Этапы дозиметрической подготовки к ТОТ

Получение профилей и глубинных дозных распределений в геометрии и условиях тотального облучения.

Получение характеристик ослабления излучения в поглотителях, используемых при ТОТ: церробенде, плексигласе, рисе в геометрии и условиях тотального облучения.

Дозиметрическая подготовка средств детектирования для контроля кожной дозы во время сеанса тотального облучения.

Специальная калибровка ТЛД и полупроводниковых детекторов.

Данная работа посвящена подготовке ТЛД в условиях рассеяния при ТОТ.

Сведения о ТЛД дозиметрии [11]

ТЛД базируется на способности кристаллов, имеющих дефекты, улавливать и запасать информацию об энергии ионизирующего излучения, которая высвобождается при последующем нагреве в виде испускания электромагнитного излучения, в основном, в видимой области спектра. Испускаемый свет улавливается с помощью фотоумножителя (ФЭУ), его интенсивность пропорциональна дозе, поглощенной в материале ТЛД.

При облучении образуются свободные электроны и дырки. И те и другие могут свободно перемещаться в зоне проводимости в течение короткого времени. В конце концов, они могут быть захвачены дефектами кристалла, или переходить в валентную зону и рекомбинировать с дырками с испусканием или без испускания света (флюоресценция), также осуществляется захват центрами люминесценции с испусканием света. Электроны могут находиться в ловушках продолжительное время (до месяцев), позволяя с помощью метода извлекать хранящуюся информацию.

Информацию можно получить путем нагревания кристалла до определенной температуры, зависящей от его природы. Энергия нагревания используется для извлечения электронов из ловушек в зону проводимости, где они могут свободно перемещаться, пока не провзаимодействуют одним из трех возможных способов: будут захвачены ловушкой, или попадут в валентную зону и рекомбинируют с испусканием света или без, или рекомбинируют с испусканием люминесценции в активированном центре. Испускание света в последнем процессе называется термолюминесценцией (ТЛ).

Собирание света и тепла происходит в считывающей системе, который мы будем называть «считыватель» или «анализатор». ТЛ сигнал, как функция температуры (или времени нагревания, если этот параметр пропорционален температуре) зависит от природы кристалла и называется кривой термовысвечивания. Он содержит различные пики, каждый пик соответствует различному энергетическому состоянию в кристалле. Пики могут быть нестабильными, затухающими более или менее быстро со временем, в зависимости от материала ТЛД, или стабильными. ТЛ дозиметры всегда имеют как стабильный, так и нестабильный пики, один из которых используется в дальнейшем при дозиметрии. Они называются «дозиметрическими пиками».

После считывания показаний, материал или восстанавливается до своего первоначального состояния, в этом случае его можно использовать повторно, или подвергается специальному нагреву, называемому отжигом (annealing), чтобы вернуться в первоначальное состояние.

Большинство наиболее часто используемых ТЛД получены путем добавления к фосфорам (светящимся веществам), таких, как фторид лития (LiF), борат лития, сульфат кальция (CaSO₄) и фторид кальция (CaF₂), примесей, которые называют «активаторами»: например LiF: Mg-Ti — это фторид лития с добавлением магния и титана, Li₂B₄O₇:Cu — это борат лития с добавлением меди, и т. д. ТЛ материалы применяют в виде порошка, или в виде твердых дозиметров. Твердые дозиметры делают путем добавления фосфора, в виде монокристалла или прессованных поликристалликов (прессованный стержень, плавленый шарик или диск), или в виде гомогенной композиции из порошка фосфора и некоторых связывающих материалов. Следует отметить, что характеристики дозиметров из чистого фосфора могут значительно отличаться от характеристик композитных материалов.

В табл. 7 перечислены материалы, которые можно считать эквивалентными мягкой или костной ткани в некотором диапазоне энергий излучения, применяемые в лучевой терапии.

Таблица 7. Различные ТЛ материалы, эквивалентные мягкой ткани, легким или кости.

