AIFM La gestione del dato dosimetrico nelle esposizioni mediche Corso formativo, Roma 28 maggio 2015

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1 AIFM La gestione del dato dosimetrico nelle esposizioni mediche Corso formativo, Roma 28 maggio 2015 La dose assorbita: evoluzione dei metodi di misura e di valutazione. Problemi dosimetrici attuali R. F. Laitano Argomenti della relazione La dose assorbita, D Grandezze utili per la determinazione di D Generalità sul calcolo e la misura di D w I protocolli internazionali per la dosimetria di base Necessità di linee guida per la misura di D w in condizioni diverse da quelle degli attuali protocolli (I livelli di accuratezza su D w auspicabili in RT e RD) AIFM Roma

2 La grandezza dose assorbita, D Attuale definizione di D (ICRU Rep. 85, 2011): punto d arrivo di un evoluzione iniziata da circa un secolo: Christen,1914 ( dose ) Gray & Road, 1939 ICRU 1951, 1954, 1957, 1961, 1962, 1971, 1980, Una corretta definizione di D deve consentire di ottenere una correlazione univoca fra l entità, E bio, di un effetto biologico e l energia di una radiazione ionizzante che lo ha indotto: E bio = f(d) AIFM 2015 Roma 2 Basi concettuali della definizione di D D lim m0 m d dm 1 d dv J/kg (Gray), [1 Gy = 1 J/kg] R m(v) in R ex R in R ex Q energia media depositata [R: energia radiante = E (neutre) +T (cariche) (escl. M 0 c 2 )] variaz. energie a riposo Q (<) 0 se ΔM 0 (>) 0 (ε /m): grandezza stocastica (poco utilizzabile) ( /m): valore medio (funzione analitica) /m AIFM 2015 Roma m 3

3 L energia media depositata, Importanza del termine Q in: R in R ex Q Esempio (creazione di coppie): DM > 0 Q < 0 R in = hn 0 V e- T ex e+ T ex R ex = hn0 - (Te- + Te+) 2M0c 2 Q assicura il corretto bilancio fra, R in e R ex La definizione di tiene conto di tutti gli aspetti energetici al fine di correlare univocamente E bio e D AIFM 2015 Roma 4 Non garanzia di univocità, per radiazioni ad alto LET, nella correlazione fra E bio e D Pur tenendo conto di tutti i processi fisici legati alla deposizione di energia della radiazione in un mezzo, il valore di D in alcune situazioni sperimentali - riferite a radiazione densamente ionizzante (alto LET) - non è correlabile univocamente a E bio. E bio rad. alto LET rad. basso LET D 0 D AIFM 2015 Roma 5

4 Dose fisica Dose biologica Radiazione ad alto LET: minor probabilità di riparazione del danno maggiore efficacia della radiazione D bio = D phys RBE (N) 1.1, protoni > 2, LET>200 kev/m D bio SOBP ioni C 290 MeV/u D phys SOBP ioni C 290 MeV/u AIFM 2015 Roma 6 Determinazione di D per radiazione indirettamente ionizzante (fotoni, neutroni) Calcolo di D m (nel mezzo m) in base alla sua definizione Il calcolo di D m (P), nell elemento di volume dv, richiede la conoscenza delle fluenze di energia (Y= FE) entranti in dv e uscenti da dv, relative sia alle particelle neutre (primarie e secondarie) che a quelle cariche (secondarie, terziarie, ecc). F dn da F dl dv AIFM 2015 Roma 7

5 Calcolo di D m (P) in un mezzo m esposto a fotoni Conoscenza di YFE del campo di radiazione primaria, secondaria e terziaria (fotoni ed elettroni) in ingresso e all uscita di V hn Compt S (hn) * V.P T Compt bre R in R ex (Q 0) D 1 d dv T 1 T 2 m R = E + T fotoni ed elettroni AIFM 2015 Roma 8 Utilità di ulteriori grandezze fisiche per agevolare il calcolo di D quando la radiazione primaria è indirettamente ionizzante Il kerma, K, - definito solo per radiazione indir. ioniz. (fotoni, neutroni) - è una grandezza dosimetrica che, in relazione alle grandezze di campo, dipende solo da F(E,P) nel punto P del mezzo m cui K è riferito: energia media trasferita K lim tr m0 m d tr dm 1 d tr dv [J/kg (Gy)] AIFM 2015 Roma 9

