МНОГОЛЕПЕСТКОВЫЙ КОЛЛИМАТОР ДЛЯ ПРОТОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
MULTI-LEAF COLLIMATOR FOR PROTON BEAM THERAPY

Область техники.
Изобретение относится к средствам для дистанционной лучевой терапии и может быть использовано для протонной лучевой терапии злокачественных и доброкачественных новообразований и некоторых других заболеваний.
Дистанционная лучевая терапия широко применяется при лечении различных злокачественных и доброкачественных опухолей. Принцип лечения заключается в воздействии ионизирующего излучения на клетки опухоли пациента, а именно в наличии радиационных повреждений, приводящих к разрушению структур клеток и тем самым уничтожению опухоли [1].
Целью дистанционной лучевой терапии является подведение максимальной поглощенной дозы ионизирующего излучения к опухоли, при этом минимизировать облучение прилегающих здоровых тканей. Другими словами сформированное дозовое распределение излучения должно быть максимально конформно.
Лучевая терапия тяжелыми частицами, такими как протоны, выделяются в отдельную группу по сравнению с классическими видами излучения, применяемые в медицине - электронно-фотонным и гамма-излучением, за счет преимуществ в распределении поглощенной дозы в тканях пациента [2].
Одним из основных элементов установки для дистанционной лучевой терапии является коллиматор, предназначенный для формирования терапевтического пучка выбранной поперечной формы (апертуры) из первоначального ускорительного пучка посредством полного замедления выбранной части пучка в стенках коллиматора и в тоже время прохождения оставшейся части пучка без замедления. При этом апертура коллиматора должна максимально точно соответствовать форме опухоли пациента при выбранном направлении облучения.
В период развития протонной терапии в 60-70-х годах прошлого столетия в качестве коллиматоров применялись блоки из разных металлов (сталь, свинец, латунь и т.п.) с апертурами стандартных форм (квадраты, прямоугольники, круги различных размеров).
В конце 70-х годов прошлого столетия начали использовать фигурные коллиматоры, которые выплавляли из различных легкоплавких сплавов (Вуда, свинца или вольфрамовых сплавов) [2]. Это нововведение позволило использовать в облучении апертуры более сложных форм, по сравнению с коллиматорами предыдущего типа.
С начала 80-х годов в лечебную практику стали внедрять многолепестковые коллиматоры (МЛК) способные механически изменять апертуру пучка за счет множества подвижных тонких «лепестков» собранных в блоках по обе стороны от оси пучка. В специализированной медико-технической литературе принято понятие «пластины» МЛК.
Применение МЛК позволяет существенно снизить нагрузку на здоровые ткани больного по сравнению с предыдущими типами коллиматоров за счет возможности использования новых методик облучения, таких как динамическое облучение и облучение с модулированным по интенсивности пучком. Исчезла необходимость в наличии специального помещения для изготовления фигурных коллиматоров и для хранения использованных коллиматоров с наведенной радиоактивностью после облучения.
Также использование МЛК позволяет сократить время сеанса облучения пациента по сравнению с предыдущими типами коллиматоров и в сравнении с методами использующие эти коллиматоры, уменьшить дозовую нагрузку на персонал от облучения наведенной радиоактивностью использованными коллиматорами, уменьшить трудозатраты на изготовление индивидуальных фигурных коллиматоров для каждого пациента и для каждого направления облучения.
Методика динамического облучения, при которой для каждого пациента и для каждого направления облучения автоматически выставляется несколько апертур МЛК, существенно снижает дозовую нагрузку на здоровые ткани по сравнению с методиками облучения с использованием фигурных коллиматоров.
Методика с модулированным по интенсивности пучком, при которой для каждого пациента и для каждого направления облучения апертура меняется автоматически непосредственно во время лечения, позволяет облучать различные участки опухоли с большей или меньшей интенсивностью во время одного облучения с одного направления, что невозможно при использовании фигурных коллиматоров.
Уровень техники.
Известно устройство для дистанционной лучевой терапии [3], содержащее два блока подвижных пластин расположенных в корпусе, где каждая пластина имеет свой индивидуальный привод, выполненный в виде линейного привода на шаговом двигателе с выдвижным штоком, позволяющий посредством гибкого несжимаемого элемента передавать движение пластине. Линейные приводы при этом располагаются веерообразно по обе стороны от корпуса. Корпус также включает нижнюю и верхнюю направляющие, которые задают направление перемещения и зазор между пластинами в каждом блоке с помощью тонких выступов.
