Способ протонной радиографии

 

СПОСОБ ПРОТОННОЙ РАДИОГРАФИИ , заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорцио . нальных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, отличающийс я тем, что, с целью повышения пространственного разрешения и точности , производят дополнительное координатно-чувствительное детектирование протонов до и после о.бъекта на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в.режиме временного разделения отдельных протонов, знергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по кото (Л рым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в исследуемом объекте по средним значениям квадратов указанных углов.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (19) О 1) 4у1) G 01 N 23/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCKOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 3494469/18-25 (22) 28.09.82 (46) 15.04.85. Бюл. N- 14 (72) Г.Д. Алхазов, С.Л. Белостоцкий и А.А. Воробьев (71) Ленинградский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова (53) 616-073 (088.8) (56) 1. Патент США N- 3986026, кл. 250-306, опублик. 1976.

2. Патент США N- 3980685, кл. 250-307, опублик. 1976 (прототип), (54) (57) СПОСОБ ПРОТОННОЙ РАДИОГРАФИИ, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, о т л и ч а ю щ и йс я тем, что, с целью повышения пространственного разрешения и точности, производят дополнительное координатно-чувствительное детектирование протонов до и после объекта . на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в .режиме временного разделения отдельных протонов, энергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по которым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в исследуемом объекте по средним значениям квадратов указанных углов.

1 Г) 80604

45

Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектов с помощью проникающего излучения и может быть использовано в медицине.

Известен способ протонной радио- 5 графин, заключающийся в облучении объекта пучком протонов из синхро11 тона, снабженного средством обдирания" ускоренных отрицательных ионов водорода, в режиме сканирова1О ния пучка по исследуемому участку объекта, регистрации детектором параметров части прошедшего через объект пучка и восстановлении радиографического изображения объекта (I) .15

Недостатком этого способа являются повышенная лучевая нагрузка на объект и недостаточное пространственное разрешение.

Наиболее близким к изобретению 20 техническим решением является способ протонной радиографии, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детекти25 ровании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности 30 исследуемого объекта, причем используют моноэнергетический пучок протонов с энергией, соответствующей бреэгговскому пику на выходе из объекта (21 .

Недостатком известного способа является плохое пространственное разрешение, что связано с использованием низкоэнергетических протонов, подверженных многократному кулоновскому рассеянию. При использовании локальных неоднородностей плохое пространственное разрешение приводит к низкой точности исследования.

Цель изобретения заключается в повышении пространственного разрешения и точности.

Согласно изобретению, поставленная цель достигается тем, что в способе протонной радиографии, заключающемся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта 55 с помощью многонитяных пропорцио нальных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, производят дополнительное координатно — чувствительное детектирование протонов до и после объекта на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в режиме временного разделения отдельных протонов, энергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по которым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в последнем объекте по средним значениям квадратов указанных углов.

Сущность способа сводится к тому, что измеряют координаты (и углы) траекторий отдельных протонов, проходящих через объект. Измерение производят до и после объекта, когда уже произошло кулоновское рассеяние, что уменьшает неопределенности,возникшие из-за отключения частицы вследствие многократного кулоновского рассеяния. Эффективная толщина объекта измеряется по величине среднеквадратичного угла рассеяния.

Измерение траекторий протонов перед объектом не требует формирования строго параллельного пучка протонов и позволяет улучшить как пространственное разрешение, так и точность измерения углов рассеяния, а значит и эффективных толщин объектов.

В данном способе отсутствует ограничение на максимальную величину энергии используемых. протонов.

Использование протонов высокой энергии позволяет получить высокое пространственное разрешение.

На чертеже представлена схема установки для осуществления способа протонной радиографии.

Установка содержит два блока А и В из многонитяных пропорциональных камер 1,2 и 3,4. Каждая из камер

1-4 измеряет горизонтальную Х и вертикальную Y координаты протонов с точностью выше 0,5 мм. Расстояние между камерами 1 и 2, а также

3 и 4 определяется из требования достижения необходимой точности

1080б04 измерения углов траекторий (при уве. личении расстояния между камерами точность измерения углов увеличивается).

Исследуемый объект 5 устанавли- 5 вают между блоком А из камер 1,2 и блоком В из камер 3,4 и подвергают воздействию пучка протонов с энергией .1 ГэВ в режиме временного разделения отдельных протонов. Блоки камер 1 и 2 определяют координаты частиц, падающих на объект, а блоки

3 и 4 определяют координаты частиц, прошедших через объект. По совокупности этих измерений определяются 15 углы многократного кулоновского рас— сеяния 8; частиц, прошедших через объект для участков размером 1 мм .

По совокупности измеренных углов рассеяния находится среднее значение 20 квадрата угла рассеяния 7 по формуле

I где 1 — номер частицы, прошедшей через образец, 1 — полное число частиц, " — номер участка. 30

При достаточно большом М экспериментально найденная величина g, близка к математическому ожиданию, квадрата угла рассеяния с Я которое

) линейно связано с искомой эффективной толщиной я лс g2 (2) с87= (3)

40 где E. = 21,2 МэВ;, > — импульс частицы, МэВ/с;

3 — отношение скорости частицы к скорости света; а выражена в радиационных дли- 45

1 нах, которые зависят от свойств рассеивающей среды и табулируются.