6 L energia media trasferita, tr Dato un campo di radiazioni indirettamente ionizzanti che interagiscono con un mezzo, l energia media trasferita a un volume V di quel mezzo è la grandezza: tr E in E * ex Q E in dove è la somma media delle energie delle radiazioni indirettamente ionizzanti entranti in V ed è la somma media delle energie delle radiazioni indirettamente ionizzanti che escono da V, non includendo in questa somma l energia delle radiazioni indirettamente ionizzanti che hanno origine in V a seguito di perdite radiative delle particelle cariche. E ex * AIFM 2015 Roma 10 Il kerma, K m (P), nel punto P di un mezzo m esposto a un fascio di fotoni hn Compt T Compt S (hn) * 2 3.P V bre 1 T 1 T 2 bre K 1 d tr dv tr E in E ex * (Q = 0) solo fotoni bre m dipende solo dalle interazioni che i fotoni hanno all interno di V AIFM 2015 Roma 11

7 Espressione equivalente del kerma, K (definizione operativa di K) K d tr dm dt tr dm dove, l energia trasferita media,, è uguale a, essendo : la somma media delle energie cinetiche iniziali di tutte le particelle cariche liberate nella massa dm a seguito delle interazioni che la radiazione ha avuto in dm. dt tr d tr [J/kg (Gy)] kerma: kinetic energy released in matter dt tr AIFM 2015 Roma 12 Diretta calcolabilità di K m (P),nel punto P di un mezzo m, in funzione della F(E,P) m dei fotoni di energia E incidenti su V hn Compt T Compt S (hn) 3 * 2.P V 1 bre T 1 T 2 bre bre K 1 dt tr dv m tr m att E tr E m K m (P) F(P) E (m tr ) E,m K col K rad AIFM 2015 Roma 13

8 Relazione fra D e K col (a) K col (P) m F(P) E (m en ) E,m, In condizioni di CPE (ST in = ST ex ) * nel volume V(P), si ha: K col (P) m CPE dove: D (P) m E m en m en att E m tr (1 g) e quindi: CPE E max D m (P) F(P) m en ) E F E E,m (P) m en ) E de E,m E min *(l /R molto grande) AIFM 2015 Roma 14 Relazione fra D e K col (b) CPE D m (P) F(P)E m en ) E,m D m D m CPE m m en ) m, TCPE (fotoni) D(P) TCPE K col (P) emx TCPE D m m >1 (K col ) m AIFM 2015 Roma 15

9 La grandezza Terma, T per il calcolo di D (per fotoni) mediante integrali di convoluzione Terma Total energy released to the mass in dv at a point P in a medium T m (P) F(P) E (m att ) E,m Y(P)(m att ) E,m (Gy) F(hn) P dv AIFM 2015 Roma 16 (adapt. from N. Papanikolaou Tex. Univ.) Principali campi d attività in cui è hn richiesta la dosimetria K(r,r ) describes the fraction of energy deposited at r by sec. chrg. part. originating at r Interaction site (dv) where a total en. T(r ) is released by the prim. ph. beam AIFM 2015 Roma 17 AIFM 2015 Roma 17

10 (ref. N. Papanikolaou Tex. Univ.) Scopo della dosimetria in Radioprotezione AIFM 2015 Roma 18 Condizioni per un calcolo semplificato di D (per fotoni) mediante una convoluzione (T X K) 1- CPE or TCPE, full scatter conditions (i.e., within an infinite medium irradiated by an an infinitely broad beam), 2 spatially invariant kernel (i.e., K(r,r ) = K(r r ) ) D Tx) K(x-x ) AIFM 2015 Roma 19