Данное устройство разработано для электронно-фотонной лучевой терапии, при котором облучение проводится веерным расходящимся пучком. В связи с этим в качестве материала пластин выбран вольфрам, как лучший материал замедлителя для данного вида излучения, также профиль пластин в блоках не имеют специальной П-образной формы для уменьшения межлепесткового излучения, кроме нескольких пластин центральной части коллиматора, где пучок параллелен плоскости пластин.
Данные обстоятельства делают невозможным применения данного устройства в лучевой терапии тяжелыми частицами, такими как протоны, где траектории частиц в ускорительном пучке плоскопараллельны друг другу, а боковое рассеяние очень мало. Вольфрам и другие материалы с большим атомным номером Z не пригодны для коллимации пучка тяжелых частиц, вследствие большего кулоновского рассеяния при замедлении частиц пучка в материале пластин по сравнению с пучками фотонов или электронов, также наличие зазоров между пластинами приведет к появлению межлепесткового излучения, что является неприемлемым. Использование линейных приводов с выдвижным штоком приводит к увеличению габаритных размеров коллиматора, а также к ограничению максимально возможного количества приводов и, тем самым, к ограничению количества пластин в каждом блоке. Использование направляющих с тонкими выступами определенной толщины, которые задают зазор между пластинами, накладывает ограничение на минимально возможную толщину пластин, а также на минимально возможный зазор между пластинами.
Также известно устройство для дистанционной лучевой терапии [4], содержащее два блока из набора подвижных пластин одинаковой толщины расположенных в корпусе, где каждый блок пластин имеет свой индивидуальный привод. Посредством приводов пластины перемещаются независимо от других пластин в блоке в одном направлении параллельно основанию и перпендикулярно геометрической оси коллиматора.
Особенностью конструкции устройства является способ передачи движения пластинам от приводов. Каждый блок пластин имеет один привод, выполненный в виде шагового двигателя. Передача движения пластинам от двигателя осуществляется с помощью реечной передачи, при которой вал двигателя является зубчатым колесом, а торец каждой из пластин в блоке является рейкой. Выбор пластин, которые необходимо переместить, осуществляется за счет пневмоцилиндров, работа которых заключается в перемещении в продольном направлении (параллельно геометрической оси коллиматора) необходимой пластины в положение сцепления с валом двигателя, а также в положение покоя, если пластина достигла своего заданного положения.
Данное устройство предназначено для коллимации пучков тяжелых частиц, таких как протоны. В связи с этим, профили по ширине пластин имеют прямоугольную форму, а поверхности торцов, участвующих в формировании апертуры пучка, двух противоположных пластин из разных блоков параллельны друг другу и параллельны оси пучка.
Описанное устройство имеет ряд существенных недостатков. Так, наличие одного привода для перемещения пластин из одного блока создает ограничения по возможности одновременного перемещения пластин в этом блоке в разных направлениях и с разными скоростями. Также пластины, при срабатывании пневмоцилиндров, должны свободно перемещаться друг относительно друга в продольном направлении, т.е. необходимо наличие зазора между пластинами. В связи с этим сопрягающиеся поверхности пластин плоские. Во время облучения пластины сжимают с помощью специальных толкателей друг относительно друга для уменьшения зазора. Этот принцип является нецелесообразным, так как при таком сжатии межлепестковое излучение уменьшиться незначительно. Также наличие зазора во время перемещения пластин делает невозможным его применение в методике облучения с модулированным по интенсивности пучком.
Наиболее близким к предлагаемому многолепестковому коллиматору для протонной лучевой терапии является известное устройство (прототип), описанное в патенте [5], включающее два блока подвижных пластин расположенных в корпусе с основанием, крышкой и боковинами, где каждая пластина имеет свой индивидуальный привод, состоящий из шагового двигателя с валом в виде длинного винта со свободным концом, позволяющий посредством винтовой передачи и жесткого колена передавать движения пластине. Двигатели при этом располагаются в шахматном порядке над блоками пластин по обе стороны от корпуса. Пластины собраны в блоках таким образом, чтобы предотвратить возможность проникновения пучка через зазор между пластинами.
Данное устройство разработано для электронно-фотонной лучевой терапии. В связи с этим в качестве материала пластин выбран вольфрам. Профиль пластин по ширине имеет клиновидную П-образную форму, узкой своей частью обращенной к источнику частиц, а широкой к пациенту, для лучшей коллимации веерного расходящегося излучения. Толщина пластины в широкой части 5 мм, а максимально возможная апертура коллиматора 6 на 6 см.