Нри малых толщинах образцов формула (3) достаточно точная и может использоваться для практических целей. При больших толщинах образцов, когда становится существенным изменение энергии частиц при прохождении образца, можно использовать более сложную формулу 55 (За)

-8 7=

В практической работе для абсолютных измерений толщин образцов известного состава удобно экспериментально определять зависимость

2 .а с Я ) от путем проведения предварительных калибровочных измерений.

Для достижения высокой статистической точности измерения эффектив ной толщины необходимо анализировать достаточно большое число рассеянных частиц. Действительно, экспериментально определяемое среднее значение квадрата угла Й связано с

его математическим ожиданием соотношением (4)

8 =

7 где величина c (g 92 ) > в приближении гауссова распределения углов многократного рассеяния равна с (S e > 7 - — - с e 7

l4

Эта величина определяет абсолютную статистическую погрешность измерения эффективной толщины. Относительная статистическая погрешность измерения эффективной толщины равна (6) — = 1(x ь ф, 7 где 6 — стандартное отклонение величины 1. При измерении координат частиц на входе и на выходе образцов неопределенность в отклонении траектории максимальна для середины образца (на глубине 0 /2) и может быть оценена по формуле

ЬХ=С>.f С 7

7 где АХ вЂ” стандартное отклонение траектории от прямой линии на глубине 6 /2; — линейная толщина образ" ца;.

= 0,2.

Для однородного образца эффективная толщина связана с линейной толщиной Е соотношением (8)

4 = ер/х, где Р— плотность среды, X — радиационная длина.

Как видно из формулы (3) при увеличении импульса (энергии) < О 7

1080604 уменьшается и предельное пространственное разрешение (формула 7) улучшается.

Другое ограничение пространстВеННого разрешения связано с практическими возможностями детектирующих систем. Современные пропорциональные многонитяные камеры позволяют измерять координаты частиц с точностью до 0,1 мм.

Максимальные толщины, которые могут исследоваться этим способом, определяются из того условия, чтобы относительная потеря энергии a E /E была невелика

6Е/ Е 02 (9) 10

15 а также из условия малых потерь частиц из-за ядерных реакций.

Время облучения объекта 1 опре- 20 деляется необходимой точностью измерения эффективных толщин объекта и быстродействием аппаратуры, реализующей данный способ.

55

Т =Н/Э (10) где Й вЂ” число событий в формуле (6); интенсивность используемого пучка протонов. 30

В свою очередь максимальная интенсивность пучка, при которой возможно временное разделение отдельных событий, определяется соотношением J = 1/c. где — временное Раз1 решение аппаратуры.

Современные многонитяные камеры и электронные системы обработки информации, полученной с помощью камер, позволяют использовать пучки с интенсивностью l0 1/с. Это оз5 начает, что, например, для обследования участка объекта в 1 см с г г пространственным разрешением 2Х2 мм, при точности измерения эффективной длины 0,3Ж требуется время экспозиции 1 = 25 с.

Пример 1. Принципиальная схема реализации способа представлена на фиг.1. Исследуется участок головы пациента площадью 10 см с г целью обнаружения опухоли. Для этого он облучается протонами с энергией 1 ГэВ. Доза, получаемая пациентом — 0,3 Р, Величина среднеквадратичного угла кулоновского рассеяния (форо мула (3) равна 0,6.

При размере области патологии ткани 3 3 3 мм изменение эффективной длины для протонов, проходящих через эту область исследуемого объекта при линейной длине объекта 10 см, составляет 0,17., так как известно, что опухолевые образования отличаются от нормальной плотности биологической ткани приблизительно на +ЗЖ, а участки, пораженные некрозом, на -57.. Таким образом, данный способ позволяет обнаруживать отклонения в плотности на уровне нескольких процентов.

В рассмотренном выше примере не определяется положение неоднородности (опухоли) вдоль пучка.

Тем не менее данным способом можно получать и трехмерную локализацию исследуемой неоднородности (опухоли), если воспользоваться просвечиванием объекта в несколькИх различных направлениях аналогично тому, как это обычно делается в томографии.

Предложенный способ может эффективно использоваться для прецизионного определения расположения гипофиза ° Так, точное расположение гипофиза необходимо знать перед проведением сеанса протонной терапии. Решение этой задачи с помощью рентгенографии не обеспечивает высокоточное наведение протонного пучка на гипофиз, координаты которого определяются косвенным путем по результатам рентгенографии. В предлагаемом способе такая трудность отсутствует, так как с помощью того же пучка протонов производится и протонография в протонотерапии при одной и той же фиксации головы пациента.

Данный способ характеризуется высоким разрешением и высокой точностью, которые позволяют получать количественную информацию об исследуемой ткани.

Кроме того, поскольку способ, как и прототип, основан на явлении кулоновского рассеяния, где каждая частица несет полезную информацию (в отличие, например, от способа ядерного рассеяния), то необходимое время измерения составляет несколько минут, что очень важно с точки зрения удобства пациента и диагнос7 1080604 8

Составитель К. Кононов

ТехредМ.Пароцай " Корректор И. Муска

Редактор С. Титова

Тираж 897 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Заказ 2776/1

Филиал ППП "Патент", r. Ужговоп, уп. " по «чая,4 тиКи, обеспечивает высокую производительность. Важным преимуществом его перед всеми другими способами протонной радиографии является отсутствие ограничения по максимальной величине энергии используемых протонов. Использование протонов более 1 ГэВ позволяет достичь еще более высокого пространственного разрешения (вьппе, 5 чем в остальных способах протонной радиографии).