Способ авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных и устройство для его осуществления
METHOD FOR AUTOMATIC CONTROL AND STABILIZATION OF SYNCHROCYCLOTRON INTENSITY IN PROTON-BEAM RADIATION OF PATIENTS AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Способ и устройство относятся к области ускорительной техники и к медицинской технологии протонно-лучевой терапии.
Известны преимущества применения пучков ускоренных протонов для лечения различных видов онкологических заболеваний. Во всех странах и в РФ строятся специальные протонные ускорители для работы в медицинских центрах (B.C. Хорошков. «Эволюция технологий лучевой терапии: от рентгена к адронам», Ядерная физика, 2006, т. 69, №10, с. 1760-1779) [1]. (С.Е. Ульяненко, А.А. Лычагин, С.Н. Корякин, В.Н. Галкин. «Комплекс протонной терапии сканирующим пучком «ПРОМЕТЕУС»: радиологические основы и перспективы», Материалы I Всероссийского конгресса РАТРО «Новые технологии в лучевой терапии и ядерной медицине. Перспективы развития», 27-28 апреля 2017 г., Сочи 107) [2]. Однако, для лечения онкозаболеваний используются и существующие протонные ускорители, работающие в научно-исследовательских центрах. Так, например, в РФ для медицины и лечения больных используются «мегаустановки» - протонные ускорители типа синхроциклотрон (СЦ) в городе Гатчина (Yu.A. Gavrikov, Е.М. Ivanov, V.L, Lazarev et. all. "Proton Radio surgery at the PNPI Synchrocyclotron", PNPI, Main Scientific Activities 2007-2012, Gatchina, 2013, p. 326-331.) [3], в Дубне (O.B. Савченко. «40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем Объединенного Института Ядерных Исследований». Препринт Р9-2007-85, Дубна, 2007.) [4], в Серпухове (http://www.ihep.ru) [5]. Однако, так как эти ускорители предназначены для проведения различных научно-физических исследований и первоначально не были предназначены непосредственно для медицины и лечения больных, то возникают определенные трудности в реализации задач медицинской технологии при облучении протонами на синхроциклотроне.
При лечении больных одним из основных измеряемых медицинских параметров является величина поглощенной дозы в объеме анатомической мишени (например, опухоли), единицей измерения которой является Грей (1 Гр=1 Дж/кг). Основной задачей при облучении больных является обеспечение заданного врачами дозного распределения по определенному закону изменения величины дозы на различные участки опухоли, что возможно осуществить только способом авторегулирования интенсивностью СЦ.
Известно, что использование СЦ в качестве медицинского источника для радиационного облучения протонами больных должно удовлетворять необходимым требованиям («Разработка требований к функциональным техническим характеристикам терапевтических ускорительных комплексов», Гос. контракт «11411.1008700.13.113 от 16.09.2011. Отчет №02-16/10-2011. Национальный медицинский исследовательский радиологический центр», г. Обнинск) [6], поэтому обеспечить авторегулирование и стабилизацию интенсивности СЦ с требуемой для медицины точностью и надежностью является достаточно сложной задачей.
В качестве аналога выбран способ и устройство, предложенное в (А.Р. Туманян, В.Т. Наринян, В.Ц. Никогосян «Устройство для регулирования интенсивности ускоряемого пучка заряженных частиц в синхротроне». Авторское свидетельство СССР 488512. Бюллетень №29 от 07.08.81) [7].
Сущность способа-аналога - это авторегулирование и стабилизация интенсивности путем введения отрицательной обратной связи по величине ошибки рассогласования между измеряемой и требуемой величинами интенсивности, а для осуществления способа-аналога в качестве авторегулятора интенсивности в аналоге использован набор радиоэлектронной аппаратуры и специальный электрод для резонансного воздействия на циркулирующий пучок для его частичного разрушения с целью регулировки интенсивности.
