ŚCO
Poprawa precyzji i bezpieczeństwa promieniowania jonizującego w radioterapii – ważne badania Polaków
Redaktor: Monika Stelmach
Data: 19.08.2022
Źródło: ŚCO
Działy:
Aktualności w Onkologia
Aktualności
Wspólna praca Świętokrzyskiego Centrum Onkologii i Głównego Urzędu Miar, dotycząca dozymetrii w wiązkach terapeutycznych promieniowania jonizującego, została zaprezentowana na tegorocznym światowym kongresie fizyki medycznej i inżynierii biomedycznej IUPESM WC2022 w Singapurze.
Przedstawione na kongresie IUPESM WC2022 (International Union for Physical and Engineering Sciences in Medicine World Congress) wyniki badań "Graphite ionization chamber as an ionometric standard of absorbed dose to water for the dosimetry of therapeutic photon beams (preliminary study)" (Grafitowa komora jonizacyjna jako wzorzec pierwotny dawki pochłoniętej w wodzie do dozymetrii terapeutycznych wiązek fotonów – badanie wstępne) to pierwszy efekt naukowej kooperacji Zakładu Fizyki Medycznej Świętokrzyskiego Centrum Onkologii z Laboratorium Promieniowania Jonizującego Głównego Urzędu Miar. W ubiegłym roku obie instytucje nawiązały współpracę naukowo-badawczą. W zespole jest 11 osób, w tym 7 z Zakładu Fizyki Medycznej ŚCO.
W odbywającym się co trzy lata kongresie IUPESM, pod egidą Międzynarodowej Organizacji Fizyki Medycznej (International Organization for Medical Physics) i Międzynarodowej Federacji Inżynierii Biomedycznej brało udział ponad 800 uczestników z 71 krajów. Dr Paweł Wołowiec był jedynym reprezentantem naszego kraju.
Przez komorę jonizacyjną do precyzji w radioterapii
– Wszystko zaczęło się od tego, że kiedy rozpoczęliśmy współpracę, zadaliśmy sobie pytanie, co możemy zrobić, żeby poprawić dokładność w radioterapii, czyli jak wykorzystać potencjał GUM i naszą praktykę dla dobra pacjenta – mówi dr n. fiz. Paweł Wołowiec, kierownik Zakładu Fizyki Medycznej ŚCO, który prezentował streszczenie pracy na kongresie w Singapurze.
Na całkowitą niepewność przygotowania i realizacji radioterapii, czyli leczenia przy użyciu promieniowania jonizującego, składa się bardzo wiele czynników. Jednym z nich jest dokładność, z jaką fizycy medyczni, dozymetryści są w stanie określić dawkę wytwarzaną przez medyczny akcelerator liniowy.
Do tego celu używa się komercyjnie dostępnych komór jonizacyjnych (urządzeń do pomiaru i rejestracji promieniowania jonizującego), które są wzorcowane we wtórnych laboratoriach wzorców dozymetrycznych. Te laboratoria dopiero wzorcują swoje komory w laboratoriach wzorców pierwotnych takich jak GUM. Skutkiem tego fizycy medyczni w pracy klinicznej używają komór jonizacyjnych wzorcowanych w innej wiązce (w wiązce kobaltowej) niż ta, która jest stosowana w teleradioterapii. To w konsekwencji wymusza stosowanie współczynnika korekcyjnego na inną jakość wiązki. Pomiar, który otrzymują, jest dokładny, ale nie idealny (dla fizyków jest obarczony większą niepewnością pomiaru).
– Ponieważ fizycy z GUM zbudowali już wcześniej komorę jonizacyjną i testowali ją w wiązkach dostępnych w ich laboratoriach, wymyśliliśmy, że jeśli weźmiemy wzorzec zbudowany w GUM i uda nam się zrobić z niego mobilny wzorzec pierwotny, który będziemy mogli wykorzystać do wzorcowania naszych komór bezpośrednio w wiązkach terapeutycznych stosowanych na co dzień do leczenia pacjentów, to będziemy mogli znacznie zmniejszyć niepewność wykonywania pomiarów naszą komorą. To z kolei wpłynie na precyzję podawania dawki terapeutycznej zleconej przez lekarza i zwiększenie bezpieczeństwa pacjenta – tłumaczy kierownik Zakładu Fizyki Medycznej ŚCO.
