Способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии и устройство для его осуществления

Использование: для контроля параметров пучка в процессе протонной терапии. Сущность изобретения заключается в том, что осуществляют измерение допустимых значений плотности интенсивности пучка перед облучением пациента с помощью координатно-чувствительных детекторов, установленных перед пациентом и за последним сканирующим магнитом, количественное сравнение измеренных параметров плотности интенсивности с допустимыми значениями и отключение пучка при отклонении параметров от допустимых значений, при этом измерение допустимых значений плотности интенсивности пучка дополнительно включает измерение глубины пика Брэгга посредством устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленного на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента, а в качестве координатно-чувствительных детекторов используют падовые камеры на «теплой жидкости». Технический результат: повышение конформности протонной терапии за счет постоянного контроля границы дозного поля в мишени. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Область техники

Предлагаемое изобретение относиться 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, в частности, к протонной терапии для облучения сканирующим «карандашным пучком» небольших патологических очагов с большой конформностью подведения большой дозы к области паталогического очага по координате и дозе. 

Предшествующий уровень техники

Из патента RU2654838, опубл. 22.05.2018, известен способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений в тканеэквивалентом фантоме, заключающийся 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.

Из патента RU179244, опубл. 07.05.2018, известен телевизионный детектор ионизирующих излучений, содержащий: тканеэквивалентный фантом для приема пучка ионизирующего излучения; телевизионную камеру на ПЗС-матрице, снабженную оптической линзовой системой и выполненную с возможностью объединения сигналов от группы пикселей ПЗС-матрицы и суммирования кадров до выходного каскада ПЗС-матрицы; светозащитный кожух со входным окном из материала, непроницаемого для света, но пропускающего пучок ионизирующего излучения; при этом тканеэквивалентный фантом установлен внутри светозащитного кожуха и обращен своей продольной осью на входное окно, а объектив оптической системы, которая вместе с телевизионной камерой помещена внутрь светозащитного кожуха, обращен на тканеэквивалентный фантом перпендикулярно его продольной оси.

Устройство измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, раскрытое в вышеуказанных патентах, а именно цифровой детектор получения изображений (ЦДПИ), с точностью регламентируемой МАГАТЭ, восстанавливает глубину пика Брэгга для предстоящего контроля дозного поля по глубине и ширине перед облучением пациента за импульс ускорителя [Серия технических докладов №398. Определение поглощенной дозы при дистанционной лучевой терапии: Международные практические рекомендации по дозиметрии, основанные на эталонах единицы поглощенной дозы в воде, МАГАТЭ, Вена, 2004.].

Наиболее близким является способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, известный из патента SU1338154, опубл. 23.05.1988, в котором на двух одинаковых газовых пропорциональных камерах (позиционно-чувствительные детекторы) контролируют интенсивность облучения мишени. Одну камеру устанавливают после последней квадрупольной линзы, а вторую перед пациентом.

К недостаткам указанного способа относится невысокая точность в определении потока, проходящих через них протонов, и отсутствие возможности определять полную дозу прошедших через них частиц за импульс ускорителя, а кроме того, отсутствует возможность измерять за импульс глубину пика Брэгга по координате z.

Раскрытие сущности изобретения

Задачей предлагаемого изобретения является повышение конформности протонной терапии, а именно точности контроля соответствия пучка излучения патологическому очагу, при определении профиля поглощенной дозы по глубине и ширине пика Брэгга перед сеансами протонной терапии и контроля процесса облучения пациента во время сеанса.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в повышении точности в определении выделившейся в мишени дозы за каждый импульс ускорителя. Кроме того, повышение надежности, снижение стоимости устройства (детектора), упрощение конструкции за счет повышения чувствительности камер, так как применяют менее дорогостоящие зарядово-чувствительные усилители, а камеры на «теплой жидкости» являются малогабаритными, в сравнении с обычными воздушными камерами.

Заявленный технический результат достигается в способе контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающем измерение допустимых значений плотности интенсивности пучка путем измерения ширины пика Брэгга с помощью падовых камер на «теплой жидкости», установленных перед больным и за последним сканирующим магнитом и глубины пика Брэгга посредством устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленном на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента, количественное сравнение измеренных параметров плотности интенсивности с допустимыми значениями, и отключение пучка при отклонении параметров от допустимых значений. При этом в качестве устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений используют цифровой детектор получения изображений. Заявленный технический результат обеспечивается именно за счет совместной работы цифрового детектора получения изображений (ЦДПИ) и падовых камер на «теплой жидкости» для измерения ширины и глубины пика Брэгга и корректировки профиля пика Брэгга по ширине за счет информации получаемой с падовых камер на «теплой жидкости».