Недостатком способа-аналога является его несоответствие медицинским требованиям надежности и точности при облучении больных [6], так как в устройстве использован способ аналогового авторегулирования стабильности интенсивности, который обладает рядом известных недостатков (самовозбуждение, незащищенность от помех, невысокая точность и т.п.) (В.А. Бесекерский. «Теория систем автоматического управления», С.Петербург, «Профессия», 2007) [8].
Недостатком устройства-аналога для осуществления способа является его сложность.
В качестве прототипа выбран наиболее близкий по технической сущности способ и устройство, приведенное в патенте (Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев. «Фокусирующее устройство синхроциклотрона». Патент на полезную модель №165907, приоритет 16.02.2016) [9].
Сущность способа-прототипа - это использование известного принципа аналогового авторегулирования и стабилизации интенсивности, основанного на введении отрицательной обратной связи по отклонению регулируемой величины от заданной и последующего воздействия на авторегулятор интенсивности СЦ.
Устройство для реализации способа-прототипа включает в себя конструктивные элементы (электроды) фокусирующего устройства СЦ, а также генератор радиоимпульсов и блоки: измеритель интенсивности выведенного протонного пучка, задатчик интенсивности, блок сравнения (узел преобразования интенсивности пучка в сигнал ошибки рассогласования) и авторегулятор интенсивности, причем сам авторегулятор выполнен в виде блока временной задержки, включенного в разрыв цепи запуска и синхронизации генератора радиоимпульсов.
Недостатком способа-прототипа является то, что он не обладает требуемой для медицины надежностью и точностью [6] из-за использования в прототипе аналогового способа авторегулирования, обладающего известными недостатками (неустойчивость, самовозбуждение, инерционность, незащищенность от помех и т.п.) [8].
Соответственно, устройство-прототип не может обеспечить надежность и точность авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных. Также к его недостаткам относятся конструктивная сложность и трудности при его эксплуатации, так как часть элементов устройства-прототипа находятся в радиационной зоне и внутри вакуумной камеры СЦ.
Технический эффект изобретения - повышение надежности и точности способа и устройства для его обеспечения.
Задача данного изобретения заключается в отказе от аналогового авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных и использовании более точного и простого - широтно-импульсного стохастического способа и конструктивной реализации способа.
Технический эффект достигается тем, что:
1. В способе авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных, основанном на способе авторегулирования путем введения отрицательной обратной связи по сигналу отклонения регулируемой величины интенсивности от заданной и последующего воздействия на авторегулятор интенсивности синхроциклотрона, новым является то, что использован широтно-импульсный стохастический способ авторегулирования, при котором сигнал отклонения формируется в виде знака разности между измеряемой интенсивностью и необходимой для лечения величиной интенсивности, устанавливаемой задатчиком дозы для каждой из порций доз, на которые программно разбивается требуемая для облучения мишени общая доза облучения, причем знак разности воздействует на авторегулятор интенсивности для разрешения или запрещения очередного цикла ускорения протонного пучка.
2. В устройстве для авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных, состоящем из измерителя интенсивности протонного пучка, задатчика интенсивности, блока сравнения и авторегулятора интенсивности, новым является то, что введены блок позиционирования мишени, программатор дозы, вход которого подсоединен к блоку позиционирования мишени, а его выход подсоединен к задатчику интенсивности, введен релейный блок управления, вход которого подсоединен к выходу блока сравнения, а его выход подсоединен к входу авторегулятора интенсивности, включенному в разрыв цепи синхронизации между вариатором частоты и автогенератором дуанта, а сам авторегулятор интенсивности выполнен в виде блока временной задержки момента включения начальной частоты работы автогенератора дуанта в сторону ее уменьшения на 1-2%.