Komora jonizacyjna GUM-Dw3 to niewielki grafitowy cylinder z grafitową elektrodą centralną przymocowane do aluminiowej obudowy. W wyniku działania promieniowania dochodzi do jonizacji powietrza wypełniającego komorę, czyli powstają pary wolnych jonów dodatnich i wolnych elektronów, które pod wpływem pola elektrycznego wędrują do elektrod, dzięki czemu można zmierzyć ilość wytworzonego ładunku.
Z Monte Carlo dążą do ideału
Wzorzec pierwotny (jonometryczny) to komora jonizacyjna, która z definicji odtwarza jednostkę dawki pochłoniętej w wodzie. Nie wymaga kalibrowania, nie potrzebuje nic innego do pomocy. – Poprzez pomiar jonizacji w powietrzu jesteśmy w stanie, za pomocą odpowiednich współczynników, wyliczyć dawkę pochłoniętą w wodzie – precyzuje dr Paweł Wołowiec (pochłanianie promieniowania jonizującego przez tkanki miękkie jest zbliżone do jego absorpcji w wodzie).
Żeby udało się przejść z pomiaru jonizacji powietrza, znajdującego się wewnątrz komory jonizacyjnej, bezpośrednio do dawki pochłoniętej w wodzie, czyli do parametru, który jest nam potrzebny w radioterapii do obliczenia dawki terapeutycznej, niezbędne jest wyznaczenie odpowiednich współczynników korekcyjnych. W tym celu fizycy zbudowali wirtualny model przyspieszacza wykorzystywanego w ŚCO i za jego pomocą, metodami Monte Carlo, możliwe było wykonanie symulacji w celu wyznaczenia tych współczynników.
– Kiedy porównaliśmy wyniki pomiarów eksperymentalnej komory jonizacyjnej z komorami, które stosujemy obecnie, okazało się, że są one bardzo spójne, co daje nadzieję, że komora GUM będzie mogła w przyszłości zostać jonometrycznym wzorcem pierwotnym i będzie mogła być wykorzystywana do kalibracji innych komór w wiązkach terapeutycznych – dodaje fizyk medyczny.
Zanim jednak fizycy medyczni będą mogli korzystać z tego wzorcowego urządzenia pomiarowego na co dzień, komora musi przejść jeszcze wiele testów. Tym razem badacze będą skupiali się nie tylko na dokładności i minimalizacji niepewności pomiaru, ale również na powtarzalności wyników. Dopiero gdy upewnią się, że komora działa dokładnie i powtarzalnie, będzie można zgłosić ją do porównań kluczowych z innymi ośrodkami metrologicznymi na świecie. Wzorzec pierwotny (w tym przypadku jonometryczny) to metrologiczny ideał, jest ich może kilkadziesiąt na świecie. Stąd praca badawcza ŚCO i GUM wzbudziła takie zainteresowanie komitetu naukowego kongresu.
Potencjał ogranicza tylko czas i codzienność
To nie jedyny projekt badawczy, nad którym pracują fizycy z ŚCO. W ramach prac magisterskich pod kierunkiem prof. Andrzeja Wójcika z Uniwersytetu Sztokholmskiego realizowane są z Uniwersytetem Jana Kochanowskiego projekty w dziedzinie radiobiologii, dotyczące wpływu dużej mocy dawki na uszkodzenia i naprawę DNA w komórkach narażonych na promieniowanie gamma. We współpracy z prof. Andrzejem Wójcikiem oraz lekarzami z Działu Radioterapii ŚCO rozpoczęto projekt badawczy „Genetyczne podstawy wrażliwości tkanek prawidłowych na radioterapię” poświęcony indywidualnej promieniowrażliwości.
Z naukowcami z Politechniki Warszawskiej fizycy z ŚCO będą badać promieniowanie rozproszone wokół medycznych akceleratorów liniowych zainstalowanych w Świętokrzyskim Centrum Onkologii.
