Устройство для цифровой гомографии на пучках тяжелых заряженных частиц

 

О П И С А Н И Е ()867!62

ИЗОБРЕТЕН ИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Сава Советских

Социалистических

Респтблик (61) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) ЗаЯвлено 30.05.80 (21) 2934945/18-25 (51) 1 Кл з G 01 T 1/16 с присоединением заявки— (23) Приоритет—

Государственный комитет

СССР ао делам изобретений н открытий (43) Опубликовано 15.04.82. Бюллетень № 14 (45) Дата опубликования описания 15.04.82 (53) УДК 621 387424 (088.8) (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЦИФРОВОЙ

ТОМОГРАФИИ НА ПУЧКАХ

ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯ)КЕННЫХ ЧАСТИЦ

Изобретение относится к такому прикладному вопросу ядерной физики и физики частиц высоких энергий как лучевая терапия и диагностика онкологических заболеваний пучками тяжелых заряженных частиц.

Известно, что пучки тяжелых заряженных частиц обладают большими потенциальными преимуществами для повышения эффективности лучевой терапии. Однако 10 эти преимущества могут быть реализованы только в случае достаточно точного определения формы и размеров огтухоли, а также места ее расположения внутри тела пациента. 15

Получить распределение плотности внутри тела пациента позволяет, например, метод рентгеновской томографии с применением ЭВМ 1 1). Принцип действия такой установки состоит в следующем. Часть те- 20 ла пациента, подлежащая диагностике, последовательно сканируется узким пучком рентгеновских лучей. Затем происходит поворот всей системы на некоторый угол и операция сканирования повторяется. Таким 25 образом, измеряются распределения величин ослабления потоков рентгеновских лучей при различных углах поворота объектива. Существует математический аппарат, позволяющий по набору этих распределе- 30 ний восстанавливать распределение плотности внутри объекта в плоскости сканирования 12).

В последнее время получили развитие методы протонной и ионной томографии, в которых вместо узкого пучка рентгеновских лучей используются пучки тяжелых заряженных частиц — протоны и более тяжелые ионы, пробеги которых жестко связаны с энергией.

Известно устройство для цифровой томографии на пучке протонов, измерения в котором проводятся с помопцью толстого детектора. Ближайшим к изобретению техническим решением является устройство для цифровой томографии на пучке тяжелых заряженных частиц, содержащее координатный стенд для размещения объекта и установленный за ним детектор (3).

В нем узкий пучок протонов пересекает фантом, погруженный в водяную плоскопараллельную ванну, и его остаточная энергия регистрируется с помощью детектора из сверхчистого германия толщиной 1,25 см (это соответствует — 5 г/смз ткани).

Кроме этого, в устройстве используется пропорциональная камера для определения места выхода частицы из фантома и два сцинтилляционных счетчика для отбора

867162

20

45

55

65 нужных событий. Регистрируется энергия каждого протона.

Недостатком этого устройства является малый динамический диапазон измеряемых с максимальной чувствительностью толщин, в результате чего возникает необходимость помещать исследуемый объект в плоскопараллельвую ванну с водой, которая компенсирует кривизну поверхности исследуемого образца. Это, во-первых, приводит к значительному усложнению конструкции установки и ухудшению комфортных условий для исследуемого объекта, во-вторых, достигаемое в этих условиях уменьшение диапазона толщин объекта не всегда д статочно. Так, например, при исследовании грудной клетки человека необходимо проведение измерений в диапазоне не менее

10 г/см ткани. Кроме того, использование результатов томографии биобъекта, например человека, для проведения облучения заданных локализаций внутри биообъекта требует его фиксации в идентичном положении, причем большая подвижность органов, например, в брюшной полости, приводит к необходимости использования для томографии и облучения одного и того же устройства фиксации.

Целью изобретения является измерение толщин объекта в единицах пробега тяжелых заряженных частиц в некотором заданном веществе, а также расширение динамического диапазона измеряемых с высокой точностью толщин объекта, что позволяет проводить измерения для получения распределения плотности внутри исследуемого объекта с более высокой точностью для более широкого диапазона толщин объекта, не прибегая к погружению его в ванну с жидкостью, а следовательно, и для более широкого класса объектов.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для цифровой томографии на пучке тяжелых заряженных частиц, содержащем координатный стенд для размещения объекта и установленный за ним детектор, между исследуемым объектом и детектором установлен замедлитель из этого же вещества с толщиной, изменяющейся в зависимости от величины сигнала детектора так, что суммарная толщина объекта и дополнительного замедлителя остается постоянной.

Устройство для цифровой томографии на пучках тяжелых заряженных частиц схематически изображено на чертеже, где 1 — направление движения п1учка тяжелых заряженных частиц; 2 — координатный стенд; 3 — исследуемый объект; 4— замедлитель переменной толщины; 5 — детектор. Исследуемый объект располагается на юординатном стенде, который служит для перемещения объекта относительно пучка тяжелых заряженных частиц. В качестве замедлителя переменной толщины могут использоваться, например, два клина, при перемещении которых по направлениям, указанным на чертеже стрелками, будет изменяться толщина вещества на пути пучка. Детектором является сцинтилляционный счетчик, перекрывающий полностью пучок, расширяющийся за счет многократного кулоновского рассеяния при прохождении частиц через объект, подлежащий диагностике, и дополнительный зам едл ит ель.