11 Determinazione di D per radiazione direttamente ionizzante (part. cariche): calcolo di D m Il prodotto: F(P) 1 ( (dt ) el ) m m dl [J/kg] potere frenante massico elettronico del mezzo m, (S el /) m fornisce l energia persa, T m = DT/m, da un fascio di particelle cariche in una massa m irradiata uniformemente e -, p. m AIFM 2015 Roma 20 Il calcolo di D m per particelle cariche Se l energia persa, T m, è uguale all energia depositata nella massa m, si ha: T m = D m = F(S el /) m Questa uguaglianza presuppone l assenza dei raggi d, ovvero il ritenere accettabile l approssimazione del rallentamento continuo (CSDA) (perdite di energia locali). In realtà, T m = D m solo se nella massa m si ha equilibrio dei raggi d ( mezzo omogeneo). e -, p. d 1 d 2 d d m AIFM 2015 Roma 21

12 Determinazione di D m in un mezzo m per radiazioni dir. e indir. ionizzanti (fotoni, part. cariche) Misura di D m D w : Per la misura di di D w si può, in linea di principio, usare un qualsiasi rivelatore purchè dotato di suffficiente riproducibilità ( 0,1%) e dell appropriato coefficiente di taratura, N Dw,Q : D w,q M Q N Dw,Q Q qualità della radiazione : tipo ed energia M Q segnale fornito dal rivelatore AIFM 2015 Roma 22 Dipendenza di N Dw,Q dalle condizioni di misura (in part. dall energia della radiazione) N Dw D w M D w kd riv tar m en condizioni ideali: 1)E tar = E RT, 2) disponibilità di un N Dw,Q per ogni Q RT ma non realizzabili! S el w ) riv w ) riv (ind. ion.) (dir. ion.) quindi: N Dw = f (E), tanto più variabile quanto più w riv AIFM 2015 Roma 23

13 Misura di D w,q mediante un dosimetro dotato di un (solo) coefficiente di taratura, N Dw,Qo, ottenuto alla qualità Q 0 D Dw,Q M Q N D w,q0 k Q,Q0, dove k Q,Qo corregge N Dw,Qo se Q Q 0 Il valore del fattore correttivo k Q,Qo dipende da molte variabili relative sia al campo di radiazione, sia alla geometria d irraggiamento, sia alle caratteristiche del dosimetro Il fattore k Q,Qo è determinabile con sufficiente accuratezza solo se il dosimetro è una camera a ionizzazione a cavità ( Teoria della cavità) PROTOCOLLI DI DOSIMETRIA DI BASE AIFM 2015 Roma 24 PROTOCOLLI INTERNAZIONALI PER LA DOSIMETRIA IN RADIOTERAPIA CON FASCI ESTERNI IN CONDIZIONI DI RIFERIMENTO - AAPM s TG-51protocol for clinical reference dosimetry of high-energy photon and electron beams Med. Phys. 26 (9) Addendum to the AAPM s TG- 51protocol for clinical reference dosimetry of highenergy photon beams Med. Phys. 41 (4) ENERGY AGENCY Vienna 2000 AIFM 2015 Roma 25

14 PROTOCOLLI INTERNAZIONALI PER LA DOSIMETRIA IN RADIOTERAPIA CON FASCI ESTERNI IN CONDIZIONI DI RIFERIMENTO - AAPM TG-51: per fasci di fotoni e di elettroni con E > 1 MeV - IAEA TRS 398: per tutti i fasci di radiazione usati in RT (MVRX, kvrx, elettroni, adroni) -Pur se diversi in vari aspetti operativi, i protocolli IAEA e AAPM consentono livelli di accuratezza e risultati sostanzialmente identici. ENERGY AGENCY Vienna Il loro uso, unitamente alla taratura periodica dei dosimetri, sono ESSENZIALI per l affidabilità della dosimetria nei centri di RT! AIFM 2015 Roma 26 LE CONDIZIONI DI RIFERIMENTO NEI PROTOCOLLI DI DOSIMETRIA - Uso di camere a ionizzazione a cavità (cil. + p-p) per misure di D w e delle PDD in fantoccio; - Vincoli per le distanze, le profondità in fantoccio, le dimensioni dei campi di radiazione ecc.; - Fantocci dosimetrici di materiali e dimensioni specificate; ENERGY AGENCY Vienna 2000 AIFM 2015 Roma 27

