdzie znaczące jednak dają się zauważyć. Jak już zasugerowano fakt ten może być pewną wskazówka dla konstruktorów przyszłych urządzeń. Analiza wyników na tym etapie zdaje się ponownie sugerować, iż warto opracować igłę fotonową z wymienialną sondą. Nie tylko bowiem jak zapisano powyżej można by stosować sondy o różnych średnicach w celu optymalizacji jednorodności rozkładu dawki ale również sondy wyposażone w tarcze konwersji o różnej grubości w zależności od stosowanej energii wiązki elektronów. Połączenie takich dwóch możliwości zdecydowanie poprawiłoby jakość napromieniania guza, a przez to jakość leczenia pacjentów. Na podstawie kątowych rozkładów mocy dawek zostały wybrane optymalne wartości grubości tarcz konwersji. Były one równe odpowiednio 3 pm dla srebra oraz po 1 pm dla wolframu, irydu i złota. Wybór takich wartości potwierdzały analizy pozostałych parametrów w tym wydajności konwersji oraz średniej energii fotonów rejestrowanych pod różnymi kątami. Choć w tym ostatnim przypadku nieco silniej faworyzowana była tarcza wolframowa o grubości 2 pm to jednak ostateczny wybór padł na wartość jednego mikrometra jako nieco bardziej korzystną w ogólnym rozrachunku. Wykres 113 przedstawia kątowe rozkłady mocy dawek dla wybranych grubości tarcz dla energii wiązki elektronów równej 50 keV. Już wizualna ocena pozwala stwierdzić, że tarcza wykonana z wolframu generuje rozkład znacznie bardziej płaski niż tarcza złota co jedynie potwierdzają dane zawarte w tabeli 14. Wprawdzie moc dawki w przypadku tej pierwszej jest niższa niż dla wolframu jednak z punktu widzenia pacjenta zdecydowanie bardziej istotna jest jednorodność generowanego rozkładu mocy dawek. Lepszym rozwiązaniem niż wolfram wydaje się iryd jednak w ostateczności to ten pierwszy pierwiastek został wybrany jak potencjalny materiał na przyszłe tarcze konwersji (powodem były lepsze własności cieplne wolframu). Ostatecznym wnioskiem wynikającym z tej części testów jest stwierdzenie, iż stosowane obecnie tarcze konwersji wykonane ze złota mimo, iż charakteryzują się stosunkowo dobrymi parametrami to jednak możliwa jest ich poprawa. Najprostszym rozwiązaniem jest zmiana materiału tarczy na wolfram. Warto zaznaczyć, iż sugestia ta jest całkowicie nowatorska i jak do tej pory żadna firma produkująca igły fotonowe nie planuje jej wdrożenia. Ostatnim etapem analiz były testy rozmaitych kształtów tarczy konwersji. Celem tego było sprawdzenie czy stosowane obecnie tarcze sferyczne są najlepszymi z możli-wych rozwiązań. Sprawdzane były tarcze paraboloidalne oraz „wklęsłe” o grubościach 1 pm każda. Energia wiązek elektronowych wynosiła 50 keV. Niestety już na samym początku okazało się, że żadna z tarcz wklęsłych nie nadaje się jako potencjalne rozwiązanie stosowane w przyszłości. Generowane przez nie kątowe rozkłady mocy dawek są zbyt niejednorodne by mogły być one brane pod uwagę. Wartości współczynnika płaskości dla tych tarcz wahały od ponad 30% do niemal 50%. Dodatkowo potwierdziła to analiza zależności średniej energii fotonów od kąta - zmiany jej wartości dla wszystkich badanych opcji przekraczały 85%. Wyniki całkowicie dyskwalifikują tarcze „wklęsłe”. Inaczej rzecz się ma jeśli chodzi o tarcze paraboloidalne. W tym przypadku rezultaty osiągane przez najlepsze z tarcz paraboloidalnych są porównywalne lub nawet nieco lepsze niż te osiągane przez tarcze sferyczne. Wykres 114 przedstawia porównanie rozkładów kątowych mocy dawek dla wybranych tarcz konwersji (najlepszych z każdej grupy). Widać tu wyraźnie wspomnianą powyżej znaczną niejednorodność rozkładów dla tarcz wklęsłych. Jednocześnie zaobserwować da się podobieństwa w rozkładach dla tarcz sferycznych i paraboloidalnych. Co więcej analiza współczynników płaskości pokazuje, iż tarcze paraboloidalne dają lepsze rezultaty niż tarcze sferyczne (odpowiednio 11.77% i 14.23% dla złota oraz 9.35% i 10.38% dla wolframu) co sugerować mogłoby, iż to właśnie ta postać tarczy konwersji powinna zostać zastosowana w nowoczesnych urządzeniach. Ponownie widać przy okazji, iż wolfram daje lepsze rezultaty niż złoto co jest kolejnym dowodem na jego wyższość nad stosowanym obecnie materiałem. Analiza pozostałych parametrów również skłaniała ku stwierdzeniu, iż tarcze paraboloidalne są tak samo dobre lub lepsze niż tarcze sferyczne. Dla przykładu różnice w średniej energii fotonów w zależności od kąta dla tarcz paraboloidalnych są niemal identyczne z tymi dla tarcz sferycznych co jest informacją niezwykle cenną. Warto również w tym miejscu zaznaczyć, iż z analizy danych dotyczących tarcz paraboloidalnych oraz „wklęsłych” wynika, iż największy wpływ na kątowe rozkłady dawek i wydajność konwersji ma główna część tarczy konwersji a nie jej stożek. Z tego wynika, iż w przyszłych modelach igieł fotonowych można by zrezygnować z tego elementu bez większej szkody dla funkcjonowania urządzenia. Praca niniejsza pokazała, iż mimo, że stosowane obecnie rozwiązania są bardzo dopracowane i dobrze sprawdzają się w codziennej praktyce to jednak jest możliwe skonstruowanie urządzeń o jeszcze lepszych parametrach niż dziś. Przede wszystkim należy zastanowić się nad zasadnością stosowania złota jako materiału tarczy konwersji kiedy wiele danych wskazuje na wyższość innych materiałów - przede wszystkim wolframu. Ponadto wiele wskazuje też na to, iż tarcze sferyczne stosowane obecnie można z powodzeniem zastąpić tarczami innych kształtów a nawet rozważyć pozbycie się niektórych ich elementów (takich jak stożek konwersji). Co więcej wiele możliwości dałoby zaprojektowanie igieł fotonowych wyposażonych w wymienne sondy o różnych średnicach z wbudowanymi tarczami konwersji o różnej grubości. Być może nawet możliwe stałoby się produkowanie spersonalizowanych (dostosowanych potrzeb każdego indywidualnego .pacjenta) sond dzięki czemu rezultaty leczenia, które już teraz są znakomite, byłyby jeszcze lepsze. Wszystko wskazuje na to, że możliwości jakie niesie ze sobą technika układów do radioterapii śródoperacyjnej dopiero zaczynają być odkrywane. Każde kolejne udoskonalenie tego urządzenia, choćby niezwykle drobne, będzie dla pacjentów niezwykle korzystne. Będzie bowiem oznaczało ich skuteczniejsze leczenie i większe szanse na powrót do pełni zdrowia

Similar works

Full text

Repozytorium Uniwersytetu Śląskiego RE-BUŚProvided a free PDF (195.62 KB)

20.500.12128/5457oai:rebus.us.edu.pl:20.500.12128/5457
Last time updated on May 7, 2019View original full text link

Having an issue?

Is data on this page outdated, violates copyrights or anything else? Report the problem now and we will take corresponding actions after reviewing your request.