Konsorcjum naukowe (UJK, ŚCO i Politechnika Warszawska) zgłosiło natomiast do programu MEiN „Polska Metrologia” projekt badawczy „Podstawy metrologiczne terapii z wykorzystaniem promieniowania jonizującego”, związany z wzorcami jonometrycznymi do teleradioterapii i brachyterapii. Projekt uzyskał pozytywną rekomendację i został zakwalifikowany do finansowania. Jego celem jest utworzenie jonometrycznego wzorca pierwotnego dawki pochłoniętej w wodzie dla terapeutycznych wiązek fotonów stosowanych do teleradioterapii (czyli dalsze prace związane z wynikami wspólnych badań ŚCO i GUM, prezentowanymi na kongresie w Singapurze), a także utworzenie pierwotnego wzorca dla referencyjnej mocy kermy w powietrzu dla brachyterapii. (Kerma – kinetic energy released in mass - ilość energii przekazanej cząstkom naładowanym, np. elektronom, na jednostkę masy przez cząstkę jonizującą pośrednio, np. foton, neutron; referencyjna moc kermy służy do określania, ile promieniowania w jednostce czasu jest emitowane przez źródło promieniotwórcze stosowane do brachyterapii. Na tej podstawie obliczana jest dawka promieniowania, jaką otrzymuje pacjent w czasie leczenia).
Pozytywną rekomendację zespołu doradczego programu Polska Metrologia uzyskał również projekt „Podstawy metrologiczne ochrony radiologicznej w radioterapii interwencyjnej”, dotyczący wzorców wtórnych indywidualnych równoważników dawek Hp(3) i Hp(10) służących do oceny dawek otrzymywanych przez soczewkę oka oraz klatkę piersiową i krytyczne narządy wewnętrzne, zgłoszony przez konsorcjum naukowe (ŚCO, Politechnika Warszawska i Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie). Jego tematem jest ocena ryzyka narażenia i bezpieczeństwo personelu medycznego podczas wykonywania procedur medycznych z zakresu radiologii interwencyjnej (np. zabiegów chirurgicznych z wykorzystaniem śródoperacyjnego obrazowania RTG).
Zakład Fizyki Medycznej ŚCO, posiadający akredytację Centrum Medycznego Kształcenia Podyplomowego na prowadzenie szkoleń specjalizacyjnych w dziedzinie fizyki medycznej, aktualnie jako jeden z sześciu ośrodków w Polsce szkoli specjalistów z tej dziedziny.
– Potencjał jest. Ogranicza nas tylko czas i codzienność. Nie jesteśmy instytucją badawczą. Pracę naukowo-badawczą musimy wpleść w codzienną pracę kliniczną, ale chęci, żeby się rozwijać, są ogromne – mówi dr Paweł Wołowiec.
W odbywającym się co trzy lata kongresie IUPESM, pod egidą Międzynarodowej Organizacji Fizyki Medycznej (International Organization for Medical Physics) i Międzynarodowej Federacji Inżynierii Biomedycznej brało udział ponad 800 uczestników z 71 krajów. Dr Paweł Wołowiec był jedynym reprezentantem naszego kraju.
Przez komorę jonizacyjną do precyzji w radioterapii
– Wszystko zaczęło się od tego, że kiedy rozpoczęliśmy współpracę, zadaliśmy sobie pytanie, co możemy zrobić, żeby poprawić dokładność w radioterapii, czyli jak wykorzystać potencjał GUM i naszą praktykę dla dobra pacjenta – mówi dr n. fiz. Paweł Wołowiec, kierownik Zakładu Fizyki Medycznej ŚCO, który prezentował streszczenie pracy na kongresie w Singapurze.
Na całkowitą niepewność przygotowania i realizacji radioterapii, czyli leczenia przy użyciu promieniowania jonizującego, składa się bardzo wiele czynników. Jednym z nich jest dokładność, z jaką fizycy medyczni, dozymetryści są w stanie określić dawkę wytwarzaną przez medyczny akcelerator liniowy.