Данные обстоятельства делают невозможным применения данного устройства в лучевой терапии тяжелыми частицами. Вольфрам не пригоден для коллимации пучка тяжелых частиц, а наличие пластин с клиновидным профилем является неприемлемым для лучевой терапии пучками с плоскопараллельными траекториями частиц. Использование шаговых двигателей с валом в виде винта со свободным (незакрепленным) концом при достаточно больших перемещениях пластин (около 10 см и более) приведет к возникновению осевых биений свободного конца винта и, как следствие, возможности заклинивания гайки. Таким образом, данный вид привода накладывает ограничение на максимально возможную апертуру коллиматора. Использование жестких колен сложной формы приведет к ограничению максимально возможного количества приводов, вследствие сложности их компоновки, и, тем самым, к ограничению количества пластин в каждом блоке и увеличению габаритных размеров. В устройстве пластины собраны без зазора, что при использовании коллиматора в горизонтальном положении может привести к значительному увеличению трения между пластинами и возможности заклинивания пластин между собой.
Раскрытие изобретения.
Предлагаемое изобретение решает задачу сокращения времени и повышения точности формирования любой заданной апертуры коллиматора и позволяет реализовать различные методики лечения с целью подведения максимальной поглощенной дозы к опухоли и при этом минимизировать облучение здоровых тканей, т.е. соблюсти предельную конформность лечения.
Применение индивидуальных приводов пластин состоящих из шагового двигателя, встроенная гайка которого, совместно с ходовым винтом, прикрепленным одним к торцу пластины, а также сепараторов с шариками помещенные в канавки между пластинами в блоках, позволяет решить задачу быстро сформировать заданную апертуру коллиматора.
Задача точно сформировать заданную апертуру коллиматора достигается за счет формы, материала и толщины пластин, а также применения датчиков положения, которыми снабжены все индивидуальные приводы.
Техническая задача в предлагаемом коллиматоре решается тем, что многолепестковый коллиматор для протонной лучевой терапии содержит корпус с основанием, крышкой и боковинами. Внутри корпуса параллельно основанию на равной высоте размещены два блока из набора пластин. Блоки имеют индивидуальные приводы, которые с помощью индивидуальных винтовых передач, связаны с пластинами с возможностью независимого перемещения в противоположных направлениях каждой пластины от одного до другого края максимально возможной апертуры. Пластины выполнены с одинаковой толщиной, имеют П-образный профиль по ширине пластины и собраны в блоках с возможностью размещения выступающей части профиля каждой пластины в соответствующем углублении профиля соседней с ней верхней пластины, при этом нижние пластины блоков имеют двояковыпуклый П-образный профиль. Внутренние поверхности основания и крышки снабжены углублениями для размещения в них выступающих частей профиля соответствующих пластин. Торцы всех пластин, участвующие в формировании апертуры пучка, выполнены в виде чередования П-образных выступов и впадин, при этом выступы и впадины пластин одного блока совпадают, а выступы и впадины пластин другого блока расположены по отношению к ним в шахматном порядке. Кроме того, боковые поверхности пластин имеют направляющие пазы, в которые помещены шарикоподшипники, закрепленные в боковинах. Сепараторы с шариками помещены в направляющие канавки между пластинами в блоке. Пластины коллиматора выполнены из стали, а толщина пластин составляет не более 2,9 мм.
Индивидуальный привод состоит из шагового двигателя, встроенная гайка которого, совместно с ходовым винтом, прикрепленным к торцу пластины, образует передачу гайка-винт в индивидуальной винтовой передаче. При этом каждый привод снабжен датчиком положения.
Отличительными признаками изобретения являются:
- индивидуальные приводы, которые связаны с наиболее удаленными от геометрической оси коллиматора торцами пластин через индивидуальные винтовые передачи с возможностью независимого перемещения в противоположных направлениях каждой пластины от одного до другого края максимально возможной апертуры. Такая конструкция приводов и передач МЛК обеспечивает независимость в направлении и скорости перемещений каждой пластины от других пластин, что позволяет быстро формировать заданную апертуру и реализовывать различные методики лечения с использованием коллиматора. Торцы пластин, к которым прикреплены индивидуальные винтовые передачи, не участвуют в формировании апертуры пучка, тогда как противоположные торцы, наименее удаленные от геометрической оси коллиматора, формируют апертуру.
- пластины выполнены с одинаковой толщиной, имеют П-образный профиль по ширине пластины и собраны в блоках с возможностью размещения выступающей части профиля каждой пластины в соответствующем углублении профиля соседней с ней верхней пластины, при этом нижние пластины блоков имеют двояковыпуклый П-образный профиль, а внутренние поверхности основания и крышки снабжены углублениями для размещения в них выступающих частей профиля соответствующих пластин. Такой способ набора пластин в блоки позволяет уменьшить межлепестковое излучение от частиц пучка, попадающих на боковую поверхность пластин, что обеспечивает точность формирования заданной апертуры коллиматора.
