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 относится к области лучевой терапии с использованием протонов, и может быть применено для практической дозиметрии при определении поглощенной дозы от пучка протонов для медицинских целей, в частности, к протонной терапии при облучении малоинтенсивным «карандашным пучком» больших патологических очагов с большой точностью подведения дозы к области очага по координате.
Предшествующий уровень техники
Из диссертации «Развитие методов оптической диагностики в циклических ускорителях заряженных частиц», Дорохов В.Л., опубл.2021, известен способ измерения профиля пучка, осуществляющийся применением люминофорного экрана, размещенного в вакуумной камере ускорителя, перед быстрой видеокамерой, записывающей светящийся профиль пучка. Видимый свет, излучаемый люминофорным экраном при прохождении через него пучка, регистрируют и измеряют цифровой видеокамерой, и полученное изображение выводится на компьютер.
Из патента RU2654838, опубл.22.05.2018, и  патента RU179244, опубл. 07.05.2018, известно  устройство, предназначенное для контроля протонного и ионного пучка перед проведением сеанса протонной терапии и способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений. Устройство измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, раскрытое в вышеуказанных патентах, а именно цифровой детектор получения изображений (ЦДПИ), после проведения контроля пучка протонного ускорителя выдвигается из пучка и на его месте размещается пациент для проведения сеанса протонной терапии. Устройство ЦДПИ позволяет в диапазоне всех терапевтических энергий сканирующего малоинтенсивного пучка протонов с точностью регламентируемой МАГАТЭ, восстанавливать 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].
Известен 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 протонов за полный импульс ускорителя.
Наиболее близким аналогом является способ и устройство контроля параметров пучка в процессе протонной терапии известный из патента RU2747365, опубл.04.05.2021, заключающиеся в применении двух камер, установленных перед пациентом и после последнего сканирующего магнита, а также системы контроля обнаружения отклонений (СКОО), которая отключает пучок ускорителя при отклонении профиля от заданных в системе профилей. Недостатком прототипа является сложность самого устройства и считывающей электроники и системы СКОО.
Раскрытие сущности  изобретения
Задачей предлагаемого изобретения является повышение конформности контроля процесса облучения пациента во время сеанса протонной терапии, а именно точности контроля соответствия пучка излучения патологическому очагу, при определении профиля поглощенной дозы  по х- и y- координате.
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, упрощение конструкции за счет упрощения конструкции считывающей электроники при одновременном сохранении большого числа каналов камеры.
Заявленный технический результат достигается в способе контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающий измерение допустимых значений дозных профилей и плотности интенсивности пучка перед облучением пациента с помощью падовой камеры, установленной между последним сканирующим магнитом и пациентом, количественное сравнение измеренных дозных профилей и плотности интенсивности пучка  с допустимыми значениями, и отключение пучка при отклонении параметров от допустимых значений, при этом измерение параметров пучка осуществляют путем облучения каждого участка поверхности координатно-чувствительной плоскости многоканальной падовой ионизационной камеры и расположенной перед ней плоскости люминофорного экрана, разделенной на ячейки, совпадающие по геометрическим размерам с участком поверхности многоканальной падовой ионизационной камеры, при этом дополнительно осуществляют идентификацию и считывание параметров пучка и обработку параметров пучка посредством цифровой видеокамеры, анализатора номера ячейки и аналогового мультиплексора.
Заявленный технический результат достигается применением устройства контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, включающее ускоритель с протонным пучком, фокусируемым квадрупольными линзами, падовую камеру, установленную между последним сканирующим магнитом и пациентом, считывающую электронику для обработки сигнала с камеры, и электронную схему сравнения и контроля обнаружения отклонений, при этомв качестве камеры используют многоканальную падовую ионизационную камеру, координатно-чувствительная плоскость которой разделена на участки, и установленного перед ней люминофорного экрана, плоскость которого, разделена на ячейки, совпадающие по размерам с чувствительными участками камеры, при этом дополнительно включает цифровую видеокамеру, анализатор номера ячейки и аналоговый мультиплексор.
Цифровая видеокамера совместно с анализатором номера ячейки идентифицирует номер ячейки на люминофорном экране, через которую прошел спот пучка, анализатор номера ячейки формирует код номера участка поверхности координатно-чувствительной плоскости многоканальной падовой ионизационной камеры и передает на аналоговый мультиплексор, подключенный через токовые выводы к каждому участку поверхости камеры, а аналоговый мультиплексор передает параметры пучка на считывающую электронику для обработки и сравнения параметров с допустимыми значениями.
В заявленном изобретении используют одну большую многоканальную ионизационную падовую камеру, и схему контроля и обнаружения отклонений (СКОО). СКОО имеет меньшее количество контролируемых параметров в процессе сеанса протонной терапии, чем в аналогах, что упрощает процесс проведения сеанса терапии и обработки результатов. Главным существенным отличительным признаком предлагаемого изобретения является принципиально другое электронное считывание профилей пучка в процессе облучения мишени.
