Индивидуальное формирование протонных терапевтических пучков модифицированнным пассивным методом Текст научной статьи по специальности «Медицинские технологии»

ИНДИВИДУАЛЬНОЕ ФОРМИРОВАНИЕ ПРОТОННЫХ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ МОДИФИЦИРОВАНННЫМ ПАССИВНЫМ МЕТОДОМ

Акулиничев С.В.1, Гаврилов Ю.К.2, Новиков-Бородин А.В.3 Институт ядерных исследований РАН 117312 Москва, пр.60-летия Октября 7а

1 [email protected]; [email protected], 3novikov@inr.ги

Описывается система формирования распределения дозы облучения при лечении локализованных онкологических новообразований пучками протонов модифицированным пассивным методом (МПМ). По качеству облучения новообразований предлагаемый модифицированный метод становится сравнимым с активными методами формирования. При этом стоимость необходимого оборудования для реализации МПМ на несколько порядков ниже активных методов, на порядок более прост в реализации и стоимости лечения. Разработаны и патентуются методика облучения и устройства формирования. Представлены результаты расчётов и численного моделирования. Обсуждаются особенности существующих пассивных и активных методов терапии, проводится сравнительный анализ с предлагаемым модифицированным методом.

1. Методы протонной терапии

Облучение протонами позволяет разрушить опухоль без оперативного вмешательства и повреждения здоровых тканей. Достигается это за счёт разрушения новообразований при замедлении пучка протонов в теле пациента. Пробег протонов при замедлении зависит от энергии пучка, причём максимальная поглощённая доза наблюдается именно в конце пробега. Кривая поглощённой дозы в зависимости от глубины пробега описывается хорошо известной кривой Брэгга. Вследствие того, что протоны проникают только на определённую глубину, с максимальным энерговыделением в конце, ткани на большей глубине за пиком Брэгга (в так называемой «дальней зоне») не облучаются. Ткани, расположенные на линии пробега протонов до пика Брэгга (в «ближней зоне», от поверхности здоровых тканей до новообразования) получают, хоть и меньшую, чем в конце пробега, дозу облучения. Для разрушения онкологических новообразований, локализованных в некотором трёхмерном объёме, необходимо так сформировать пучок, чтобы конец пробега протонов приходился как раз на область локализации новообразования. Методика обеспечения такого формирования пучка называется планированием облучения.

Снижение лучевой нагрузки на здоровые ткани при проведении облучения онкологических новообразований является центральной задачей любой лучевой терапии, и протонной в частности. Не допустить облучения здоровых тканей в «дальней зоне» при протонной терапии достаточно просто, в то время как проблема облучения здоровых тканей в «ближней зоне» стоит очень остро.

Существуют активный и пассивный методы обеспечения облучения (см., например, [1]-[4]). Активный метод (см., например, [3], [4]) основан на сканировании узким протонным пучком области новообразования, при помощи изменения магнитной оптики канала пучка с одновременным варьированием энергии пучка. Активный метод требует создания и использования сложного и дорогостоящего оборудования. Кроме того, реализация активного метода требует достаточно сложной системы планирования и повышенных требований по стабильности работы оборудования и точности диагностики параметров пучка.

В отличие от активного метода, в пассивном методе накопление дозы происходит одновременно во всей области облучения. В пассивном методе (см., например, [3]-[7]) формирование дозного поля на новообразовании осуществляется с помощью специальных устройств формирования - болюсов, коллиматоров, гребёнок, пропеллеров и т.д. (Рис.1). Пассивный метод значительно легче реализуем технически, и не требует таких значительных затрат, как активный

метод, поскольку параметры пучка в процессе облучения не должны меняться. С помощью болюсов обеспечивается замедление протонов до дальней от источника пучка протонов поверхности новообразования, чем предотвращается облучение здоровых тканей за новообразованием. Коллиматоры защищают здоровые ткани в поперечной от пучка плоскости. Однородность облучения во всём объёме новообразования обеспечивается модификаторами энергии пучка - гребёнками, пропеллерами и т.д. В схеме на Рис.1 показан модификатор энергии типа гребёнки ([5]-[7]).

Рис.1. Формирование дозного облучения пассивным методом на примере цилиндрической мишени.