- торцы пластин, участвующие в формировании апертуры пучка, выполнены в виде чередующихся П-образных выступов и впадин, при этом выступы и впадины пластин одного блока совпадают, а выступы и впадины пластин другого блока расположены по отношению к ним в шахматном порядке. Такая форма торцов пластин и способ их расположения позволяет уменьшить межлепестковое излучение через перекрытые П-образные выступы и впадины торцов пластин разных блоков, и тем самым обеспечивает точность формирования заданной апертуры коллиматора.
- боковые поверхности пластин имеют направляющие пазы, в которые помещены шарикоподшипники, закрепленные в боковинах. Шарикоподшипники удерживают пластины в строго горизонтальном положении относительно основания коллиматора на протяжении всего хода пластин, что дает возможность перемещения каждой пластины от одного края максимально возможной апертуры коллиматора до другого края без провисания, а также обеспечивают сонаправленность перемещений пластин друг относительно друга для увеличения точности формирования апертуры.
- сепараторы с шариками помещены в направляющие канавки между пластинами в блоке. Канавки выполнены на каждой пластине, параллельны и сопряжены друг относительно друга и перпендикулярны геометрической оси коллиматора. Они задают сонаправленность перемещений пластин, а подобранный диаметр шариков в сепараторах задает минимально возможный зазор между пластинами. При таком размещении пластин в блоках зазор составляет 0,1 мм, а толщина каждой пластины не более 2,9 мм. Полученная толщина и зазор обеспечивают предельную конформность (точность) облучения при выбранной конструкции коллиматора. Увеличение толщины пластин и зазора между ними ухудшает степень конформности облучения.
- пластины коллиматора выполнены из стали, что при выбранной ширине пластины обеспечивает полное замедление падающего пучка, увеличивая тем самым точность облучения. Применение стали в качестве материала пластин также минимизирует экономические и трудовые затраты по сравнению с использованием других материалов для изготовления пластин (например, вольфрама).
- толщина каждой пластины составляет не более 2,9 мм, что, позволяет сформировать более конформную (точную) апертуру, по сравнению с использованием пластин большей толщины.
- индивидуальный привод состоит из шагового двигателя, встроенная гайка которого, совместно с ходовым винтом, прикрепленным к торцу пластины, образует передачу гайка-винт в индивидуальной винтовой передаче. Выбор в качестве приводов шаговых двигателей со встроенной гайкой обеспечивает необходимую точность перемещений пластин при формировании заданных апертур и возможность выбора различной скорости их перемещения для реализации различных методик облучения с использованием коллиматора. Винтовая передача за счет использования встроенной в шаговый двигатель гайки уменьшает габаритные размеры коллиматора, так как преобразование вращательного движения гайки в поступательное движение пластины осуществляется без внешних вспомогательных элементов, которые могут значительно усложнить конструкцию. Также выбор шага резьбы винта и углового перемещения встроенной гайки-ротора (шага) двигателя задает требуемую точность перемещения пластины коллиматора и, тем самым, точность формирования апертуры.
По нормативным требованиям Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) точность конформности сформированной апертуры по отношению к форме опухоли, а другими словами точность позиционирования пластин многолепесткового коллиматора, должна составлять не более 0,5 мм [6]. Тогда как для многолепесткового коллиматора применяемого в электронно-фотонной лучевой терапии требования точности позиционирования пластин гораздо менее строгие, около 1-2 мм [7]. Таким образом, протонная терапия является более прецизионным видом лечения, по сравнению с классическими видами лучевой терапии.
Например, при использовании шагового двигателя с шагом гайки-ротора в 15 градусов и шаге резьбы винта 1 мм, точность (дискретность) перемещения составит 0,04 мм (по паспортным данным).
- каждый привод снабжен датчиком положения. Датчик положения обеспечивает требуемую точность измерений перемещения пластины коллиматора при выбранной скорости вращения встроенной гайки двигателя, а также обеспечивает повторяемость этой точности. В предлагаемом устройстве применяется многооборотный оптический энкодер.
Например, при использовании шагового двигателя с шагом в 15 градусов и шаге резьбы винта 1 мм число шагов на полный оборот гайки-ротора двигателя составит
<mrow><mi>N</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>360</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow><mi>ω</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><msup><mrow><mn>360</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow><mrow><msup><mrow><mn>15</mn></mrow><mo>∘</mo></msup></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>24</mn><mtext> (шага)</mtext></mrow>
,
где N - число шагов двигателя на полный оборот гайки-ротора;
ω - шаг двигателя.