Do tego celu używa się komercyjnie dostępnych komór jonizacyjnych (urządzeń do pomiaru i rejestracji promieniowania jonizującego), które są wzorcowane we wtórnych laboratoriach wzorców dozymetrycznych. Te laboratoria dopiero wzorcują swoje komory w laboratoriach wzorców pierwotnych takich jak GUM. Skutkiem tego fizycy medyczni w pracy klinicznej używają komór jonizacyjnych wzorcowanych w innej wiązce (w wiązce kobaltowej) niż ta, która jest stosowana w teleradioterapii. To w konsekwencji wymusza stosowanie współczynnika korekcyjnego na inną jakość wiązki. Pomiar, który otrzymują, jest dokładny, ale nie idealny (dla fizyków jest obarczony większą niepewnością pomiaru).
– Ponieważ fizycy z GUM zbudowali już wcześniej komorę jonizacyjną i testowali ją w wiązkach dostępnych w ich laboratoriach, wymyśliliśmy, że jeśli weźmiemy wzorzec zbudowany w GUM i uda nam się zrobić z niego mobilny wzorzec pierwotny, który będziemy mogli wykorzystać do wzorcowania naszych komór bezpośrednio w wiązkach terapeutycznych stosowanych na co dzień do leczenia pacjentów, to będziemy mogli znacznie zmniejszyć niepewność wykonywania pomiarów naszą komorą. To z kolei wpłynie na precyzję podawania dawki terapeutycznej zleconej przez lekarza i zwiększenie bezpieczeństwa pacjenta – tłumaczy kierownik Zakładu Fizyki Medycznej ŚCO.
Komora jonizacyjna GUM-Dw3 to niewielki grafitowy cylinder z grafitową elektrodą centralną przymocowane do aluminiowej obudowy. W wyniku działania promieniowania dochodzi do jonizacji powietrza wypełniającego komorę, czyli powstają pary wolnych jonów dodatnich i wolnych elektronów, które pod wpływem pola elektrycznego wędrują do elektrod, dzięki czemu można zmierzyć ilość wytworzonego ładunku.
Z Monte Carlo dążą do ideału
Wzorzec pierwotny (jonometryczny) to komora jonizacyjna, która z definicji odtwarza jednostkę dawki pochłoniętej w wodzie. Nie wymaga kalibrowania, nie potrzebuje nic innego do pomocy. – Poprzez pomiar jonizacji w powietrzu jesteśmy w stanie, za pomocą odpowiednich współczynników, wyliczyć dawkę pochłoniętą w wodzie – precyzuje dr Paweł Wołowiec (pochłanianie promieniowania jonizującego przez tkanki miękkie jest zbliżone do jego absorpcji w wodzie).
Żeby udało się przejść z pomiaru jonizacji powietrza, znajdującego się wewnątrz komory jonizacyjnej, bezpośrednio do dawki pochłoniętej w wodzie, czyli do parametru, który jest nam potrzebny w radioterapii do obliczenia dawki terapeutycznej, niezbędne jest wyznaczenie odpowiednich współczynników korekcyjnych. W tym celu fizycy zbudowali wirtualny model przyspieszacza wykorzystywanego w ŚCO i za jego pomocą, metodami Monte Carlo, możliwe było wykonanie symulacji w celu wyznaczenia tych współczynników.
– Kiedy porównaliśmy wyniki pomiarów eksperymentalnej komory jonizacyjnej z komorami, które stosujemy obecnie, okazało się, że są one bardzo spójne, co daje nadzieję, że komora GUM będzie mogła w przyszłości zostać jonometrycznym wzorcem pierwotnym i będzie mogła być wykorzystywana do kalibracji innych komór w wiązkach terapeutycznych – dodaje fizyk medyczny.
Zanim jednak fizycy medyczni będą mogli korzystać z tego wzorcowego urządzenia pomiarowego na co dzień, komora musi przejść jeszcze wiele testów. Tym razem badacze będą skupiali się nie tylko na dokładności i minimalizacji niepewności pomiaru, ale również na powtarzalności wyników. Dopiero gdy upewnią się, że komora działa dokładnie i powtarzalnie, będzie można zgłosić ją do porównań kluczowych z innymi ośrodkami metrologicznymi na świecie. Wzorzec pierwotny (w tym przypadku jonometryczny) to metrologiczny ideał, jest ich może kilkadziesiąt na świecie. Stąd praca badawcza ŚCO i GUM wzbudziła takie zainteresowanie komitetu naukowego kongresu.