Отличительной особенностью заявляемого устройства является применение для контроля параметров пучка в процессе протонной терапии совместно работающих большой многоканальной ионизационной падовой камеры (МИК) с координатно-чувствительной плоскостью, разделенной на участки, которую устанавливают между последним сканирующим магнитом и пациентом, и электронного анализатора номера ячейки, определяющего номер «сработавшего» участка поверхности камеры, который передается на считывающую электронику (СЭ).
Всю чувствительную поверхность многоканальной падовой ионизационной камеры разбивают на N–участков, при этом каждый участок поверхности содержит только часть чувствительных падов (например, на Фиг.2, 5х5, т.е. 25 падов). Сканирующий пучок последовательно проходит, через все чувствительные участки, каждый из которых имеет свой номер от 1 до N. При прохождении пучка через каждый участок считывающая электроника собирает информацию только с небольшой части каналов падовой камеры, а именно с n-падов входящих в участок поверхности камеры, что значительно уменьшает число каналов для обработки считывающей электроникой. Поэтому, многоканальную падовую камеру можно так же назвать «фазированной», т.е. разделенной на отдельные независимые чувствительные участки.
Основной особенностью является возможность определения координаты области, где проходит сканирующий пучок за данный спот пучка. Внутри устройства камеры (МИК) перед каждым участком с n-падами установлен люминофорный экран, который с помощью сетки, нанесенной на экран, разделен на ячейки, совпадающие по размеру с чувствительными участками плоскости камеры МИК, и определяющий через какой участок поверхности камеры прошел спот.  Считывающая электроника (СЭ) камеры МИК считывает профиль с одного из чувствительных участков плоскости камеры МИК, и после проверки на схеме контроля и обнаружения отклонений (СКОО) передает профиль на компьютер. Система СКОО изготовлена в упрощенном виде с меньшим числом контролируемых параметров, позволяющих упростить обучение обслуживающего персонала, что так же существенно снижает стоимость устройства.
Описание изобретения
Общая схема заявляемого устройства приведена на Фиг.1. Устройство, включает ускоритель типа синхротрона (1) с пучком протонов (2) для облучения мишени (3), например, опухоли. Для привязки положения мишени (3) к оси пучка введена система координат xyz (4). Пучок протонов, выведенный из ускорителя (1), фокусируемый двумя квадрупольными линзами (5), проходит через сканирующие магниты (6). Координатно-чувствительная камера МИК (7) (область обозначена пунктирной линией) расположена между вторым сканирующим магнитом и облучаемой мишенью (3) (7), состоит из координатно-чувствительной плоскости (9), разделенной на чувствительные участки (19) и люминофорного экрана (8), расположенного перед плоскостью (9). Каждый участок (19) содержит n-падов (10). Плоскости люминофорного экрана (8) и разделенной на участки координатно-чувствительной плоскости камеры (9) перпендикулярны оси z (11). Протонный сканирующий пучок (2) из ускорителя, разделенный на споты, последовательно облучает участок (19) ионизационной камеры МИК (7). Ось z(11), которая определяет глубину, строго проходит через центр осевой ячейки люминофорного экрана (8) и через центр осевого участка чувствительной поверхности камеры МИК (9).
Ось х(12) определяет ширину, а ось y (13) высоту. Люминофорный экран (8) разделен на ячейки (14) в виде сетки, нанесенной на экран (8). Каждая из ячеек (14) люминофорного экрана (8) отображается на кадре быстрой цифровой видеокамеры (15), например, GigaVision. Номера ячеек люминофорного экрана (8), через которые прошел спот пучка, идентифицирует быстрая цифровая видеокамера (15) и анализатор номера ячейки (16). Анализатор номера ячейки (16) выдает код на аналоговый мультиплексор (17), который через токовые выводы (18) подключен к каждому из чувствительных участков (19) чувствительной области камеры МИК (9). Анализатор номера ячейки (16) формирует код номера участка, через которую прошел пучок за текущий спот. Максимальное значение номера ячейки люминофорного экрана (8) равно N, а внутри каждого из чувствительных участков плоскости камеры расположено n-координатно-чувствительных падов (10).