15 La dosimetria in condizioni diverse da quelle di riferimento ma compatibili con la dosimetria di base dei Protocolli - Uso di rivelatori diversi dalle camere a cavità, tarati rispetto a quest ultime, e dotati di idonee caratteristiche (linearità, risposta in energia nota, sufficiente riproducibilità, ecc.); - Uso di geometrie d irraggiamento diverse (dimensioni del campo) purchè tali da mantenere coerenza e riferibilità con la dosimetria di base; ENERGY AGENCY Vienna Uso di parametri quali OF (output factor), RDF (relative dose factor), ecc.. per ottenere i dati dosimetrici (riferiti alle condizioni reali) da inserire nei TPS. AIFM 2015 Roma 28 Limiti di validità dell OF rispetto alle dimensioni del campo (Sanchez-Doblado et al, Phys Med, 23, 58, 2007) AIFM 2015 Roma 29

16 Output factors variations for 6 mm and 18 mm sqaure fields (from R. Ulrich BrainLab) AIFM 2015 Roma 30 Condizioni per la validità della dosimetria basata sugli attuali Protocolli (a) D Dw,Q M Q N D w,q0 k Q,Q0 I parametri fisici e i fattori correttivi (W air s w,air p cav p dis p wall p cel ) presenti in k Q,Qo sono determinati (e devono essere usati) in condizioni in cui vi sia CPE o TCPE CPE 10x10 cm 2 TCPE Con campi, A, larghi (A>3x3cm 2 ) e in regioni di TCPE gli spettri di energia, F E, sono noti (alle diverse Q) e sono poco variabili al variare di A. Quindi k Q,Qo non varia con A ENERGY AGENCY Vienna 2000 AIFM 2015 Roma 31

17 Lo scostamento da 1 del rapporto D/K col fornisce una misura del grado di TCPE in funzione della dimensione del campo Li et al. Med. Phys. 22, 1167 (1995) AIFM 2015 Roma 32 Condizioni per la validità della dosimetria basata sugli attuali Protocolli (b) D Dw,Q M Q N D w,q0 k Q,Q0 Il segnale M Q è riferibile a M Qo (ottenuto in condizioni di taratura) se il volume del rivelatore è irraggiato completamente e uniformemente dal campo di radiazione A 1 A2 ENERGY AGENCY Vienna 2000 F Qo km Qo F Q km Q AIFM 2015 Roma 33

18 Cause principali della perdita di validità dei Protocolli nell uso dei comuni rivelatori in campi stretti (statici e dinamici) di fotoni (A < 3x3cm 2 ) 1- Assenza di CPE laterale 2- Irraggiamento non uniforme dei rivelatori (volume averaging effects) 3- Perturbazione della fluenza da parte del rivelatore (quasi mai sufficientemente piccolo) AIFM 2015 Roma 34 Cause principali della perdita di validità dei Protocolli nell uso dei comuni rivelatori in campi stretti (statici e dinamici) di fotoni (A < 3x3cm 2 ) 1- Assenza di CPE laterale 2- Irraggiamento non uniforme dei rivelatori (volume averaging effects) F E F E 1 2 F F F Q k M Q E E k k AIFM 2015 Roma 35

19 Cause principali della perdita di validità dei Protocolli nell uso dei comuni rivelatori in campi stretti di fotoni (A < 3x3cm 2 ) 3- Perturbazione della fluenza Un rivelatore posto in un sottile fascio di radiazione causa una forte perturbazione della fluenza per cui il segnale M non corrisponde più alla D nel mezzo in assenza del rivelatore se la corrispondenza fra M e D è quella ottenuta in fase di taratura con campi larghi. A seguito di ciò possono essere introdotti nella dosimetria errori dell ordine del 10%. m (con il rivelatore) m (in assenza di rivelatore) ENERGY AGENCY Vienna 2000 F E F E AIFM 2015 Roma 36 La qualità Q per fasci sottili Beam quality specification is a problem (in some FFF machines 10x10 collimator setting not available!) (TPR 20/10, 10x10 cm 2 ) Sauer, Med Phys (2009) 36, 4168 Seuntjens, 2014 AAPM Summer School Burlington, VT AIFM 2015 Roma 37

