Mierzący rozkład dawki promieniowania detektor pomoże w terapiach nowotworowych

Naukowcy z Akademii Górniczo-Hutniczej realizują program badawczo-rozwojowy, który może doprowadzić do zrewolucjonizowania technik pomiaru rozkładu dawek promieniowania do zastosowań terapeutycznych, np. w chorobach nowotworowych – „Rekonfigurowalny detektor do pomiaru przestrzennego rozkładu dawki promieniowania dla zastosowań w przygotowaniu indywidualnych planów leczenia pacjentów”. Fundacja na Rzecz Nauki Polskiej w ramach programu TEAM-NET przyznała na realizację projektu 12 125 000 zł. Prace prowadzone są przez konsorcjum „Dose-3D”, w skład którego, oprócz AGH jako lidera, wchodzą: Politechnika Krakowska (koordynator ze strony PK: prof. dr hab. inż. Zbisław Tabor) oraz Centrum Onkologii Oddział w Krakowie (koordynator ze strony COOK: mgr inż. Damian Kabat). Kierownikiem projektu jest dr hab. inż. Tomasz Szumlak z Wydziału Fizyki i Informatyki Stosowanej AGH.

Nowotwory są obecnie jedną z głównych przyczyn zgonów na świecie. Wzrastająca długość życia spowoduje, że będą one nadal jedną z najczęstszych przyczyn śmierci w przyszłości. Pierwszą linią leczenia w takich przypadkach jest, o ile to możliwie, chirurgiczne usunięcie zmiany. Innymi dostępnymi formami terapiami są: chemioterapia, brachyterapia, celowane leczenie radioizotopowe lub radioterapia wiązkami zewnętrznymi (tele-radioterapia). Najczęściej różne rodzaje leczenia są ze sobą kojarzone. Szacuje się, że około 50% pacjentów leczonych z powodu nowotworów jest poddawanych napromienianiu wysokoenergetycznymi wiązkami zewnętrznymi, co stawia tele-radioterapię wśród metod najczęściej proponowanych pacjentom.

Stosowana do leczenia wysokoenergetyczna wiązka fotonowa jest produkowana najczęściej w liniowych akceleratorach medycznych, gdzie materiał tarczy o wysokiej liczbie atomowej jest bombardowany przez przyspieszoną wiązkę elektronów. W wyniku zderzenia powstaje elektromagnetyczne promieniowanie hamowania o maksymalnej energii widma ciągłego rzędu megaelektronowoltów (najczęściej z zakresu 6 do 20 MeV). Po odpowiednim ukształtowaniu tak wygenerowanej wiązki jest ona kierowana do miejsca chorobowo zmienionego, napotykając na swojej drodze również tkanki zdrowe. Aby zminimalizować uszkodzenia zdrowych organów jako efektu ubocznego terapii, przepisana przez lekarza radioterapeutę dawka pochłonięta jest dostarczana za pomocą kilku wiązek fotonowych kierowanych do wyznaczonego obszaru pod różnymi kątami.

W trosce o bezpieczeństwo pacjenta każdy krok w ramach procedury leczniczej powinien być dokładnie monitorowany. Biorąc pod uwagę skomplikowanie całego procesu, a przede wszystkim złożoność wysokospecjalistycznych planów leczenia, niedokładne odwzorowanie rzeczywistego rozkładu dawki obliczonej przez komputerowe systemy planowania leczenia, a także niepewności wprowadzane przez samo urządzenie terapeutyczne (m.in. nieidealna geometria akceleratora), konieczna jest rzetelna weryfikacja przygotowanych planów leczenia przed dopuszczeniem ich do realizacji z udziałem pacjenta. Weryfikacja planów przed rozpoczęciem leczenia w tele-radioterapii oznacza sprawdzenie poprawności obliczonego trójwymiarowego rozkładu dawki pochłoniętej (w idealnym przypadku w geometrii pacjenta), w sposób niezależny od użytego systemu planowania leczenia. Może zostać przeprowadzona poprzez pomiary, niezależne obliczenia lub ich kombinację. Dokładność, precyzja oraz szybkość obliczania rozkładów 3D dawki pochłoniętej zwiększa się wraz z rosnącą mocą obliczeniową komputerów oraz udoskonaleniem algorytmów do symulacji oddziaływania promieniowania jonizującego z materią. Jednakże, mimo postępów w technologiach symulacji wciąż bezpośredni pomiar rozkładu dawki uważany jest za najlepszy sposób weryfikacji planów terapeutycznych.

Głównym celem projektu realizowanego przez konsorcjum naukowe „Dose-3D” jest konstrukcja konfigurowalnego fantomu zawierającego detektor zdolny do bezpośredniego pomiaru przestrzennego rozkładu dawki zdeponowanej przez fotonową wiązkę terapeutyczną. Planuje się, że elementem aktywnym detektora będzie ciekły scyntylator z uwagi na jego tkanko-podobność oraz wysoką odporność radiacyjną. Aby pomiar wykonany był z dużą precyzją głowica detektora musi posiadać wystarczająco dużą granulację, którą zespół zamierza zrealizować poprzez zastosowanie technologii druku 3D. Wszystkie komórki będą posiadać odczyt indywidualny. Istotną składową projektu jest wytworzenie wysokiej jakości oprogramowania do symulacji dawki oraz kontroli całego urządzenia. Dzięki współpracy z Centrum Onkologii w Krakowie (COOK) testy poszczególnych prototypów będą odbywać się w warunkach identycznych, jakie panują podczas terapii

Proponowane przez naukowców rozwiązanie przewiduje konstrukcję trójwymiarowej matrycy pomiarowej wypełnionej tkanko-podobnym scyntylatorem. Dzięki zastosowaniu najnowocześniejszych technik druku 3D możliwe będzie stworzenie głowicy pomiarowej o wymaganej granulacji a wytworzenia wymaganej infrastruktury (system do napełniania komórek scyntylatorem oraz odczyt każdej z komórek) będzie stanowić integralną część procesu wytwarzania głowicy detektora. We wstępnej fazie projektu konieczne będzie wytworzenie dużych pojedynczych komórek w celu analizy ich własności mechanicznych. Prototypowe komórki aktywne będą użyte do budowy oraz testowania kompletnego układu odczytu składającego się z włókna optycznego (do wyprowadzenia sygnału z komórki aktywnej), fotopowielacza krzemowego, układu digitalizującego i analizującego uzyskany sygnał. Wstępna faza testów zakończona będzie kampanią kalibracyjną i pomiarową z użyciem infrastruktury COOK. Integralną częścią systemu będzie platforma symulacyjna oparta o silnik GEANT4 do modelowania oddziaływania promieniowania z materią. Istotną kwestią całego procesu badań będzie uzyskanie wysokiej zgodności pomiędzy symulowanym rozkładem dawki a zmierzonym podczas testów, przy czym maksymalna dopuszczalna różnica pomiędzy wielkościami symulowanymi i zmierzonymi eksperymentalnie nie powinna przekraczać 3%.