Заявленный технический результат достигается применением устройства контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающем координатно-чувствительные падовые камеры на «теплой жидкости», установленные перед больным и за последним сканирующим магнитом, с возможностью определения ширины пика Брэгга, и устройство измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленное на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента. При этом в качестве устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений используют цифровой детектор получения изображений – ЦДПИ, с помощью которого определяют глубину пика Брэгга.

Отличительной особенностью заявляемого изобретения является применение в способе контроля параметров пучка в процессе протонной терапии двух плоскопараллельных координатно-чувствительных падовых камер, активным веществом которых, является «теплая жидкость». Хорошо известны преимущества камер на «теплых жидкостях» (т.ж.) в сравнении с ионизационными камерами на воздухе и газовых смесях.

Камеры на «теплых жидкостях», помимо двумерного распределения по координате, дают мгновенное дозное распределение по ширине и высоте пучка, направляемого на мишень за импульс.

Характеристики «теплых жидкостей», которыми могут заполняться падовые камеры приведены в Таблице 1.

Таблица 1. Электронные свойства «теплых жидкостей».

Жидкость	Температура кипения (Т), °С	Относительная диэлектрическая константа (ε)	Мобильность свободных носителей заряда (μ), м2/В/сек	Выход пар свободных электронов (Gif)	Плотность жидкости (d), г/см3
Изооктан	99,24	1,936	5,3·10-4	0,33	0,69
Тетраметилпентан	140,3	2,05	29·10-4	0,42	0,72
Тетраметилсилан	26,65	1,84	105·10-4	0,74	0,65
Тетраметилгерманий	44,0	2,01	90·10-4	0,63	1,006

Выход электронов на каждые 100 эВ энергии, потерянной на ионизацию, вычисляют по формуле (1):

(1)

где D - доза, поглощенная в рабочем объеме камеры (мР/имп);

d - плотность «теплой жидкости» (г/см³);

v - рабочий объем камеры (см³).

Из формулы (1) видно, что при одной и той же дозе выделившейся в водном фантоме, в одном и том же объеме камеры количество собранного заряда Q у камеры на «теплой жидкости» будет в 100 раз больше, а, следовательно, точность определения дозы будет значительно выше.

В предлагаемом изобретении применяют две координатно-чувствительные камеры ПК1 и ПК2, работающие на «теплой жидкости», чувствительные по ширине (координате х) и по высоте (координате y). Анод такой камеры разделен на отдельные пады, заряд с которых, выводится на свой зарядово-чувствительный усилитель. Благодаря применению в качестве активного вещества «теплой жидкости», в 100 раз возрастает точность определения плотности пучка (дозного поля), и как результат возрастает точность определения выделившейся дозы в мишени в сравнении с аналогом.

Для повышения конформности протонной терапии, а именно точности соответствия пучка области патологического очага у пациента, используют две координатно-чувствительные падовые камеры на «теплой жидкости» одну ПК1 устанавливают на выходе из последнего сканирующего магнита, а вторую ПК2 перед пациентом. Определяют плотность интенсивности пучка (дозный профиль) на входе в мишень, количественно сравнивают измеренные текущие плотности интенсивности (дозный профиль) с допустимыми значениями, и при их превышении отключают пучок.

Устройство работает не только в режиме регистрации пиков Брэгга, но и в режиме «напролет», т.е. без остановки пучка протонов в мишени – когда пучок сканирует мишень.

Описание изобретения

В месте расположения пациента перед сеансом протонной терапии, устанавливают устройство, состоящее из совместно работающих камер ПК1 и ПК2 и цифровой детектор получения изображений ЦДПИ.