Ход пластины будет равен
p
L=N·l=24 (шага)·0,04 (мм)=0,96 (мм),
где L - ход пластины;
N - число шагов двигателя на полный оборот гайки-ротора;
p
l - дискретность перемещения винта двигателя в продольном направлении в мм при использовании шагового двигателя с шагом 15 градусов и винта с шагом резьбы 1 мм.
При использовании энкодера с восемью значениями кодов на один оборот гайки-ротора двигателя точность измерения перемещения пластины энкодером составит:
<mrow><msub><mi>l</mi><mrow><mi>э</mi><mi>н</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mi>L</mi><mi>k</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>0,96</mn><mtext> (мм)</mtext></mrow><mrow><mtext>8 (кодов)</mtext></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,12</mn><mtext> (</mtext><mfrac bevelled="true"><mrow><mtext>мм</mtext></mrow><mrow><mtext>код</mtext></mrow></mfrac><mtext>)</mtext></mrow>
,
энк
где l - точность измерения перемещения пластины энкодером;
L - ход пластины;
k - число кодов сгенерированных энкодером за один оборот ротора шагового двигателя.
Полученное значение точности 0,12 мм по нормативам МАГАТЭ является приемлемым.
Совокупность всех перечисленных выше признаков позволяет сократить время и повысить точность формирования любой заданной апертуры коллиматора и реализовать различные методики лечения с целью подведения максимальной поглощенной дозы к опухоли и при этом минимизировать облучение здоровых тканей, т.е. соблюсти предельную конформность лечения.
Перечень фигур:
Фиг.1. Общий вид многолепесткового коллиматора для протонной лучевой терапии;
Фиг.2. Взаимное расположение трех выборочных пластин многолепесткового коллиматора с индивидуальными приводами и передачами;
Фиг.3. Взаимное расположение пластин многолепесткового коллиматора в блоке;
Фиг.4. Габаритные параметры пластины многолепесткового коллиматора;
Фиг.5. Набор выборочных пластин в блоке многолепесткового коллиматора и наиболее вероятные траектории частиц пучка;
Фиг.6. Формирование апертуры терапевтического пучка многолепестковым коллиматором;
Фиг.7. Функциональная схема системы управления и контроля многолепесткового коллиматора.
Фиг.1. Общий вид многолепесткового коллиматора для протонной лучевой терапии, где:
(1) - основание;
(2) - крышка;
(3) - боковины;
(4) - геометрическая ось;
(5а) и (5б)- блоки из набора пластин;
(6) - пластины;
(7) - индивидуальные приводы;
(8) - индивидуальные винтовые передачи;
(9) - датчики положения.
На фиг.1 представлен общий вид многолепесткового коллиматора для протонной лучевой терапии. Коллиматор содержит корпус с основанием (1), крышкой (2) и боковинами (3), в котором параллельно основанию (1) и перпендикулярно геометрической оси коллиматора (4) на равной высоте размещены два блока (5а) и (5б) из набора пластин (6). Каждый блок пластин (5а) и (5б) имеет индивидуальные приводы (7), которые с помощью индивидуальных винтовых передач (8), связаны с пластинами (6). Каждой пластине (6) соответствует индивидуальный концевой выключатель (на фиг. не показан), расположенный противоположно относительно торца пластины, наиболее удаленного от геометрической оси коллиматора и не участвующего в формировании апертуры пучка. Каждый привод (7) снабжен датчиком положения (9), выполненным в виде многооборотного оптического энкодера.
Фиг.2 Взаимное расположение трех выборочных пластин многолепесткового коллиматора с индивидуальными приводами и передачами, где:
(10) - торцы пластин не участвующие в формировании апертуры пучка;
(11) - торцы пластин участвующие в формировании апертуры пучка;
(12) - П-образные выступы;
(13) - П-образные впадины;
(14) - направляющие пазы боковых поверхностей пластин;
(15) - сепараторы с шариками;
(16) - направляющие канавки на поверхностях пластин.