Анализаторы (считыватели) Обычно облученные дозиметры располагаются на металлических подставках (или держателях, или планшетках), находящихся внутри считывающей камеры. Подставка нагревается различными способами до двух различных температур: температура предварительного нагрева применяется для удаления нестабильных пиков, а рабочая температура используется для снятия информации с дозиметрических пиков. Как правило, температура подставки измеряется термопарой, находящейся с ней в термическом контакте. Считывающую камеру следует продолжительное время продувать азотом, чтобы снизить ложные показания и снизить фон. Свет, испускаемый нагретым материалом, перед тем, как попасть на ФЭУ, проходит через один или несколько оптических фильтров. Ток ФЭУ пропорционален световому потоку, и, следовательно, поглощенной дозе, запасенной в ТЛ дозиметре.

Различные нагреватели, используемые в анализаторах для ТЛД, приведены в табл. 8.

Таблица 8. Некоторые анализаторы, выпускавшиеся в 1993 г.

Твд. — твердый детектор, ПС. — порошок в стекле, П — порошок, Ц — цилиндр Металлическая подставка с ТЛ материалом на ней может быть нагрета электрическим током, или печкой, или подвижным нагревающим стержнем. Нагревание возрастает либо линейно, либо изотермически. В первом случае материал быстро нагревается до температуры предварительного нагрева и рабочей температуры. В изотермическом случае, материал нагревается относительно быстро изотермической печкой до обеих температур, и высвечивание происходит меньше чем за 10 с. В любом случае для хорошей воспроизводимости должен сохраняться тесный контакт между дозиметром, подставкой и нагревающей системой.

Существуют некоторые бесконтактные процедуры, такие, как нагревание горячим азотом или воздухом, импульсным инфракрасным излучением галогеновых ламп или нагревание лазером. В этих случаях температура растет частями и зависимость обычно трудна для описания.

Анализаторы, сконструированные для снятия показаний с большого количества датчиков за короткое время, обычно используют изотермическое нагревание, или нагревание горячим газом.

Детектирование света различно в разных анализаторах, поскольку оно зависит от материала фотокатода ФЭУ и имеет различное спектральное поглощение окна на трубке ФЭУ. Большинство фотокатодов имеет пик восприимчивости около 400 нм, что хорошо согласуется с синей областью спектра для LiF, Li₂B₄O₇:Cu, но не подходит для желто-красной области Li₂B₄O₇:Mn. Соответствующие фильтры располагаются перед окном ФЭУ, позволяя приспосабливать считыватель под длины волн различных ТЛД. Хороший считыватель, должен иметь большое окно фотопоглощения ФЭУ и позволять быстро менять соответствующие фильтры, подходящие для различных ТЛ материалов.

В зависимости от типа считывающей системы, каждый сигнал, пропорциональный световому потоку, усиливается и проходит через интегратор (режим постоянного тока) или превращается в импульсы и проходит через пересчетное устройство (импульсный режим). Независимо от режима, напряжение на трубке ФЭУ должно быть стабильным для обеспечения хорошей воспроизводимости измерений.

Результаты, переведенные в единицы поглощенной дозы, или считываются и сохраняются в операторе, или же сохраняются на жестком диске компьютера и выводятся в форме, удобной для пользователя. В этом случае, различные калибровочные и корректировочные коэффициенты учитываются автоматически. Во многих анализаторах кривые высвечивания показываются на экране одновременно с измерением дозы, что дает максимальное количество информации.

Основные характеристики.

Стабильность сигнала после облучения.

Важным свойством при выборе ТЛД является стабильность сигнала. Иногда необходимо оценить, не был ли потерян заряд перед считыванием, образованный в процессе облучения путем излишнего нагрева (термический фединг), высвечивания (оптический фединг) или других факторов (аномальный фединг). Это выражается уменьшением отклика ТЛД в зависимости от промежутка времени между облучением и считыванием.

Предварительное нагревание позволяет исключить часть сигналов (слабо температурные пики), связанные с термическим федингом, значительно уменьшая, таким образом, термический фединг большинства ТЛД (табл. 8). Характерным для новых анализаторов является то, что предварительное нагревание составляет часть считывающего цикла. Например, Li₂B₄O₇:Mn имеет значительный фединг без предварительного нагревания, который уменьшается примерно до 2,5% в месяц при правильном предварительном нагревании. Датчики из LiF имеют фединг от 5 до 10% в год в зависимости от изготовления и предварительного отжига.

