Ακτινική επιβάρυνση από ακτινογράφηση και υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης στην απεικονιστικά καθοδηγούμενη ακτινοθεραπευτική πράξη

Abstract

The application of modern techniques for delivering high therapeutic dose from X-ray provided by a linear accelerator (LE) requires strict and repeatable spatial precision. This happens in order for the target tumor to receive the calculated dose with a simultaneous reduction of the radiation burden of the neighboring healthy organs and a reduction of unwanted side effects. The control of the accuracy of patient's treatment position in the radiotherapy table, as well as the confirmation of the target tumor, are achieved by using radiological imaging systems adapted to Linac. Irradiation parameters (kVp, mA, mSec) and irradiation conditions may vary widely, having direct effect on the corresponding range of absorbed doses by patient's organs. In addition, theoretical radiogenic risk from OBI depends, among other factors, on the type of imaging (2D x-ray, or 3D cone beam computed tomography / CBCT) and on the total number of scans until the completion of the treatment. Considering that every appliance of ionizing radiation must be optimized to the maximum extent possible, this PhD thesis aims to ensure the right operation and control of OBI imaging systems, quantify the risk through the estimation of the absorbed organ dose and propose minimization methods of. In the preliminary study, somatometric and demographic data of 512 patients who underwent imaging-guided radiation therapy were collected, as well as the exposure data of the imaging procedures. Commercially available PCXMC software was used to calculate organ absorbed doses and patient effective doses from radiographs, while the newest version of the PCXMC 2.0 software was used for the corresponding calculations of doses from CBCT cone beam tomography. Specifically, for CBCT scans, two different simulation models of the half & full fan bowtie filters were developed whose results show strong correlation between them and in the experimental results. Thorough calculations were performed for assumptions of different imaging isocenter positions, acquisition angles, and patient BMIs. Moreover, special attention was given to experimental determination of eye lens doses for different scanning conditions. As far as X-rays are concerned, in the present study a methodology was developed, and the protocols were optimized for the head/neck and pelvis regions, thus achieving a significant reduction in the absorbed doses. The optimized protocols were incorporated into the clinical routine after pilot appliance and outcome evaluation. Finally, the experimental part of the study includes a methodology with the use of three dosimetric tools a) thermoluminescence dosimeters TLD-100 b) Gafchromic XR-QA2 radiochromic films and c) Sun Nuclear IVD diodes. Dosimetric tools were calibrated for the radiographic system studied and their individual physical and technical characteristics (accuracy, repeatability, energy dependence, etc.) were investigated.