На фиг.2 показано взаимное расположение трех выборочных пластины (6) и индивидуальных приводов (7). Индивидуальные приводы (7) связаны с наиболее удаленными от геометрической оси коллиматора торцами пластин (10) через индивидуальные винтовые передачи (8). Индивидуальный привод (7) состоит из шагового двигателя, встроенная гайка которого, совместно с ходовым винтом, прикрепленным к торцу пластины, образует передачу гайка-винт в индивидуальной винтовой передаче (8). Длина ходового винта выбрана таким образом, чтобы обеспечить возможность перемещения прикрепленной пластины (6) от одного до другого края максимально возможной апертуры. Торцы пластин, наименее удаленные от геометрической оси коллиматора и участвующие в формировании апертуры пучка (11), выполнены в виде чередующихся П-образных выступов (12) и впадин (13) при этом выступы и впадины у пластин блока совпадают, а выступы и впадины пластин другого блока расположены по отношению к ним в шахматном порядке. Боковые поверхности пластин (6) имеют направляющие пазы (14). Сепараторы с шариками (15) помещены в направляющие канавки (16) между пластинами (6) в блоках (5а) и (56).
Фиг.3 Взаимное расположение пластин многолепесткового коллиматора в блоке, где:
(17) - П-образный профиль пластины;
(18) - выступающая часть П-образного профиля пластины;
(19) - углубление П-образного профиля пластины;
(20) - нижние пластины в блоках;
(21) - двояковыпуклый П-образный профиль пластины;
(22) - углубления;
(23) - шарикоподшипники.
На фиг.3 представлен многолепестковый коллиматор вид сбоку. Индивидуальные приводы и индивидуальные винтовые передачи не показаны. Пластины (6) выполнены с одинаковой толщиной, имеют П-образный профиль по ширине (17) и собраны в блоки (5а) и (5б) с возможностью размещения выступающей части профиля (18) каждой пластины в соответствующем углублении профиля (19) соседней с ней верхней пластины. Нижние пластины (20) обоих блоков (5а) и (5б) имеют двояковыпуклый П-образный профиль (21). Внутренние поверхности основания (1) и крышки (2) снабжены углубления (22) для размещения в них выступающих частей профиля соответствующих нижних пластин (20) и верхних пластин обоих блоков (5а) и (5б). В направляющих пазах боковых поверхностях пластин (14) помещены шарикоподшипники (23), закрепленные в боковинах (3). Показаны два типа рядов шарикоподшипников (23), где одни расположены горизонтально, а другие вертикально. В собранном виде устройство имеет несколько рядов горизонтальных и вертикальных шарикоподшипников (23) по обе стороны от блоков (5а) и (5б). Горизонтальные шарикоподшипники обеспечивают сонаправленность перемещений пластин (6) друг относительно друга в блоках (5а) и (5б), а вертикальные шарикоподшипники удерживают пластины (6) в строго горизонтальном положении относительно основания коллиматора (1) на протяжении всего хода пластин.
Фиг.4 Габаритные параметры пластины многолепесткового коллиматора, где:
(X) - толщина пластины;
(Y) - ширина пластины;
(Z) - длина пластины.
Габаритные параметры пластины многолепесткового коллиматора показаны на фиг.4. Толщина пластины (X) составляет не более 2,9 мм. Значение параметра (X) определяет степень конформности сформированной апертуры МЛК. Ширина пластины (Y) зависит от используемой при лечении энергии протонного пучка и выбрана таким образом, чтобы при любых возможных траекториях частиц пучка, попавшего в блок пластин, частицы проходили в материале пластины такую длину пути, в конце которой они полностью замедляются и останавливаются. Выбор длины пластины (Z) определяет максимально возможную апертуру, сформированную МЛК.
Фиг.5 Набор выборочных пластин в блоке многолепесткового коллиматора и наиболее вероятные траектории частиц пучка, где:
а, б, в и г - наиболее вероятные траектории частиц протонного пучка, падающего на МЛК.
<mrow><mfrac><mi>Y</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>Y</mi><mn>4</mn></mfrac><mo>+</mo><mfrac><mi>Y</mi><mn>4</mn></mfrac></mrow>
<mrow><mfrac><mi>Y</mi><mn>2</mn></mfrac></mrow>
На фиг.5 показано схематическое изображение набора выборочных пластин в блоке многолепесткового коллиматора и наиболее вероятные траектории частиц падающего пучка. Изображение поясняет принцип уменьшения межлепесткового излучения коллиматора за счет способа набора пластин с П-образным профилем (17) в блоки. Направления прямолинейных траекторий частиц ускорительного пучка, параллельные оси коллиматора, показаны стрелками. Частицы с траекторией (а) попадают на боковую поверхность пластины в той ее части, где на протяжении всей прямолинейной траектории частицы нет пересечения с углублением (18) П-образного профиля этой пластины. Такие частицы полностью замедляются, пройдя длину пути в материале пластины равную
. Точка остановки частиц показана крестом. Частицы с траекторией (б) также попадают на боковую поверхность пластины в той ее части, где на протяжении всей прямолинейной траектории частицы есть пересечения с углублением (19) П-образного профиля этой пластины. При этом частицы пучка полностью замедляются у противоположной боковой поверхности пластины, пройдя путь в материале длиной
. Частицы с траекторией (в) попадают в зазор между соседними пластинами и замедляются в выступающей верхней части (18) П-образного профиля нижней пластины, пройдя путь в материале
. Частицы с траекторией (г) проходят через открытую апертуру без замедления. Эти частицы формируют терапевтический пучок. Такой способ набора пластин в блоках обеспечивает минимальную вероятность проникновения излучения через пластины.