Potencjał ogranicza tylko czas i codzienność
To nie jedyny projekt badawczy, nad którym pracują fizycy z ŚCO. W ramach prac magisterskich pod kierunkiem prof. Andrzeja Wójcika z Uniwersytetu Sztokholmskiego realizowane są z Uniwersytetem Jana Kochanowskiego projekty w dziedzinie radiobiologii, dotyczące wpływu dużej mocy dawki na uszkodzenia i naprawę DNA w komórkach narażonych na promieniowanie gamma. We współpracy z prof. Andrzejem Wójcikiem oraz lekarzami z Działu Radioterapii ŚCO rozpoczęto projekt badawczy „Genetyczne podstawy wrażliwości tkanek prawidłowych na radioterapię” poświęcony indywidualnej promieniowrażliwości.
Z naukowcami z Politechniki Warszawskiej fizycy z ŚCO będą badać promieniowanie rozproszone wokół medycznych akceleratorów liniowych zainstalowanych w Świętokrzyskim Centrum Onkologii.
Konsorcjum naukowe (UJK, ŚCO i Politechnika Warszawska) zgłosiło natomiast do programu MEiN „Polska Metrologia” projekt badawczy „Podstawy metrologiczne terapii z wykorzystaniem promieniowania jonizującego”, związany z wzorcami jonometrycznymi do teleradioterapii i brachyterapii. Projekt uzyskał pozytywną rekomendację i został zakwalifikowany do finansowania. Jego celem jest utworzenie jonometrycznego wzorca pierwotnego dawki pochłoniętej w wodzie dla terapeutycznych wiązek fotonów stosowanych do teleradioterapii (czyli dalsze prace związane z wynikami wspólnych badań ŚCO i GUM, prezentowanymi na kongresie w Singapurze), a także utworzenie pierwotnego wzorca dla referencyjnej mocy kermy w powietrzu dla brachyterapii. (Kerma – kinetic energy released in mass - ilość energii przekazanej cząstkom naładowanym, np. elektronom, na jednostkę masy przez cząstkę jonizującą pośrednio, np. foton, neutron; referencyjna moc kermy służy do określania, ile promieniowania w jednostce czasu jest emitowane przez źródło promieniotwórcze stosowane do brachyterapii. Na tej podstawie obliczana jest dawka promieniowania, jaką otrzymuje pacjent w czasie leczenia).
Pozytywną rekomendację zespołu doradczego programu Polska Metrologia uzyskał również projekt „Podstawy metrologiczne ochrony radiologicznej w radioterapii interwencyjnej”, dotyczący wzorców wtórnych indywidualnych równoważników dawek Hp(3) i Hp(10) służących do oceny dawek otrzymywanych przez soczewkę oka oraz klatkę piersiową i krytyczne narządy wewnętrzne, zgłoszony przez konsorcjum naukowe (ŚCO, Politechnika Warszawska i Instytut Fizyki Jądrowej im. Henryka Niewodniczańskiego Polskiej Akademii Nauk w Krakowie). Jego tematem jest ocena ryzyka narażenia i bezpieczeństwo personelu medycznego podczas wykonywania procedur medycznych z zakresu radiologii interwencyjnej (np. zabiegów chirurgicznych z wykorzystaniem śródoperacyjnego obrazowania RTG).
Zakład Fizyki Medycznej ŚCO, posiadający akredytację Centrum Medycznego Kształcenia Podyplomowego na prowadzenie szkoleń specjalizacyjnych w dziedzinie fizyki medycznej, aktualnie jako jeden z sześciu ośrodków w Polsce szkoli specjalistów z tej dziedziny.
– Potencjał jest. Ogranicza nas tylko czas i codzienność. Nie jesteśmy instytucją badawczą. Pracę naukowo-badawczą musimy wpleść w codzienną pracę kliniczną, ale chęci, żeby się rozwijać, są ogromne – mówi dr Paweł Wołowiec.