Η εφαρμογή των σύγχρονων τεχνικών χορήγησης υψηλής θεραπευτικής δόσης από ακτινοβολία Χ που παρέχεται από γραμμικό επιταχυντή (Γ.Ε.) απαιτεί αυστηρή και επαναλήψιμη χωρική ακρίβεια προκειμένου ο όγκος στόχος να λάβει την υπολογιζόμενη δόση με ταυτόχρονη μείωση της ακτινικής επιβάρυνσης των γειτονικών υγειών οργάνων και κατ’ επέκταση μείωση των ανεπιθύμητων παρενεργειών. Ο έλεγχος της ακρίβειας της θέσης θεραπείας του ασθενούς στην ακτινοθεραπευτική κλίνη, καθώς και η επιβεβαίωση του όγκου-στόχου επιτυγχάνονται με χρήση ακτινολογικών απεικονιστικών συστημάτων τα οποία είναι προσαρμοσμένα στον Γ.Ε. Οι ακτινολογικοί παράμετροι ακτινοβόλησης (kVp, mA, mSec) και οι συνθήκες ακτινοβόλησης μπορούν να ποικίλουν σε μεγάλο εύρος, με άμεσο αποτέλεσμα την αντίστοιχη διακύμανση των απορροφούμενων δόσεων από τα όργανα του ασθενούς. Επιπλέον, ο θεωρητικός ακτινογενής κίνδυνος από τη χρήση του OBI εξαρτάται, μεταξύ άλλων παραγόντων, από το είδος της απεικονιστικής λήψης (δισδιάστατη ακτινογραφία), ή τρισδιάστατη υπολογιστική τομογραφία κωνικής δέσμης / CBCT) και από τον συνολικό αριθμό των λήψεων έως την ολοκλήρωση της θεραπείας. Θεωρώντας ότι κάθε εφαρμογή ιοντιζουσών ακτινοβολιών πρέπει να είναι βελτιστοποιημένη κατά τον μέγιστο δυνατό βαθμό, η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στη διασφάλιση καλής λειτουργίας και ελέγχου των απεικονιστικών συστημάτων ΟΒΙ, στην ποσοτικοποίηση του κινδύνου μέσω της εκτίμησης της απορροφούμενης δόσης οργάνων καθώς επίσης και στην πρόταση μεθόδων ελαχιστοποίησης του. Στη προδρομική μελέτη έγινε συλλογή των σωματομετρικών και δημογραφικών δεδομένων 512 ασθενών που υποβλήθηκαν σε απεικονιστικά καθοδηγούμενη ακτινοθεραπεία καθώς επίσης και των στοιχείων έκθεσης των απεικονιστικών πράξεων. Για τον υπολογισμό των απορροφούμενων δόσεων των οργάνων και των ενεργών δόσεων των ασθενών, από τις ακτινογραφικές λήψεις χρησιμοποιήθηκε το εμπορικά διαθέσιμο λογισμικό PCXMC. Ενώ για τους αντίστοιχους υπολογισμούς των δόσεων από τις υπολογιστικές τομογραφίες κωνικής δέσμης CBCT χρησιμοποιήθηκε η νεότερη έκδοση του λογισμικού PCXMC 2.0. Συγκεκριμένα για τις σαρώσεις CBCT αναπτύχθηκαν δύο διαφορετικά μοντέλα προσομοίωσης των φίλτρων half & full fan bowtie τα αποτελέσματα των οποίων εμφανίζουν ισχυρή συσχέτιση τόσο μεταξύ τους, όσο και με τα πειραματικά αποτελέσματα. Επιπλέον, ενδελεχείς υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν για υποθέσεις διαφορετικών θέσεων του ισοκέντρου απεικόνισης, γωνιών λήψης και δεικτών BMI ασθενών. Επίσης, δόθηκε ιδιαίτερη σημασία στον πειραματικό προσδιορισμό των δόσεων των φακών των οφθαλμών για διαφορετικές συνθήκες σάρωσης. Αναφορικά με τις ακτινογραφικές λήψεις, στην παρούσα μελέτη αναπτύχθηκε η μεθοδολογία και έγινε η βελτιστοποίηση των πρωτοκόλλων λήψεις για τις περιοχές τις κεφαλής/τραχήλου και της πυέλου, επιτυγχάνοντας έτσι σημαντική μείωση των απορροφουμενων δόσεων. Τα βελτιστοποιημένα πρωτόκολλα εντάχθηκαν στην κλινική ρουτίνα έπειτα από πιλοτική εφαρμογή και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων. Τέλος, στη μεθοδολογία της πειραματικής μελέτης περιλαμβάνεται η χρήση τριών δοσιμετρικών εργαλείων α) δοσίμετρα θερμοφοταύγειας TLD-100 β) ραδιοχρωμικά φιλμ Gafchromic XR-QA2 και γ) δίοδοι IVD του οίκου Sun Nuclear. Τα δοσιμετρικά εργαλεία βαθμονομήθηκαν για το υπό μελέτη ακτινογραφικό σύστημα καθώς επίσης και διερευνήθηκαν τα επιμέρους φυσικοτεχνικά χαρακτηριστικά τους (ακρίβεια, επαναληψιμότητα, ενεργειακή εξάρτηση κλπ.).