Оптического фединга можно избежать, работая с дозиметрами при комнатном освещении лампами накаливания, если они имеют матовые плафоны, а при использовании дозиметров для in-vivo дозиметрии помещать датчики в непрозрачные оболочки или конверты, если работают в процедурных, освещенных искусственным светом.

Таблица 9. Термический фединг для различных ТЛ материалов после правильного предварительного нагревания.

Аномальный фединг намного сложнее уловить, чем термический или оптический, так как он проявляется обычно более медленно. Возможно, из-за этого он еще мало изучен и вызывает трудности при дозиметрии.

Практический вывод.

Термический фединг следует определять для каждого считывателя вместе с ТЛ материалом, который планируется использовать. Он составляет примерно 1% в месяц, или меньше для различных LiF-дозиметров при считывании и правильном отжиге. Для Li₂B₄O₇ он колеблется от 0,5 до 1% в неделю в зависимости от примеси.

При длительном промежутке между облучением и считыванием следует вносить поправку на фединг.

Собственная точность.

Собственная точность (intrinsic precision) — это воспроизводимость показаний данного ТЛ материала, связанная с данной считывающей системой. Она сильно зависит от качества используемого материала, характеристик считывателя, пути предварительного и полного нагревания, чистоты азота в считывающей камере и т. д. Ее можно оценить, отобрав случайным образом 10 образцов порошка или детекторов из некоторой партии и облучив их одинаковой дозой. После считывания и отжига, эту операцию следует повторить несколько раз.

Когда параметры считывания оптимизированы, стандартное отклонение составляет 2% или меньше, что достигается ручным или автоматическим считыванием хорошего качества, совместно с испытанным ТЛ материалом.

Практический вывод.

ТЛ материалы, имеющие стандартное отклонение больше, чем 2% либо плохого качества, либо неправильно настроены. Их не следует применять для in-vivo дозиметрии, пока процедура снятия показаний не будет улучшена.

Чувствительность.

Всегда существуют некоторые различия в чувствительности для группы ТЛД. Для ограничения влияния этих различий, можно использовать различные методы.

Наилучший метод следующий. Облучить все дозиметры в определенной геометрии, затем снять показания и приписать каждому из них чувствительность в виде коэффициента S_i:

S_i=R_i / R'.

где R_i— показания i-го дозиметра, а R'- усредненное показание для данного дозиметра. Данный коэффициент чувствительности показывает отклонение отклика каждого дозиметра относительно среднего значения. Несмотря на то, что это среднее значение может сильно меняться от облучения к облучению, S_i остается постоянным, так как все дозиметры имеют соответствующие отклонения. Коэффициент чувствительности следует периодически проверять, чтобы учесть возможные ошибки, происходящие, когда ТЛД не очень хорошо подготовлены.

Другой метод, дающий похожую точность, состоит в разделении ТЛД на группы по чувствительности (т.е. группы дозиметров, отклик которых изменяется менее, чем на 1 или 2% от среднего по группе) и увеличении числа дозиметров, используемых для каждой точки измерений. Если имеется автоматический считыватель, такой метод очень удобен, поскольку считывание занимает очень короткое время. Если распределение чувствительности в группе меняется со временем по причинам, описанным выше, следует повторить измерения, чтобы добиться заданной точности.

Практический вывод.

Для твердых дозиметров: различия в чувствительности следует учитывать или путем их нахождения и определения индивидуальных коэффициентов чувствительности или путем объединения дозиметров в группы с одинаковой чувствительностью.

Для достижения оптимальной точности при использовании ТЛ порошков, количество порошка и условия считывания должны быть точно определено и скорректировано. Чувствительность зависит от массы ТЛ материала, которую следует выбирать в зависимости от условий считывания, что зависит от кинетики нагревания. Для большинства материалов сигнал пропорционален массе при линейной скорости нагрева. Следует вносить либо поправку на линейность при различной массе образцов, либо использовать образцы с одинаковой массой.