Общая схема заявляемого устройства приведена на Фиг.1. Устройство, включает ускоритель типа синхротрона (1) с протонным пучком (2) для облучения мишени (3), например, опухоли. Для привязки положения мишени (3) к оси пучка, введена неподвижная система координат x,y,z (4). Пучок протонов, выведенный из ускорителя (1) фокусируется двумя квадрупольными линзами (5) и проходит через сканирующие магниты (6). Две координатно-чувствительные падовые камеры на «теплой жидкости» ПК1 (7) и ПК2 (8), выставлены своими центральными падами вдоль оси z (9), которую называют глубиной, оси x (10), которую называют шириной, и оси y (11) - высотой. Плоскости камер ПК1 и ПК2 перпендикулярны оси z (9). Камеру ПК1 располагают сразу за вторым сканирующим магнитом, а камеру ПК2 перед входом в детектор ЦДПИ (при измерении допустимых значений плотности интенсивности пучка) или перед пациентом. На Фиг.1 элементы, входящие в ЦДПИ схематически попадают в область, обозначенную пунктирной линией (12) и состоят из: светозащитного герметичного корпуса (13), внутри которого располагается водный фантом (14), обращенный своей поверхностью на объектив (15), и адаптивный электронный тракт ЦДПИ с зарядово-чувствительной матрицей (16). Центр водного фантома (14) проходит через ось z, а входная плоскость водного фантома, в которую входит пучок, параллельна плоскости x,y. Падовые камеры ПК1 и ПК2 при прохождении пучка определяют траекторию входа пучка в водный фантом ЦДПИ (мишень пациента). А ЦДПИ по измеренному координатному энерговыделению пучка в водном фантоме определяет область дозного поля и точку остановки пучка (17) - пик Брэгга или область границы пучка «напролет».

«Напролет» – это режим облучения без образования пика Брэгга (например, при энергии протонов 1 ГэВ), когда пучок выходит из фантома (или пациента) без остановки и ЦДПИ будет регистрировать только область траектории пучка и границы ее прохождения через мишень. В случае работы в режиме пика Брэгга (17) - это точка остановки пучка в данном вокселе водного фантома, где выделилась энергия пика Брэгга и (18) это граница области мишени, которую по заданной программе сканируют сканирующие магниты (6). Пады камер ПК1 и ПК2, которые зафиксировали прохождение пучка за импульс, и которые определяют направление пучка обозначены как (19).

Схема работы устройства, раскрывающая способ контроля параметров пучка и стабилизации дозы поясняется на Фиг.2. Ускоритель (20) выводит протонный пучок (21), который фокусируется квадрупольными линзами (22) и (23), а затем с помощью сканирующих магнитов (24) и (25) направляет пучок на мишень (26), ограниченную границей (27). Отклоненный последним сканирующим магнитом (25) пучок (21) останавливается и выделяет энергию в области вокселя (28), что фиксируется детектором ЦДПИ (29), информация с которого передается на считывающую электронику СЭ (30). Для контроля положения пациента во время сеанса (положения ЦДПИ перед сеансом) вводиться система координат: x, y, z (31), совпадающая с положением камер ПК1 (32) и ПК2 (33). Детектор ЦДПИ (29) за импульс ускорителя определяет распределение энерговыделения (дозный профиль) пика Брэгга по глубине и передает текущее измеренное значение на блок контроля (34) соответствия облучения заданным значениям по глубине. Каждая камера ПК1 (32) и ПК2 (33) за импульс ускорителя измеряет направление пучка на мишень и измеряет двухмерные профили (x,y) плотности интенсивности (дозные профили). Считывающая электроника камер ПК1 (35) и ПК2 (36) позволяет обработать сигналы, приходящие с камер, и получить дозные профили и плотности интенсивности пучка. Сигнал с датчика измерителя интенсивности протонного пучка (37) поступает на электронную схему сравнения СКОО (38). Информация с блоков (34), (35) и (36) так же поступает на электронную схему сравнения и контроля обнаружения отклонений СКОО (38). На схеме СКОО (38) происходит сравнение и анализ по нескольким измеренным и заданным параметрам. Алгоритмы параметров для сравнения задаются с помощью, так называемой, программируемой матрицы FPGA (39). Программируемая матрица управляет авторегулятором интенсивности протонного пучка (40), который связан с блоком ускорения (41) ускорителя. Схема СКОО работает и управляется по программе, задаваемой программируемой матрицей FPGA (39), где задаются и контролируются по нескольким параметрам изменения характеристик пучка во время проведения сеанса протонной терапии, и, в случае отклонения этих параметров от заданных, выключает пучок. Весь процесс состояния этих параметров записывают в компьютер ПК (42) в течение всего сеанса лучевой терапии.