12
Рассмотрим сущность предлагаемого способа. Известно, что синхроциклотроны являются ускорителями импульсного действия и работают циклами ускорения протонного пучка. (Так, например, СЦ 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ работает циклично и генерирует 50 импульсов протонного пучка в секунду с суммарной (интегральной) интенсивностью 6-10 протонов в секунду (Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев. «Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.) [10]).
k
k
k
k
k
Сущность предлагаемого способа основана на использовании не аналогового, как в прототипе, а широтно-импульсного стохастического принципа авторегулирования. Для этого при формировании дозного распределения для облучения отдельных участков мишени (опухоли) или для облучения ее с разных сторон путем перемещения и позиционирования мишени по отношению к оси пучка, требуемая для облучения мишени доза D предварительно делится (разбивается) на отдельные порции (шаги) d так, чтобы дозное распределение  Величины порций доз d и их количество N выбирают, исходя из медико-биологических требований для облучения опухоли. Для реализации в разных частях опухоли необходимой величины порции дозы d необходима вполне определенная величина интенсивности СЦ  Известна (теоретическая или экспериментальная) зависимость между дозой и интенсивностью СЦ для каждого шага процесса облучения  Эта программная величина порций доз d реализуется за счет поступления к облучаемой мишени определенного числа импульсов n протонного пучка СЦ.
k
k
k
Сущность предложенного способа заключается в регулировке интенсивности СЦ путем отслеживания необходимого числа импульсов протонного пучка n для каждой из порций доз d и получения интенсивности СЦ  за счет изменения скважности следования импульсов протонного пучка. Процесс автоматизации и стабилизации происходит путем отслеживания интенсивности  за счет разрешения или запрещения очередного импульса протонного пучка, команды о которых «да» или «нет» поступают по цепи обратной связи в авторегулятор интенсивности. В процессе облучения по программно заданному закону получения пространственного и временного дозного распределения  происходит последовательное измерение интенсивностей  (числа протонов) и сравнение этих величин с требуемыми величинами  и выявление ошибки рассогласования   В зависимости от знака ошибки Δ происходит разрешение («да») или запрещение («нет») очередного цикла ускорения протонного пучка, то есть происходит изменение скважности следования импульсов протонного пучка 2. Отметим, что в отличие от обычного широтно-импульсного способа авторегулирования, при котором по сигналу отрицательной обратной связи происходит «плавное» изменение периода или скважности импульсов протонного пучка, предлагаемый способ является широтно-импульсным стохастическим способом авторегулирования. Действительно, так как работа СЦ в принципе нестабильна и число протонов в импульсе стохастически неодинаково, возможен даже пропуск отдельных импульсов протонного пучка из-за случайных электрических пробоев в дуантной системе, то процесс авторегулирования интенсивности для получения необходимого дозного распределения и отслеживание порций доз d носит также стохастический характер.
Преимущество предложенного способа заключается в его высокой точности авторегулирования и стабилизации интенсивности  и дозы D а также в его практически 100% надежности и простоте реализации.
Действительно.
k
k
Точность предложенного способа обусловлена отслеживанием интенсивности  в каждой из порций доз d с точностью ±1 импульс интенсивности протонного пучка. А так как знак плюс или минус стохастически равновероятен, то при большом числе порций d точность отслеживания и стабилизации всей дозы D составляет также ±1 импульс интенсивности протонного пучка, то есть очень высока.
k
k
k
k
Действительно, разбиение дозы D на порции d и их количество N выбираются и программно задаются в программаторе дозы, исходя из заданных при облучении мишени интервала времени облучения и требуемой стабильности дозы D. Например, при точности 1% необходимо, чтобы в каждой из порций d было не меньше n=100 импульсов протонного пучка (для СЦ 1000 МэВ ПИЯФ НИЦ КИ - это 2 сек. работы СЦ), при точности дозы 0.1% необходимо не менее n=1000 импульсов протонного пучка и 20 сек. работы СЦ и т.п.
k
k
Надежность предложенного способа обусловлена практически полной помехозащищенностью способа от нестабильной работы СЦ, которая происходит из-за электромагнитных помех, электрических пробоях на дуанте и т.п., приводящих к сбою в работе ускорительных циклов СЦ и к потере одного или нескольких импульсов протонного пучка. Такая надежность предложенного способа обусловлена тем, что порции доз d не зависят от числа импульсов интенсивности n в каждой из них, не зависят от числа протонов в каждом из импульсов протонного пучка, не зависят от «исчезновения» некоторых из импульсов протонного пучка из-за помех или электрических пробоев. То есть, предложенный способ авторегулирования и стабилизации интенсивности не зависит от степени нестабильной работы СЦ.