Некоторые материалы, например, Li₂B₄O₇:Cu имеют чувствительность, которую можно считать независящей от массы при ее определенном значении, если применять автоматическое считывание с изотермическим нагревом. В этом случае нет необходимости взвешивать порошок, достаточно просто измерять объем порошка.

Практический вывод.

Для порошков: следует определить чувствительность порошка в зависимости от массы материала для имеющихся условий считывания и при необходимости вносить поправки.

Зависимость чувствительности от дозы.

Независимо от ТЛ материала, зависимость интенсивности термолюминесценции от поглощенной дозы имеет вид кривой. При относительно низких величинах поглощенной дозы зависимость линейная, график начинается с фонового значени. Значение ограничивает линейный участок, далее идет сверхлинейный участок чувствительности, достигающий насыщения в точке и затем чувствительность спадает. Это связано с повреждениями кристаллической решетки при облучении ТЛ кристаллов, в результате чего возрастает чувствительность детектора, т.к. дефекты могут служить ловушками для электронов, внося свой вклад в процесс ТЛ. Значения уровня доз, ограничивающих линейный участок, и дозы, при которой происходит насыщение, для ТЛД, используемых в лучевой терапии, приведены в табл. 9. Наличие нелинейного участка на кривой дозовой чувствительности не мешает использовать ее в дозиметрии, если ввести поправочный коэффициент. Хорошим примером служит LiF, имеющий линейный участок только от 10^-5 до 1 Гр, но широко используемый на практике. Однако не рекомендуется использовать ТЛД в области сверхлинейности, приближающейся к насыщению.

Таблица 10. Зависимость чувствительности от дозы для различных ТЛ материалов, используемых в in-vivo дозиметрии. Доза, соответствующая концу линейного участка и насыщению, представлена в колонках 2 и 3 соответственно.

Следует иметь в виду, что сверхлинейный участок и участок насыщения дозы, могут изменяться при плохих условиях нагрева, при неправильном облучении и температурных перепадах.

Практический вывод.

На практике рекомендуется использовать ТЛД в области, где чувствительность пропорциональна дозе (линейный участок). В противном случае в полученное значение дозы следует вводить поправку, которую получают из кривой чувствительности для данного материала, полученную на аппарате и в условиях пользователя, а не по опубликованным данным, так как параметры считывания каждый раз могут меняться. Данный график следует периодически проверять. Поправки можно внести в компьютер и использовать с некоторыми автоматически считывающими системами, что позволяет вводить поправку автоматически.

ТЛД не следует использовать на участке сверхлинейности вблизи точки насыщения.

Процедура отжига Некоторые материалы, такие, например, LiF сильно зависят от теплового воздействия, называемого отжиг (annealing), который проводится перед первым облучением и после использования. Если данная процедура не проводится, то чувствительность ТЛД и фон сильно меняются. Более того, дозиметрические свойства не остаются постоянными. Это происходит из-за кластерных процессов внутри дефектов, которые могут сопровождаться генерацией термолюминесценции, увеличивая, таким образом, зависимость сверхлинейности и чувствительности от скорости нагрева.

Перед первым использованием, процедура нагревания Li₂B₄O₇, с примесью меди или марганца, включает отжиг от 15 мин до часу при 300 °C, при этом дополнительный отжиг перед следующим использованием не требуется.

Отжиг намного сложнее для некоторых способов приготовления LiF, и может изменять дозиметрические свойства ТЛ материалов, если процедура проведена неправильно. Это зависит от формы, в которой выпускается LiF. Можно обратиться к литературе и к указаниям производителя по проведению процедуры отжига для данного ТЛД LiF. Для LiF: Mg, Ti в виде цилиндров или палочек следует применять отжиг от 1 до 2 часов при 400 °C, затем 24 часа при 80 °C после каждого использования.

Некоторые производители рекомендуют не отжигать LiF детекторы после повторного использования. Наш опыт показал, что правильные результаты можно получить, если заменить процедуру отжига предварительным нагреванием материала непосредственно перед считывания.

Практический вывод.

Li₂B₄O₇ с примесью меди или марганца можно использовать повторно много раз без процедуры нагревания между считыванием и последующим облучением.

LiF, CaSO₄ и CaF₂ нуждаются в специальной процедуре нагревания после каждого использования.

