Способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений

Изобретение относится к области лучевой терапии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть применено для практической дозиметрии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей. Сущность изобретения заключается в том, что измерение энерговыделения от ионизирующих излучений осуществляется прямым измерением длины пробега частиц по пику Брэгга для определения поглощенной дозы из расчетного соотношения пробег-энергия при визуализации свечения области энерговыделения матричным телевизионным ПЗС фотоприемником с оптикой сопряжения, используя режимы объединения пикселей и сложения телевизионных кадров. Технический результат – повышение точности измерения поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме. 1 ил.

 

Предлагаемое изобретение относится к области лучевой терапии с использованием для лечения протонов и тяжелых ионов и может быть применено для практической дозиметрии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей.

Наиболее близким по технической сущности является способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений в твердых, жидких и газообразных веществах путем регистрации испускаемого света (заявка на изобретение RU 2015120733 А, опубл. 27.12.2016), осуществляющий измерение энерговыделения подсчетом квантов света, испущенных веществом в процессе облучения путем регистрации числа фотонов, а не измерением амплитуды вспышек сцинтиллирующих кристаллов.

Недостатком этого способа является использование сложных и дорогих фотоэлектронных умножителей с наличием высоковольтного напряжения и способ пересчета количества фотонов в величину поглощенной дозы, который является косвенным методом определения поглощенной дозы с нестабильной погрешностью измерений.

Задачей настоящего изобретения является уменьшение себестоимости, исключение наличия высоковольтного напряжения, обеспечение стабильности погрешности измерения поглощенной дозы.

Технический результат, обусловленный поставленной задачей, достигается тем, что измерение энерговыделения от ионизирующих излучений осуществляется прямым измерением длины пробега частиц по пику Брэгга для определения поглощенной дозы из расчетного соотношения пробег-энергия при визуализации свечения области энерговыделения матричным телевизионным ПЗС фотоприемником с оптикой сопряжения, используя режимы объединения пикселей и сложения телевизионных кадров, при этом выполняются следующие соотношения:

где ΔL - точность измерения длины пробега частиц;

d_п - размер пикселя матричного телевизионного ПЗС фотоприемника;

n_п - число пикселей матричного телевизионного ПЗС фотоприемника, объединяемых в один;

ν_oc - параксиальное увеличение оптики сопряжения;

А - знаменатель относительного отверстия оптики сопряжения;

Е_ЭН - освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения;

Е_ПЗС - минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении n_п пикселей в один и суммировании n_к кадров в один.

Такой способ обеспечивает уменьшение себестоимости, отсутствие высоковольтного напряжения и стабильность погрешности измерения при достаточной точности измерения длины пробега частиц и величины поглощенной дозы.

На фиг. 1 дана схема осуществления предлагаемого способа.

В светозащищенном объеме 1 расположен тканеэквивалентный фантом 2, оптика сопряжения 3, матричный телевизионный ПЗС фотоприемник 4, схема 5 управления сложением пикселей «УСП», схема 6 управления сложением кадров «УСК», электронный блок 7 формирования телевизионного сигнала «ЭБТВ» и электронный блок 8 регистрации видеосигнала, вычисления и визуализации результата измерения «ЭБРВ». Пучок протонов выходит из ионопровода 9.

Сущность способа измерения энерговыделения от ионизирующих излучений заключается в следующем.

Выходящий из ионопровода 9 пучок протонов ориентирован соосно с тканеэквивалентным фантомом 2. Энерговыделение в тканеэквивалентном фантоме 2 создает слабосветящуюся область 10 с длиной пробега «L» с типичным распределением по глубине с возрастанием до максимума в области пика Брэгга (Институт ТиЭФ, Н.В. Марков «Дозиметрия импульсных пучков тяжелых ионов для радиобиологических исследований на ускорительном комплексе ИТЭФ-ТВН», Диссертация на соискание ученой степени к.ф.м.н. НИЦ «Курчатовский Институт», Москва, 2014 г.).