2
3
В предлагаемом устройстве пластины выполнены из стали. Так, при использовании пучка протонов с энергией 220 МэВ пробег частиц в стали составит 44,0 г/см. Отсюда, приняв плотность стали 7,8 г/см, значение длины пробега протонов до полного замедления в стали составит:
<mrow><mi>G</mi><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>R</mi><mi>E</mi></msub></mrow><mi>ρ</mi></mfrac><mo>=</mo><mfrac><mrow><mn>44,0</mn><mtext> (</mtext><mfrac bevelled="true"><mtext>г</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>см</mtext></mrow><mtext>2</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext>)</mtext></mrow><mrow><mn>7,8</mn><mtext> (</mtext><mfrac bevelled="true"><mtext>г</mtext><mrow><msup><mrow><mtext>см</mtext></mrow><mtext>3</mtext></msup></mrow></mfrac><mtext>)</mtext></mrow></mfrac><mo>≈</mo><mn>5,6</mn><mtext> (см)</mtext></mrow>
где G - длина пробега протонов;
E
R - пробег протонов в материале пластины с энергией E;
ρ - плотность материала пластины.
Следовательно, значение Y выбираем:
Y=2G=2·5,6 (см)≈12,0 (см),
где Y - ширина пластины;
G - длина пробега протонов.
В Медико-техническом комплексе Лаборатории ядерных проблем Объединенного Института Ядерных Исследований (г.Дубна) изготовлен опытный образец многолепесткового коллиматора.
При использовании МЛК помещают в терапевтическую установку для дистанционной протонной лучевой терапии таким образом, чтобы геометрическая ось коллиматора совпадала с осью изначального ускорительного пучка.
На фиг.6 Формирование апертуры терапевтического пучка многолепестковым коллиматором, где:
(A) - апертура ускорительного пучка;
(B) - апертура терапевтического пучка;
показан принцип работы МЛК при формировании произвольной апертуры терапевтического пучка.
Стрелкой показано направление движения пучка. Геометрическая ось МЛК (4) совпадает с осью пучка. Изначальный ускорительный пучок определенной апертуры (А) (в данном случае это квадрат) попадает на коллиматор. Поперечный размер изначального пучка задает максимально возможную апертуру МЛК. Пластины коллиматора (6) блоков (5а) и (5б) заблаговременно перемещены параллельно основанию и перпендикулярно геометрической оси коллиматора с помощью индивидуальных приводов и индивидуальных винтовых передачи (на фиг. не показаны) в заданные для каждой пластины положения, которые контролируются многооборотными оптическими энкодерами (на фиг. не показаны). Та часть протонного пучка, которая попадает на боковые поверхности пластин (6), будет полностью замедленна в материале пластин, а та часть, которая пройдет между торцами пластин участвующих в формировании апертуры пучка (11) противоположных блоков (5а) и (5б), останется не замедленной. В итоге будет сформирован терапевтический протонный пучок заданной апертуры (Б).
Необходимые для формирования коллиматором апертуры терапевтического пучка определяются для каждого пациента и для каждого направления облучения с помощью программы планирования облучения [2]. Трехмерный массив топометрической информации, полученный при компьютерной томографии пациента, в цифровом виде вводится в программу. На каждом аксиальном срезе полученных томограмм врач-радиолог очерчивает границы области облучения, также задает количество полей облучения и их направления. По этим данным система планирования генерирует трехмерные модели очерченных структур и цифровые реконструированные рентгенограммы для каждого направления облучения. Определяется и очерчивается протонный пучок определенной апертуры, который при облучении формируется с помощью МЛК.
Фиг.7 Функциональная схема системы управления и контроля многолепесткового коллиматора, где:
(24) - персональный компьютер;
(25) - контроллер МЛК;
(26) - драйверы приводов;
(27) - концевые выключатели;
(28) - счетчики.