Влияние мощности дозы ТЛ дозиметры не имеют зависимости от величины мощности дозы. Например, LiF и Li₂B₄O₇ не имеют зависимости от мощности дозы вплоть до 45 Гр и 10³ Гр за импульс 0,1 мкс. Это на практике означает, что при применении ТЛД учитывать изменение мощности дозы, получающееся при применении модификаторов пучка облучения, изменения РИП, толщины пациента и т. д., не нужно. Даже чрезмерно высокие мощности дозы, получающиеся в пучках электронов линейных ускорителей, не создают особых трудностей.

Практический вывод.

Поправку на мощность дозы, в пределах используемых в клинике доз, вносить не надо.

Влияние температуры Так как температура, которая требуется для получения свето…

Практический вывод.

Чувствительность ТЛ дозиметров может быть скорректирована с учетом энергии электронов или фотонов. Поправочный коэффициент нельзя брать из теоретических данных, за исключением некоторых случаев. Этот коэффициент определяют в тех же условиях, что и при облучении пациентов, для типов дозиметров, используемых на практике при снятии показаний специальными считывателями.

Для дозиметров, работающих совместно с определенными анализаторами, энергетические поправочные коэффициенты остаются постоянными, и могут быть введены в компьютер считывающей системы для автоматического введения поправки.

Влияние направления падающего пучка.

Чувствительность ТЛД не зависит от направления падения пучка.

Практический вывод.

Вносить поправку влияние направления падающего пучка не надо, за исключением случаев, когда контейнер или равновесный колпачок имеют ассиметричную форму. Даже при тангенциальном облучении молочной железы или грудной стенки не наблюдается зависимость чувствительности детектора от направления облучения.

Клиническое применение Теоретически, для in-vivo дозиметрии с ТЛД можно использовать те же подходы, что и для диодов. Действительно, если детекторы идентифицировать и сохранить запись, то калибровочный коэффициент можно приписать индивидуально каждому ТЛД, как и для диода. Конечно, необходимо проверять эти значения через некоторое время. Однако эта процедура нуждается в высокой стабильности процесса считывания, отжига и всех условий проводимых манипуляций, что на практике достичь очень сложно. Более того, сохранение номера каждого детектора не просто для твердого детектора; и пока технически невыполнимо для порошка.

Практически, для калибровки полезно использовать большое число детекторов или большое количество порошка. Поэтому полезно оставлять несколько детекторов (или некоторое количество порошка) для целей калибровки, и преобразовывать данные с детекторов, использованных на больных, в дозу, сопоставляя их сигналы с калиброванными детекторами. Вместо того чтобы периодически проверять калибровочные коэффициенты, при каждой процедуре считывания рабочих детекторов, их исследуют вместе с несколькими калиброванными детекторами. Эти методы, применительно к ТЛД, в настоящее время хорошо описаны и, благодаря наличию современных автоматических считывателей, широко применяются, особенно для in-vivo дозиметрии.

Калибровка термолюминесцентных дозиметров Методы калибровки ТЛД в основном такие же, как и для диодов. Устанавливают тот же фантом и таким же образом в качестве референсного инструмента используют ионизационные камеры. Можно определить калибровочные коэффициенты для дозы на входе и на выходе. Однако единственный фактор, важный для ТЛД, будет различным относительно расстояния от ионизационной камеры и детектора до источника, отношение F между двумя коэффициентами будет ближе к единице чем для некоторых диодов.

Нет необходимости каждый раз облучать и калибровать детекторы заново для каждого цикла считывания. Калиброванные детекторы, облучавшиеся вместе, можно применять для различных циклов так долго, пока интервалы между их облучением не превысят сроки, когда фединг для детекторов пациента станет больше 1%.

Каждый фактор, влияющий на чувствительность ТЛД, может быть причиной того, что когда клинические условия отличаются от референсных, может возникнуть необходимость в поправочных коэффициентах. Однако при калибровке детекторов в пучке того же качества, что и для лечения пациентов, не требуется вводить никаких поправок, за исключением поправки C_D на нелинейность кривой чувствительности для некоторых ТЛ материалов. Это делает ТЛД привлекательными для in-vivo дозиметрии.