Процесс контроля интенсивности пучка в процессе подготовки и проведения сеанса протонной терапии с применением устройства ведут следующим образом. Перед тем, как уложить пациента, включают протонный пучок и определяют с помощью детектора ЦДПИ точное соответствие положения мишени и требуемого для ее облучения координатного профиля энерговыделения. Т.е. соответствует ли область энерговыделения в водном фантоме ЦДПИ области патологического очага, при этом учитывают данные, получаемые из камер ПК1 и ПК2. Камеры ПК1 и ПК2 за импульс ускорителя контролируют дозное поле по ширине (координаты х и y), облучающее мишень.

Точность определения глубины дозного поля в водном фантоме, имитирующем пациента, перед его облучением, за счет ЦДПИ достигается 0,5мм. Далее с помощью считывающей электроники СЭ (35) и (36) измеряют заряд с каждого пада камер ПК1 и ПК2. Пады камер ПК1 и ПК2 позволяют измерять профиль пучка вдоль осей х и y, перпендикулярных оси пучка z. Пады камер определяют горизонтальный и вертикальный профиль пучка и абсолютную дозу пучка, прошедшего за данный импульс ускорителя через ПК1 и ПК2 (с точностью в 100 раз превышающую другие детекторы), и через детектор ЦДПИ, расположенный на месте пациента, и подтверждают, что именно эта же доза выделилась в водном фантоме, имитирующем пациента, за тот же импульс ускорителя. Всю плотность интенсивности пучка за импульс, прошедшую через пады обеих камер и дозные профили по обеим координатам, так же записывают для каждого импульса и выводят на компьютер. Измеренные профили вдоль оси x и y, и вычисленное направление пучка на мишень, заносят в схему СКОО (38), которая осуществляет количественный контроль динамических изменений параметров пучка во время проведения сеанса протонной терапии. В случае выхода пучка за область патологического очага система СКОО отключит пучок, что также можно будет наблюдать на мониторе ПК, для получения документальной записи процесса облучения.

Визуальный и количественный контроль параметров пучка с помощью схемы СКОО проводят одновременно в течение всего времени облучения. Распределение плотности интенсивности на ПК1 и ПК2 получают также в течение всего сеанса облучения. Сканирующим «карандашным пучком», который по заданной программе, встроенной в программируемую матрицу FPGA, облучают мишень так, чтобы пучок не вышел за границы облучаемой мишени и не затрагивал здоровые ткани.

Пример 1. Осуществление способа контроля обнаружения отклонений.

Оператор задает в программе программируемой матрицы (39) контролируемые параметры.

Дозный профиль, получаемый камерами ПК1 и ПК2, это двумерное распределение дозы от координаты x и y, обозначим их как:

d(ПК1)_x,y=f(x,y) - дозные профили измеренные камерой ПК1 для координат x y; (1)

d(ПК2)_x,y=f(x,y) - дозные профили измеренные камерой ПК2 для координат x y; (2)

Z_изм(ЦДПИ)=f(z) - глубина пика Брэгга, измеренная детектором ЦДПИ за импульс ускорителя; (3) - это первый контролируемый параметр.

Далее алгоритм работы СКОО следующий. Оператор включает пучок и вместо пациента устанавливает детектор ЦДПИ, установив его центральную ось вдоль оси z, при этом центральные пады камер ПК1 и ПК2 также совпадают с осью z. За один или несколько импульсов измеряют дозные профили и параметры, обозначенные в уравнениях (1)-(3).

Контроль №1 состоит в следующем. Из измеренных камерами дозных профилей вычисляют дозы на уровне 10% от максимума распределения, так называемый медицинский параметр d10.

d(ПК1)_x,y10_L= f(x,y) - доза на левом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК1 для координат x y;

d(ПК1)_x,y10_R= f(x,y) - доза на правом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК1 для координат x y;

d(ПК2)_x,y10_L= f(x,y) - доза на левом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК2 для координат x y;

d(ПК2)_x,y10_R= f(x,y) - доза на правом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренный камерой ПК2 для координат x y;

Вычисляем следующие отношения,

К(ПК1)_x,y= d(ПК1)_x,y10_L/ d(ПК1)_x,y10_R; (4)

К(ПК2)_x,y= d(ПК2)_x,y10_L/ d(ПК2)_x,y10_R; (5)

(4) и (5) - второй и третий контролируемые параметры. Параметры К(ПК1)_x,y и К(ПК2)_x,y контролируют схемой СКОО и записывают в компьютер за каждый импульс ускорителя. Именно отношение этих параметров наиболее чувствительно для любого отклонения пучка при облучении мишени по заданной программе. В случае отклонения параметров (3), (4) и (5) от заданных, произойдет отключение ускорителя.