Простота предложенного способа обусловлена простотой авторегулирования и стабилизации интенсивности по принципу «да - нет».
Рассмотрим предлагаемое устройство для осуществления предложенного способа. На фиг. 1 приведена схема устройства, где изображено:
1. Синхроциклотрон.
2. Пучок ускоренных протонов.
3. Анатомическая мишень (например, опухоль пациента).
4. Неподвижная система координат для позиционирования мишени 3.
5. Дуант синхроциклотрона 1.
6. Автогенератор питания дуанта 5.
7. Вариатор частоты дуанта 5.
8. Цепь синхронизации автогенератора 6 с вариатором 7.
9. Измеритель интенсивности протонного пучка.
10. Задатчик интенсивности протонного пучка.
11. Блок сравнения.
12. Блок позиционирования мишени 3 (например, опухоли пациента).
13. Программатор дозы.
14. Линия связи.
15. Авторегулятор интенсивности.
16. Релейный блок управления.
Устройство состоит из ускорителя типа синхроциклотрон 1 с протонным пучком 2 для радиационного облучения анатомической мишени 3 (например, опухоли). Для привязки положения мишени 3 к оси пучка 2 введена неподвижная система координат XYZ 4. Синхроциклотрон 1 включает в себя дуант 5, автогенератор 6 для питания дуанта 5 и вариатор частоты 7 для модуляции частоты дуанта 5. Между вариатором 7 и автогенератором 6 находится цепь синхронизации 8 для манипуляции циклами ускорения протонов в СЦ. (Другие элементы СЦ, не относящиеся к теме настоящей заявки, на фиг. 1 не показаны.)
В устройство входят: измеритель интенсивности протонного пучка (ионизационная камера, цилиндр фарадея, проволочная пропкамера и т.п.) 9, задатчик интенсивности 10 и блок сравнения 11. Причем эти блоки скомпонованы по стандартной схеме авторегулирования так, что измеритель интенсивности 9 подсоединен к одному из входов блока сравнения 11, а блок задатчик интенсивности 10 подсоединен к его другому входу.
В предлагаемое устройство введен блок позиционирования мишени 12 для перемещения мишени 3 относительно системы координат 4 для конформного облучения опухоли больного. (Вариант блока позиционирования приведен, например, в Патенте №2149662, автор Астрахан Б.В. «Способ фиксации пациента для проведения ротационной лучевой терапии горизонтальным терапевтическим пучком протонов и устройство кресла для реализации этого способа» [11]). В предлагаемое устройство также введены блоки: программатор дозы 13, вход которого связан линией связи 14 с выходом блока позиционирования 12; введен авторегулятор интенсивности 15 и введен релейный блок управления 16. Причем, вход блока управления 16 связан с выходом блока сравнения 11, а выход релейного блока управления 16 связан со входом авторегулятора интенсивности 15. В устройство также введен программатор дозы 13, вход которого через линию связи 14 подсоединен к блоку позиционирования 12 мишени 3, а выход программатора 13 подсоединен к входу задатчика дозы 10.
k
k
k
Авторегулирование и стабилизация дозы в предлагаемом устройстве происходит следующим образом. Пучок протонов 2 от синхроциклотрона 1 проходит через измеритель интенсивности 9 и достигает мишени 3. Измеритель 9 программно измеряет требуемое количество протонов для реализации величины каждой из запрограммированных порций доз d, которые поступают в блок сравнения 11. В блоке 11 происходит сравнение измеряемой интенсивности с заданной задатчиком 10 необходимым для лечения законом распределения доз  который задан в программаторе 13 и транслируется в задатчик, и вырабатывается сигнал ошибки (рассогласования) в виде разности между измеренной и заданной порциями доз  Этот сигнал ошибки поступает в релейный блок управления 16. Если разность  что соответствует «недобору» дозы d, то на выходе блока 16 вырабатывается сигнал «да» на разрешение ускорения очередного импульса протонного пучка 2. Если разность  что соответствует «перебору» порции дозы d, то на выходе релейного блока управления 16 вырабатывается сигнал «нет» что запрещает ускорение очередного импульса протонного пучка 2. Вырабатываемые релейным блоком управления 16 сигналы «да» или «нет» «управляют» работой авторегулятора интенсивности 15, который для этого связан с релейным блоком управления 16.
