Способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии и устройство для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING BEAM PARAMETERS DURING PROTON THERAPY AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

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), м<sup>2</sup>/В/сек
Выход пар свободных электронов (G<sub>if</sub>)
Плотность жидкости (d), г/см<sup>3</sup>
Изооктан
99,24
1,936
5,3·10<sup>-4</sup>
0,33
0,69
Тетраметилпентан
140,3
2,05
29·10<sup>-4</sup>
0,42
0,72
Тетраметилсилан
26,65
1,84
105·10<sup>-4</sup>
0,74
0,65
Тетраметилгерманий
44,0
2,01
90·10<sup>-4</sup>
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);
3
d - плотность «теплой жидкости»  (г/см);
3
v - рабочий объем камеры (см).
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:
x,y
d(ПК1)=f(x,y) - дозные профили измеренные камерой ПК1 для координат x  y; (1)
x,y
d(ПК2)=f(x,y) - дозные профили измеренные камерой ПК2 для координат x  y; (2)
изм
Z(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.
x,y
L
d(ПК1)10=  f(x,y) - доза на левом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК1 для координат x  y;
x,y
R
d(ПК1)10=  f(x,y) - доза на правом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК1 для координат x  y;
x,y
L
d(ПК2)10=  f(x,y) - доза на левом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренная камерой ПК2 для координат x  y;
x,y
R
d(ПК2)10=  f(x,y) - доза на правом крыле дозного профиля на уровне 10% от максимума измеренный камерой ПК2 для координат x  y;
Вычисляем следующие отношения,
x,y
x,y
L
x,y
R
К(ПК1)= d(ПК1)10/ d(ПК1)10; (4)
x,y
x,y
L
x,y
R
К(ПК2)= d(ПК2)10/ d(ПК2)10; (5)
x,y
x,y
(4) и (5) - второй и третий контролируемые параметры. Параметры К(ПК1)иК(ПК2)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:
1
2
tg(β/2)=(FWHM-FWHM)/2L (6)
1,2
где β - угол сходимости пучка; FWHM- 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.
изм
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(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.