На фиг.7 представлена функциональная схема системы управления и контроля многолепесткового коллиматора. Рассмотрим работу МЛК при трехмерной конформной протонной лучевой терапии по методу "step-and-shoot" [2], [7]. В этом методе вначале формируется апертура МЛК, а затем производиться облучение. Скорость перемещения пластин при формировании апертуры постоянная. Перед началом работы, программа работы с МЛК на персональном компьютере ПК (24) задает команду «калибровка» для контроллера МЛК (25), который в свою очередь подает сигналы «пуск» и «направление» на все драйверы привода (26) для формирования максимальной апертуры МЛК (полное открытие коллиматора). Каждый драйвер привода (26) формируют на своих выходах требуемые шаговые последовательности, которые поступают на индивидуальный привод (7) выполненный в виде шагового двигателя (ШД), а также определяет направление и скорость вращения гайки-ротора ШД. Индивидуальная винтовая передача гайка-винт (8) преобразует вращательное движение гайки в поступательное движение винта, который прикреплен к пластине (6). Пластины, достигнув максимально задвинутого в корпус положения, торцами (10), не участвующими в формировании апертуры пучка, касаются концевых выключателей (27). Сигналы с концевых выключателей, о достижении крайнего положения пластинами, считываются контроллером МЛК (25), который затем подает сигнал «стоп» на драйверы приводов (26) для остановки вращения гаек-роторов ШД (7), сигнал «сброс» на счетчики (28) для обнуления значений координат пластин и сигнал о готовности работы МЛК на ПК (24). Далее начинается цикл работы МЛК по формированию одной апертуры терапевтического пучка. Файл апертуры из программы планирования облучения в виде матрицы данных о положении каждой пластины относительно геометрической оси коллиматора вводятся в ПК (24). Программа работы с МЛК на ПК (24) обрабатывает файл и определяет, какие пластины (6) необходимо переместить для формирования заданной апертуры пучка. Пластины, участвующие в формировании апертуры пучка, должны быть перемещены из текущего положения в положение, заданное файлом апертуры для этих пластин, а пластины, не участвующие в формировании апертуры пучка, к плоскости, перпендикулярной поверхности торцов пластин и содержащей геометрическую ось коллиматора, до перекрытия П-образных выступов и впадин пластин противоположных блоков. Для этого, по команде ПК (24), контроллер МЛК (25) опрашивает все счетчики (28), тем самым определяя текущие координаты всех пластин (6), и передает эти данные на ПК (24). Программа на ПК (24) определяет, в каком направлении необходимо переместить выбранные пластины и дает команду контроллеру МЛК (25) о начале работы. Контроллер МЛК (25) подает команды «пуск» и «направление» для драйверов привода (26) выбранных пластин. Каждый драйвер привода (27) формирует требуемые шаговые последовательности, задающие направление и скорость вращения гайки ШД (8). Во время движения пластин, счетчики (28), в режиме реального времени, считывают импульсные последовательности с датчиков положения (9) выполненных в виде многооборотных оптических энкодеров (Э), тем самым кодируя положения каждой перемещаемой пластины. Контроллер МЛК (25), считывает данные счетчиков (28) и сравнивает текущие положения пластин с заданными положениями из ПК (24). Когда значения сравняются, контроллер МЛК (25) подает команду «стоп» для драйверов привода (26) тех пластин, которые достигли заданных положений. Когда все пластины (6) будут установлены в заданных положениях контроллер МЛК (25) подает сигнал на ПК (24) о готовности МЛК к облучению пациента. После облучения цикл работы коллиматора по формированию следующей апертуры терапевтического пучка повторяется.
Литература.
1. М.Ш. Вайнберг Систематика, терминология, документирование лечебного процесса в лучевой терапии онкологическизх больных. - Москва, АМФ Пресс, ВМТ4, 1995.
2. А.В. Агапов и др. Методика трехмерной конформной протонной лучевой терапии // Письма в ЭЧАЯ. - Дубна: ОИЯИ, 2005 г. - 6: Т.2.
3. Otto Pastyr, Wolfgang Schlegel и др. Contour collimator for radiotherapy, патент США №6188748 от 13 февраля 2001.
4. Kohei Kato, Hiroshi Akiyama и др. Multi-leaf collimator and medical system including accelerator, патент США №6792078 от 14 сентября 2004.
5. Fraas F. Doppke K., Hunt M., Kuther G., Starkshall G., Stern R., Van Dyke J. Quality Assurance for Clinical Radiotherapy Treatment Planning. Report of AARM Radiation Therapy Committee Task Group №53. - USA: Medical Physics, 1998 г. - 10, V.25. - стр. P.1773-1829.
6. IAEA headquarters Report of Advisory Group Meeting on the Utilization of Particle Accelerators for Proton Therapy [Отчет]. - Vienna: [б.н.], 7-10 July 1998.