Контроль №2. По измеренным параметрам для двух камер определяют следующие параметры медицинского протонного пучка:

- направление протонного пучка по линии, соединяющей максимумы дозных распределений измеренных ПК1 и ПК2;

- полную интенсивность, как площадь под дозными кривыми;

- размер пучка, определяемый пространственным положением границ распределения дозного поля на уровне d10;

Положение пучка относительно облучаемой мишени задают совмещением поля облучения с полушириной распределения дозного поля, измеренного камерой ПК2. Сходимость пучка определяют по формуле:

tg(β/2)=(FWHM₁-FWHM₂)/2L (6)

где β - угол сходимости пучка; FWHM_1,2 - полные ширины на полувысоте распределений дозного поля измеренных камерами ПК1 и ПК2; L - расстояние между ПК1 и ПК2.

Параметр (6) определяют на схеме СКОО из измеренных профилей на камерах ПК1 и ПК2 и сравнивается c заданным параметром. В случае ухода параметра (6), также отключается ускоритель.

Далее выключают пучок. Лазером выставляют направление пучка по координатам максимумов распределений в двух камер ПК1 и ПК2 и контролируют положение пациента по оси z по параметру (3) Z_изм(ЦДПИ).

Затем отводят детектор ЦДПИ в сторону от оси z, при этом положение камер ПК1 и ПК2 относительно осей x, y, z остается неизменно. Укладывают пациента на место детектора ЦДПИ, так чтобы центр его мишени совпал с центром мишени в ЦДПИ. Выставляют центр мишени пациента на центр области сканирования пучком, c лазера выставляют левую границу зоны сканирования пучком, которая совпадает с левой частью мишени у пациента. То же самое проводят для правой границы зона облучения мишени у пациента. Поскольку, несмотря на то, что пучок «карандашный», он имеет свои размеры и при установке пациента вместо фантома пучок на уровне d10 не должен выходить слева и справа за область мишени (т.е. на здоровые ткани).

Включают пучок. За каждый импульс ускорителя схема СКОО выдает на дисплей и записывает в ПК все основные параметры контроля, а именно параметры (3)-(6).

В случае выхода этих параметров за пределы заданные оператором в программируемой матрице FPGA схема СКОО дает сигнал на отключение ускорителя, в этом случае пучок вышел за пределы облучаемой мишени. При этом одновременно распределение дозного поля в плоскости мишени (x, y и z) и параметры (3)-(6) выводиться на экран ПК, что позволяет оператору наблюдать за каждый импульс ускорителя за размерами пучка на мишени и контролировать отпускаемую дозу на мишень за каждый импульс.

Способ позволяет достичь полного соответствия между планируемыми параметрами медицинского протонного пучка и реально используемыми в сеансе облучения пациента. Это достигается за счет использования контролируемых параметров медицинского протонного пучка, что достигается при совместной работе в устройстве двух камер ПК1 и ПК2 с повышенной точностью определения дозы и детектора ЦДПИ, имитирующего мишень у пациента перед его облучением.

1. Способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающий измерение допустимых значений плотности интенсивности пучка перед облучением пациента с помощью координатно-чувствительных детекторов, установленных перед пациентом и за последним сканирующим магнитом, количественное сравнение измеренных параметров плотности интенсивности с допустимыми значениями и отключение пучка при отклонении параметров от допустимых значений, отличающийся тем, что измерение допустимых значений плотности интенсивности пучка дополнительно включает измерение глубины пика Брэгга посредством устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленного на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента, а в качестве координатно-чувствительных детекторов используют падовые камеры на «теплой жидкости».

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений используют цифровой детектор получения изображений.

3. Устройство контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающее координатно-чувствительные камеры, установленные перед пациентом и за последним сканирующим магнитом, отличающееся тем, что дополнительно включает устройство измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленное на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента, а в качестве камер используют падовые камеры на «теплой жидкости».

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что в качестве устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений используют цифровой детектор получения изображений с возможностью работы в режиме «напролет».