20 Reviews on small field dosimetry R. Alfonso, P. Andreo, R. Capote, M. S. Huq, W. Kilby, P. Kjäll, T. R. Mackie, H. Palmans, K. Rosser, J. Seuntjens, W. Ullrich, and S. Vatnitsky, A new formalism for reference dosimetry of small and nonstandard fields, Med. Phys. 35, (2008). I. J. Das, G. X. Ding, and A. Ahnesjö, Small fields: Nonequilibrium radiation dosimetry, Med. Phys. 35, (2008). H Palmans (2011) CN-182-INV006, Small and composite field dosimetry: the problems and recent progress. IDOS Conference, Vienna. M. Aspradakis, J. Byrne, H. Palmans, J. Conway, K. Rosser, J. Warrington, and S.Duane, Small field MV photon dosimetry, IPEM Report No. 103 (Institute of Physicsand Engineering in Medicine, York, 2010). Large amount of articles - since on the topic of small field dosimetry! AIFM 2015 Roma 38 New formalism for use of cavity chambers in non conventional fields Two related routes for D w : - Small static field dosimetry (ad es. Cyberknife, Tomotherapy, Gammaknife) machine-specific reference field, () - Composite field IMRT dosimetry (ad es. IMRT, fasci scans. ecc.) plan-class specific reference field, pcsr) AIFM 2015 Roma 39

21 New formalism for ion. chambers in small static fields (e.g., CyberKnife, TomoTherapy, GammaKnife) Alfonso el al (2008), Med Phys 35 (11) new CoP: IAEA TECDOC??? D f w,q M f Q N D,w,Q o k Q,Q o k f Q, f,q ref D fclin w,q clin D M M f w,q f Q f Q clin clin f Q D D f clin, clin, Q fclin w,q f w,q clin M M f Q f Q clin clin clin Analogous formalism (with f pcsr in place of f ) in composite-imrt fields (e.g., dynamic, step and shoot, or scanning beam fields) M M f Q f Q AIFM 2015 Roma 40 clin clin k f Q clin clin, f, Q Dose Area Product (DAP) per fasci sottili e a scansione Il prodotto Dose x Area (Gy cm 2 ) si può misurare direttamente con un rivelatore di superficie A irradiato uniformemente. A L uso del DAP (: integrale di D su un area A specificata) in alternativa alla D(P) riduce le variazioni fra le misure con i diversi tipi di rivelatori (*). Il DAP% in profondità (PDDAP) non dipende dalle dimensioni del campo. (*) Djouguela et al, Zeit. Med. Phys. 16 (2006) 217 Underwood et al, Med. Phys. 40 (2013) AIFM 2015 Roma 41

22 Indicatore della qualità: DAPR 20/10 AIFM 2015 Roma 42 Contrary to TPR 20/10, DAPR 20/10 is independent of the field size small field D w = N Dw (DAPR 20/10 ) Σ M i Avendo determinato un k Q corrispondente al DAPR -Problema 1: determinare nuovi k Q,Qo (da parte di NMI o di utenti). -Problema 2: modificare i TPS inserendo valori di DAP anziché di D(P) -Problema 3: acquistare ulteriori rivelatori a superficie estesa. AIFM 2015 Roma 43

23 Accuracy needs in RT dosimetry David Thwaites (2013) Med. Phys. Inst. University of Sydney, Australia Accuracy required and achievable in radiotherapy dosimetry: have modern technology and techniques changed our views? Journal of Physics: Conference Series 444 (2013) IOP Publishing 7thInternational Conference on 3D Radiation Dosimetry + AAPM Rep. 85, 2004 AIFM 2015 Roma 44 Uncertainty, u(d), on absorbed dose, D, as a function of probability of tumor control, P TC, and probability of normal tissue complications, P NTC P TC P NTC P % P % u(d) P UTC D D P UTC = P TC (1 P NTC ), probability of uncomplicated tumor control gsteepness of the dose response (g: from 1 to 6, average 3) g= D (DP NTC /DD) = DP NTC (%) /DD(%) DD(%) = 1% DP NTC = g%)

24 DOMANDE? AIFM 2015 Roma 46