Электронная дозиметрия

Понятие электронной дозиметрии

Электронная дозиметрия представляет собой раздел медицинской физики, изучающий методы измерения и оценки доз ионизирующего излучения, формируемых потоками электронов. Особенность электронного излучения заключается в его высокой локализованной ионизирующей способности при ограниченной проникающей способности. Это требует специфического подхода к дозиметрическим измерениям, отличающимся от методик, применяемых для фотонного или нейтронного излучения.

Электронная дозиметрия является критически важной для таких направлений медицинской радиационной практики, как электронная терапия в радиационной онкологии, внутритканевая брахитерапия с использованием источников β-излучения, а также при контроле качества дозы в установках с ускорителями.

Физические основы взаимодействия электронов с веществом

Электроны, проходя через вещество, теряют свою энергию в результате взаимодействий с электронами атомов среды (в основном кулоновским образом), приводя к возбуждению и ионизации. Основные механизмы потерь энергии:

  • Ионизационные потери — преобладающие при энергиях до нескольких десятков МэВ;
  • Радиационные потери — тормозное излучение (брестрахлунг), значимое при высоких энергиях и в средах с высоким атомным номером Z.

Пробег электронов в веществе зависит от их начальной энергии и плотности среды. Примерная глубина проникновения определяется по эмпирической формуле:

Rmax ≈ 0, 5 ⋅ E  (в воде, при E в МэВ и R в см)

Наибольшая доза наблюдается на некоторой глубине от поверхности (плато с пиком), после чего происходит резкое падение дозы — этот феномен используется при планировании лучевого лечения.

Дозиметрические характеристики электронных пучков

При измерениях и калибровке электронных пучков используют следующие основные характеристики:

  • PDD (Percent Depth Dose) — относительное распределение дозы по глубине;
  • TMR (Tissue Maximum Ratio) — отношение дозы на глубине к максимальной дозе;
  • R90, R50, Rmax — глубины, на которых достигается 90%, 50% и максимальная доза;
  • FWHM (Full Width at Half Maximum) — ширина пучка по горизонтали на уровне половины максимальной дозы;
  • Flatness и Symmetry — однородность и симметрия поперечного распределения дозы.

Эти параметры зависят от номинальной энергии пучка, поля облучения, фильтров и коллиматоров.

Методы измерения дозы при электронном облучении

Для точной калибровки и планирования терапии необходимо применение стандартных методов измерения дозы. Основные типы дозиметров:

Наиболее часто применяются камеры типа Фармера, цилиндрические и плоские ионизационные камеры. Их преимущества:

  • высокая стабильность и воспроизводимость;
  • прямая трассируемость к первичным стандартам;
  • хорошо изученные характеристики чувствительности.

Однако важно учитывать, что у плоских камер может наблюдаться эффект зависимости отклика от угла падения пучка, особенно вблизи поверхности.

Твердотельные дозиметры

Применяются диоды и термолюминесцентные дозиметры (ТЛД), преимущественно в целях распределённого дозиметрического картирования:

  • компактность;
  • высокая чувствительность;
  • пригодность для измерений в фантомах и на поверхности кожи.

Необходимо учитывать энергетическую зависимость и температурные эффекты при считывании сигнала.

Радиохромные плёнки

Используются в качестве двумерных детекторов распределения дозы, особенно в случае малых полей и сложных форм пучка. Позволяют визуализировать фронт дозы с высоким разрешением. Чувствительность плёнок зависит от дозового диапазона и требует прецизионного сканирования.

Фантомы и условия калибровки

Измерения дозы в электронных пучках проводятся в водяных фантомах, имитирующих тканевые свойства. При этом необходимо соблюдать следующие условия:

  • фантом должен обеспечивать достаточную глубину для регистрации полного профиля дозы;
  • положение детектора должно соответствовать конкретной глубине дозиметрического интереса;
  • температура воды и атмосферные условия должны быть учтены при расчётах поправочных коэффициентов.

Для стандартной калибровки дозы в медицинской практике используется протокол IAEA TRS-398 или AAPM TG-51, в которых описывается методика определения поглощённой дозы в воде от электронных пучков.

Коэффициенты преобразования и калибровочные процедуры

Поглощённая доза в воде Dw определяется по формуле:

Dw = M ⋅ ND, w ⋅ kQ, Q0

где:

  • M — измеренное значение (с учётом поправок на давление, температуру и утечку);
  • ND, w — калибровочный коэффициент дозы в воде, выданный для ионизационной камеры;
  • kQ, Q0 — поправочный коэффициент на различие между эталонным и рабочим качеством пучка.

Определение kQ, Q0 требует знания характеристик пучка, таких как R50, и может быть получено из таблиц в протоколах или вычислено на основе расчетных моделей (например, с помощью Monte Carlo).

Особенности малых и нестандартных полей

Электронная дозиметрия сталкивается с трудностями при измерениях в малых полях:

  • геометрические эффекты: отсутствие условий электронного равновесия;
  • нестабильность и сложность калибровки;
  • влияние рассеяния от границ и конструкции коллиматоров.

В таких случаях применяются специальные миниатюрные дозиметры (диоды, ТЛД, плёнки) и расчётные методы, включая моделирование методом Монте-Карло, что позволяет учесть геометрию и материалы лечения с высокой точностью.

Применение в клинической практике

Электронная терапия широко используется для лечения поверхностных опухолей (например, кожи, головы и шеи), а также послеоперационных зон. Правильное дозиметрическое обеспечение включает:

  • выбор энергии в зависимости от глубины опухоли;
  • формирование полей с помощью аппликаторов и болюсов;
  • верификацию распределения дозы при помощи плёнок и планирующих систем.

Современные линейные ускорители позволяют точно формировать пучки с заданными характеристиками, а системы планирования обеспечивают трехмерное дозовое моделирование. Тем не менее, основой безопасности и эффективности остаётся достоверная дозиметрия, основанная на надёжных измерениях и протоколах.

Современные тенденции и перспективы

Развитие технологий электронной дозиметрии включает:

  • применение плоских двумерных массивов и 3D-дозиметрии;
  • расширение возможностей in vivo дозиметрии;
  • улучшение пространственного разрешения и чувствительности детекторов;
  • интеграцию дозиметрии в системы управления качеством в реальном времени;
  • совершенствование алгоритмов расчета дозы на основе Monte Carlo в планирующих системах.

Появление новых гибридных подходов, включающих физические измерения и численное моделирование, позволяет значительно повысить точность планирования и контроля в электронных методах лучевой терапии.

Оглавление