На Фиг.1 показаны два луча спотов пучка (2), один из лучей проходит через номер N(i) (20) ячеек (14) люминофорного экрана (8) и чувствительной поверхности камеры (9). Второй луч спота, например, проходит через номер N(i+4) (21) ячеек (14) и «фаз» (19). Причем, для любого луча спота всегда происходит совпадение номера ячейки люминофорного экрана (8) и номера участка чувствительной области камеры МИК (9). Геометрически размеры и положение чувствительных участков МИК совпадает с границами каждой соответствующей ячейки люминофорного экрана (8). Поэтому, если спот пучка прошел через какой-то номер участка с N(i) (20), то светящееся пятно будет обнаружено камерой (15) на люминофорном экране (8) в ячейке с таким же номером N(i) (20). После определения номера ячейки cо светящимся спотом с помощью анализатора (16), определяют номер N(i), который в виде кода передается на аналоговый мультиплексор (17), число входов (18), которого равно N и совпадает с числом чувствительных участков на поверхности в камере МИК (9). Сигналы (18) с каждого чувствительного участка камеры МИК, где на n-падах каждого «сработавшего» участка поверхности МИК записан профиль пучка, поступают на вход аналогового мультиплексора (17) и по коду поступившего номера поступают на считывающую электронику (22). Запуск считывающей электроники инициирует ускоритель (1). За каждый выпуск ускорителя для сканирующих магнитов сканирующий «карандашный пучок» облучает мишень (3) по заданной программе. Проинтегрированные сигналы за каждый спот с чувствительного участка поверхности камеры МИК (9) через аналоговый мультиплексор (17) считываются в буфер памяти считывающей электроники (22). Контролируют каждый спот, проходящий, через каждый чувствительный участок камеры за один выпуск. За один проходящий спот через чувствительный участок камеры МИК (7) измеряют двухмерные профили (x, y) и плотности (дозные профили). Буфер памяти считывающей электроники хранит информацию о профиле и плотности для каждого чувствительного участка. Далее данные для всех участков за один полный выпуск ускорителя передают на схему контроля и обнаружения отклонений (СКОО) (23). Заранее на схеме СКОО (23) при калибровке камеры МИК (7) записываются допустимые значения профилей и плотностей пучка. Схема СКОО (23) связана с программируемой матрицей (24), в которой запрограммированы применяемые алгоритмы, по которым определяют состояние проходящего пучка за импульс. Если схема СКОО (23) и программируемая матрица FPGA (24) обнаруживают при контроле отклонение допустимых параметров и измеренных, то матрица (24) отключает пучок. Если за выпуск ускорителя СКОО и FPGA не обнаруживают отклонений, то профили пучка за один выпуск ускорителя передают по линии связи (25) на компьютер (26) для записи и визуализации. Основные управляющие сигналы от ускорителя передают по линии (27). Схема устройства «фазы» и контроль стабильности пучка в процессе облучения пациента (мишени) поясняется на Фиг.2.
Пример 1.
Осуществление способа контроля обнаружения отклонений.
Оператор задает в программе программируемой матрицы (24) контролируемые параметры. В качестве координатного и дозового измерителя используют падовую камеру МИК (7) с N-количеством чувствительных участков, в каждой из которых n-падов. Контроль дозовых параметров пучка поясняется на Фиг.2. Граница «сработавшего» чувствительного участка (19)поверхности МИК, через которую прошел спот пучка, обозначен (28).
Спот пучка, прошедший через чувствительный участок обозначен как (29). Один пад внутри участка обозначен как (30). Падовая камера МИК определяет не только координаты x и y, но и дозу каждого спота. Поэтому на Фиг.2 справа показан дозный профиль, который измерил чувствительный участок, за спот по координатам x и y. Спот пучка прошел через пад с номером 4 по координате x и номером 3 по координате y. На Фиг. 2 d20, d50, d80 и d90 (33) это дозовые параметры, применяемые в клинической протонной терапии. Для контроля выберем параметр d50 – доза на уровне 50% от измеренного профиля по координатам x и y (34).  На Фиг.2 в одном чувствительном участке показано 5х5 падов. Приведены профили по координатам х(31) и y(32), измеренные участком, и переданные за спот через считывающую электронику на компьютер.
Из измеренных камерой МИК дозных профилей по каждому споту за полный выпуск ускорителя вычисляют дозы на уровне 50% от максимума распределения, так называемый, медицинский параметр d50.
d (x,y)50L= f(x,y) - доза на левом крыле дозного профиля на уровне 50% от максимума, измеренная камерой для  координат x и y;
d (x,y)50R=  f(x,y)  -  доза на  правом  крыле  дозного профиля  на уровне  50%  от максимума, измеренная камерой для  координат x и y;
Вычисляем контролируемый параметр (1) по следующим соотношениям:
Кx,y= d(x,y)50L/ d(x,y)50R   (1)
Параметр Кx,y контролируют схемой СКОО и записывают в компьютер за каждый выпуск ускорителя. Отношение этого параметра наиболее чувствительно для любого отклонения пучка при облучении мишени по заданной программе. В случае отклонения параметра (1) от заданного, произойдет отключение ускорителя. В случае выхода этого параметра за пределы, заданные оператором в программируемой матрице FPGA схема СКОО дает сигнал на отключение ускорителя. Способ позволяет достичь полного соответствия между планируемыми параметрами медицинского протонного пучка и реально используемыми в сеансе облучения пациента.