Слабосветящаяся область 10 величиной «L» формируется оптикой сопряжения 3 на матричном телевизионном ПЗС фотоприемнике 4 в виде изображения 11 величиной . Для повышения чувствительности схема 5 «УСП» осуществляет сложение нескольких пикселей «n_п» в один по каждой из координат (вертикальной и горизонтальной), при этом точность измерения длины пробега частиц определяется из соотношения:

При достижении требуемой точности измерения схема 6 «УСК» осуществляет сложение нескольких кадров «n_к» в один суммарный кадр для дальнейшего повышения чувствительности, при этом светосила оптики сопряжения определяется из соотношения:

Выполнение соотношений гарантирует достоверную фиксацию изображения слабосветящейся области энерговыделения. Электронный блок 7 «ЭБТВ» формирует стандартный телевизионный сигнал и выдает его на электронный блок 8 «ЭБРВ», вычислитель которого определяет попиксельно длину изображения светящейся области от входа в тканеэквивалентный фантом 2 до пика Брэгга, затем осуществляет расчет длины пробега 10 в тканеэквивалентном фантоме 2 в виде длины L и по расчетному соотношению пробег-энергия выдает оператору значение поглощенной дозы.

При изменении энергии пучка протонов изменяется длина пробега «L» (изменяется положение пика Брегга), соответственно, изменяется поглощенная доза при фиксированной интенсивности пучка протонов.

Пример расчета точности измерения и требуемой светосилы оптики сопряжения 3 приведем исходя из следующих исходных данных:

- размер чувствительной площадки матричного телевизионного ПЗС фотоприемника 4 равен 4,8×3,6 мм;

- размер пикселя фотоприемника 4 равен d_п=0,0064 мм;

- число пикселей матричного телевизионного ПЗС фотоприемника 4, объединяемых в один n_п=4 (4×4 пикселя, 16 пикселей объединяется в один для повышения чувствительности в 16 раз);

- параксиальное увеличение оптики сопряжения 3 () равно ν_oc=-0,02;

- интенсивность протонов 8×10⁸ протонов за импульс;

- величина энергии пучка протонов - 100 МэВ;

- расчетная длина пробега «L» - 77 мм;

- освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения Е_ЭH=(1,6÷2,4)⋅10^-4 лк;

- минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия оптики сопряжения 3, равном 1, при объединении 16 пикселей (4×4) в один и суммировании 16 кадров в один, Е_ПЗС=3⋅10^-5 лк.

Подставляя значения, получаем:

- 0,32 мм≤ΔL≤1,28 мм. При длине пробега L=77 мм наихудшая точность измерения длины составит ~1.7%;

- светосила оптики сопряжения 3 (1:А) должна быть в пределах от 1:0,5 до 1:2,3. Возможно выбрать реально достижимую величину, например, 1:1.

Таким образом, выполнение этого соотношения обеспечивает гарантированную видимость области энерговыделения и точность измерения поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме.

Способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, отличающийся тем, что измерение энерговыделения от ионизирующих излучений осуществляется прямым измерением длины пробега частиц по пику Брэгга для определения поглощенной дозы из расчетного соотношения пробег-энергия при визуализации свечения области энерговыделения матричным телевизионным ПЗС фотоприемником с оптикой сопряжения, используя режимы объединения пикселей и сложения телевизионных кадров, при этом выполняются следующие соотношения:

;

,

где ΔL - точность измерения длины пробега частиц;

d_п - размер пикселя матричного телевизионного ПЗС фотоприемника;

n_п - число пикселей матричного телевизионного ПЗС фотоприемника, объединяемых в один;

ν_oc - параксиальное увеличение оптики сопряжения;

A - знаменатель относительного отверстия оптики сопряжения;

Е_ЭН - освещенность в тканеэквивалентном фантоме, создаваемая свечением области энерговыделения;

Е_ПЗС - минимальная рабочая освещенность матричного телевизионного ПЗС фотоприемника при отношении сигнал/шум, равном 10, знаменателе относительного отверстия, равном 1, при объединении n_п пикселей в один и суммировании n_к кадров в один.