Принцип автоматического измерения распределения толщины основан на следую,щем;

При некотором положении исследуемого объекта устанавливается такая толщина дополнительного замедлителя переменной толщины, чтобы суммарная толщина

1 = 1,б„,к„+ 1... а,„, СООтВЕтСтВОВаЛа НЕкоторой толщине То, которой соответствует некоторый уровень сигнала D< на спаде кривой ll (например 50%). При каждом изменении положения исследуемого объекта и связанным с этим изменении его толщины по направлению пучка по командам

ЭВМ подбирается новое значение толщины дополнительного замедлителя так, чтобы суммарная толщина замедлителя и объекта оставалась постоянной и равной Тб. Информация о положении координатного стенда с исследуемым объектом и соответствующей толщине дополнительного замедлителя записывается в память ЭВМ для последующей математической обработки и получения распределения плотности внутри исследуемого объекта.

Устройство работает следующим образом.

Исследуемый .объект на координатном стенде по командам ЭВМ перемещается поперек пучка, останавливается в точке, в которой нужно произвести измерение, при этом анализируется сигнал с детектора в зависимости от того, больше он или меньше уровня D, соответственно по команде ЭВМ увеличивается или уменьшается толщина дополнительного замедлителя, которая соотношением /объекта 7 о акоп.заа однозначно связана с толщиной объекта.

По окончании этой операции объект перемещается для проведения измерений в следующей точке. Далее объект поворачивается на некоторый угол и операция измерения следующей проекции повторяется аналогичным образом.

Реализация этого устройства может быть осуществлена, например, на установке, предназначенной для ротационного сканирующего облучения пациентов. Управление перемещением координатного стенда этой установки может осуществляться на связи с ЭВМ. По командам ЭВМ объект, расположенный на стенде, может перемещаться по трем декартовым кординатам, а также вращаться вокруг верти867162 кальной оси. По командам ЭВМ может также изменяться толщина дополнительного замедлителя переменной толщины. Ве.личина сигнала детектора с помощью амплитудно-цифрового преобразователя может быть переведена в цифровой код и передана затем в ЭВМ. В зависимости от величины сигнала детектора ЭВМ выдает команду на изменение толщины дополнительного замедлителя до тех пор, пока сигнал детектора не достигнет некоторого наперед заданного уровня. После этого в память ЭВМ записывается значение тол:щины дополнительного замедлителя.

Таким образом, с помощью данного устройства можно провести с постоянной высокой точностью измерения распределе.ний толщин, необходимых для восстановления распределений плотности внутри исследуемых объектов в более широком динамическом диапазоне толщин объекта, ограниченном лишь толщиной используемого дополнительного замедлителя или пробегом частиц, не прибегая к погружению объекта в плоскопараллельную ванну с жидкостью.

Результаты томографии используются в лучевой терапии тяжелыми заряженными частицами для расчета толщины дополнительного замедлителя, необходимого для наведения пика Брэгга на облучаемую локализацию. Это требует громоздких расчетов с учетом зависимости остаточной энергии частиц от их пробега в детекторе, разности в плотности и тормозной способности облучаемого объекта, детектора и дополнительного замедлителя, Если для томографии использовать предлагаемое устройство, а также те же тяжелые заряженные частицы, которыми в дальнейшем будет проводиться терапия, то все толщины будут измерены в единицах пробега этих частиц в веществе замедлителя, что значительно упрощает использование томограмм в лучевой терапии на пучках тяжелых заряженных частиц. Кроме того, устанавливая после проведения томографии поглотитель переменной толщины перед объектом облучения, можно затем с помощью этого же устройства, используя полученное распределение плотности внутри объекта и не меняя его расположения, формировать внутри объекта с помощью того же самого пучка тяжелых заряженных частиц дозное распределение любого вида и с высокой точностью, и тем самым уменншить требования к точности фиксации пациента на каждом сеансе фракционированного облучения.

15 Формула изобретения

Устройство для цифровой томографии на пучках тяжелых заряженных частиц, содержащее координатный стенд для размещения объекта и установленный за ним детектор, о т л и ч а ю щ.е е с я тем, что, с целью измерения толщин объекта в единицах пробега тяжелых заряженных частиц в некотором заданном веществе, между исследуемым объектом и детектором установлен замедлитель из этого же вещества, с толщиной, изменяющейся в зависимости от величины сигнала детектора так, что суммарная толщина объекта и дополни30 тельного замедлителя остается постоянной.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе:

35 1. G. N. Hounsfield «Method and apparatus for measuring Х or y-radiation absorption or transmission at plural augles aud

ahalylring the data». U. S. Patent 3778614, Dec. 11, 1973.

40 2. g. М. Mevserean and А. V. Oppenheim «Digital reconstruction of multidimensional signals from their projections» Proc.

IEEE, v. 62, 13il9 — 1338, 1974.

3. Hanson К. М. et al. The application

45 of protons to computed tomography IEEE.

Trans. Nucl. Sci Ns-25 (1978), рр. 657 — 660 (прототип), 867162 ойдУюа ЛЬл. лУ .ЖиюАРЯ

Составитель Ю. Алешин

Техред И. Пенчко

Корректор С. ФайнРедактор И. Гохфельд

Тнп. Харьк. фил. пред. «Патент»

Заказ 361 272 Изд. № 130 Тираж 719 Подписное

НПО «Поиск> Государственного комитета СССР по делам изобретений . и открытий

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