Рассмотрим работу авторегулятора. При состоянии «да» происходит «разрешение» на ускорение очередного импульса протонного пучка 2, а при состоянии «нет» происходит запрет на ускорение очередного импульса протонного пучка 2.
0
к
0
к
0
Такая манипуляция очередностью следования импульсов протонного пучка 2 в режиме разрешения или запрета ускорения протонного пучка 2 происходит следующим образом. Известно, что модуляционный цикл ускорения протонов в СЦ начинается при частоте ƒ ускоряющего напряжения на дуанте 5 и заканчивается при частоте ƒ. (Так, например, для СЦ ПИЯФ ƒ=30 МГц, ƒ=13 МГц). Этот модуляционный цикл изменения частоты задается вариатором 7, электроемкость которого изменяется за счет углового перемещения пластин при вращении вариатора 7 [10]. В обычном режиме работы СЦ по цепи синхронизации 8 при частоте ƒ происходит включение автогенератора 6 питания дуанта 5 и начинается очередной цикл ускорения протонного пучка 2.
0
0
0
0
0
0
0
В предложенном устройстве в разрыв цепи синхронизации 8 введен авторегулятор интенсивности 15, который по сигналу «да» из релейного блока управления 16 обеспечивает «штатную» синхронизацию работы автогенератора 6 с вариатором 7, а по сигналу «нет» сдвигает частоту ƒ модуляционного цикла на величину Δƒ в сторону ее уменьшения на 1-2%. Такой сдвиг Δƒ препятствует захвату протонов из ионного источника в процесс их ускорения дуантом 5 и модуляционный цикл оказывается «холостым», то есть очередной импульс протонного пучка 2 на выходе СЦ 1 отсутствует. Функционально этот сдвиг частоты ƒ на величину Δƒ осуществляется в авторегуляторе интенсивности 15 путем введения временной задержки момента включения автогенератора 6 на интервал времени, обеспечивающий сдвиг частоты ƒ начала цикла ускорения на величину Δƒ в сторону ее уменьшения, который препятствует захвату протонов в режим их ускорения.
Рассмотрим разные варианты авторегулирования интенсивности при облучении мишени.
k
k
Так, например, при работе устройства в режиме стабилизации дозы все порции доз d должны быть равными (d=Const) и их величина d* задается в программаторе дозы 13 и транслируется в задатчик интенсивности 10, при этом сам процесс авторегулирования при стабилизации происходит вышеописанным способом.
При работе устройства в режиме программного авторегулирования дозы в процессе облучения мишени в программаторе 13 формируется программа изменения дозы, то есть закон изменения порций доз от времени  Сигналы от программатора 13 поступают в блок задатчик 10 и далее в блок сравнения 11. При этом сам процесс при программном авторегулировании дозы происходит вышеописанным способом.
При работе устройства в режиме авто-прерывания процесса облучения (такой режим необходим при изменении положения мишени 3 или паузы в облучении, при отслеживании непроизвольного перемещения мишени при кашле, чихании и т.п. или при синхронизации между вдохом и выдохом при облучении легких и т.п.) в блоке позиционирования 12 фиксируется информация об изменении положения мишени 3, которая по линии связи 14 поступает в программатор 13, где формируется необходимый закон изменения величин интенсивности  с паузами между ними в зависимости от перемещения мишени 3. При этом сам процесс авторегулирования происходит вышеописанным способом.
Преимуществом предложенного устройства для реализации способа является его простота и надежность работы.
0
0
Действительно, в отличие от аналога и прототипа, где в качестве авторегулятора использовано очень сложное в конструктивном и радиотехническом отношениях фокусирующее устройство, часть элементов которого находится в вакууме и радиационно-опасной зоне СЦ, в предлагаемом устройстве использован очень простой и надежный авторегулятор интенсивности 15 и релейный блок управления 16. Причем, все конструктивные элементы блоков в отличие от прототипа находятся не в радиационно-опасной зоне и в вакууме, а в зоне доступности на пульте СЦ. Простота и надежность работы предложенного устройства обусловлена также тем, что авторегулятор интенсивности 15 манипулирует импульсами протонных пучков СЦ, не затрагивая и не изменяя режима работы или стандартную настройку каких-либо других систем СЦ. Действительно, сдвиг частоты ƒ на величину Δƒ на несколько % не приводит к изменению режима работы СЦ, а только превращает цикл его работы в «холостой цикл» без импульса протонного пучка 2. В случае использования в качестве авторегулятора любого другого устройства СЦ практически всегда приводило бы к сбоям или к замедлению процесса авторегулирования интенсивности из-за потери точной настройки параметров пучка после каждого из пропущенных циклов ускорения.
Предлагаемый способ и устройство были опробованы при проведении протонно-лучевой терапии больных на СЦ-1000 НИЦ КИ - ПИЯФ в течение нескольких лет.
В качестве подтверждения на фиг. 2 приведена регистрация процесса облучения гипофиза больного в режиме стабилизации интенсивности. График взят из его «истории болезни». Время облучения t=15 минут, общая доза D=112.5 Гр, интенсивность = 0.125 Гр/сек, стабильность интенсивности и равномерность дозного облучения  Из графика видно, что через 1.25 мин. была произведена авто-коррекция интенсивности из-за нарушения иммобилизации больного. «Зубцы» на графике соответствуют порциям доз
Литература
[1] B.C. Хорошков.
«Эволюция технологий лучевой терапии: от рентгена к адронам», Ядерная физика,
2006, т. 69, №10, с. 1760-1779.
[2] СЕ. Ульяненко, А.А. Лычагин, СН. Корякин, В.Н. Галкин.
«Комплекс протонной терапии сканирующим пучком «ПРОМЕТЕУС»:
радиологические основы и перспективы», Материалы I Всероссийского конгресса РАТРО «Новые технологии в лучевой терапии и ядерной медицине. Перспективы развития», 27-28 апреля 2017 г., Сочи 107.
[3] Yu.A. Gavrikov, Е.М. Ivanov, V.L. Lazarev et. all.
"Proton Radio surgery at the PNPI Synchrocyclotron", PNPI, Main Scientific Activities 2007-2012, Gatchina, 2013, p. 326-331.
[4] O.B. Савченко.
«40 лет протонной терапии на синхроциклотроне и фазотроне лаборатории ядерных проблем Объединенного Института Ядерных Исследований». Препринт Р9-2007-85, Дубна, 2007.
[5] http://www.ihep.ru
[6] «Разработка требований к функциональным техническим характеристикам терапевтических ускорительных комплексов», Гос. контракт «11411.1008700.13.113 от 16.09.2011. Отчет №02-16/10-2011. Национальный медицинский исследовательский радиологический центр», г. Обнинск.
[7] Аналог.
А.Р. Туманян, В.Т. Наринян, В.Ц. Никогосян.
«Устройство для регулирования интенсивности ускоряемого пучка заряженных частиц в синхротроне». Авторское свидетельство СССР 488512. Бюллетень №29 от 07.08.81.
[8] В.А. Бесекерский.
«Теория систем автоматического управления», С.Петербург, «Профессия», 2007.
[9] Прототип.
Е.М. Иванов, Г.Ф. Михеев.
«Фокусирующее устройство синхроциклотрона». Патент на полезную модель №165907, приоритет 16.02.2016.
[10] Н.К. Абросимов, Г.Ф. Михеев.
«Радиотехнические системы синхроциклотрона Петербургского института ядерной физики», Гатчина, 2012 г.
[11] Б.В. Астрахан.
Патент №2149662. «Способ фиксации пациента для проведения ротационной лучевой терапии горизонтальным терапевтическим пучком протонов и устройство кресла для реализации этого способа».