Болюсы и коллиматоры изготавливаются индивидуально для каждого пациента, так как их форма зависит от объёмной конфигурации конкретного новообразования. Максимальная толщина модификатора энергии (в случае гребёнки - это длина её зубьев вдоль оси пучка) выбирается исходя из максимальной толщины новообразования. Конфигурация ближней, к источнику пучка протонов, поверхности новообразования не учитывается, поэтому в «ближней зоне», т.е. зоне между источником протонов и новообразованием, повреждение здоровых тканей может быть фатальным. Распределение поглощённой дозы облучения пассивным методом на примере цилиндрической мишени представлено на Рис.2А. Белой прерывистой линией отмечена граница облучаемой мишени. В «ближней зоне» существуют области здоровых тканей, получающих такую же дозу облучения, как и в новообразовании. Таким образом, при применении пассивного метода повреждается часть здоровых тканей в «ближней зоне».

2. Модифицированный метод

Методика и устройства модифицированного метода направлены на значительное понижение поглощённой дозы облучения в «ближней зоне», что приводит к повышению качества облучения и, как следствие, к повышению эффективности лечения. На Рис.3 представлена предлагаемая модифицированная схема формирования поглощённой дозы облучения пассивным методом.

Повышенные уровни поглощённой дозы в отдельных областях «ближней зоны» (Рис.2) определяются наличием нежелательных для данной области части протонов низкоэнергетического спектра. Экранируя эту часть протонов, можно значительно снизить дозу облучения здоровых тканей в «ближней зоне» до безопасного уровня.

Решение данной задачи достигается тем, что перед гребёнкой помещается дополнительное устройство, в дальнейшем именуемое «Решетка». Она изготавливается из материала, эффективно замедляющего протоны, например,

свинца или сплава Вуда. Толщина решётки вдоль оси пучка постоянна и достаточна для полного поглощения части протонов, попадающих на рёбра решётки. Профили рёбер рассчитываются с учётом как дальней, так и ближней к источнику протонов поверхностей онкологического новообразования. Следовательно, решётка изготавливается индивидуально для каждого пациента и каждого новообразования.

Рис. 2. Распределение поглощённой дозы облучения стандартным (А) и модифицированным (В) пассивным методами на примере цилиндрической мишени.

Рис.3. Модифицированная схема формирования дозного облучения пассивным методом.

Если g(z) - распределение мощности поглощённой дозы протонов по глубине для монохроматического пучка (кривая Брэгга); ф(і) - форма «зуба» гребёнки, обеспечивающая плоскую полочку распределения дозы на мишени; х(х) -форма «ребра» решётки, то усреднённое по высоте зуба гребёнки (И) значение мощности поглощённой дозы в водном фантоме можно приближённо, без учёта дисперсии, представить выражением:

(D(z,Х))[0,И] = И I + Ф~1(У)], (1)

Х( х)

где ф-1(у) -функция, обратная к функции y=f(z). Форма каждого «ребра» решётки Х(х) подбирается согласно форме новообразования (мишени) с учётом поперечной дисперсии протонного пучка в среде o(z) [10] так, чтобы область мишени полностью покрывалась полочкой поглощённой дозы на уровне облучения, заданным лечащим врачом. После определения конструктивных параметров решётки по формуле (1), необходимо провести дополнительные расчёты на программах типа «Shield» [8,9] или «Geant4» и, при необходимости, подкорректировать конструктивные параметры.

Согласно описанному алгоритму были определены конструктивные параметры модифицированной системы формирования, представленной на Рис.3. Результаты численных расчетов, моделирующих облучение тестовой цилиндрической мишени в водосодержащем фантоме, стандартным (схема на Рис.1) и модифицированным (схема на Рис.3) пассивными методами представлены на Рис.2А и 2В.

Расчёты выполнялись для плоскопараллельного пучка протонов с начальной энергией 160 МэВ и конструктивных параметров элементов, показанных на Рис.4, с помощью программы «Shield» [8,9], использующую метод Монте-Карло, и показали реализуемость и высокую эффективность предлагаемого метода. На Рис.2А и 2В внизу для сравнения представлены результаты расчёта мощности поглощённой дозы по формуле (1) с учётом поперечной и продольной дисперсий.

1. M.R.Radju. Heavy Particle Radiotherapy. - Academic Press, New York, 1980.

2. U.Linz, ed. Ion Beams in Tumor Therapy. - Chapman & Hall, New York, 1995.

3. M.Gottein, A.J.Lomax, E.S.Pedroni. Treating cancer with Protons. - Physics Today/ Special issue: Physics Fighting Cancer, Sept. 2002, pp.45-50.

4. U.Amaldi, B.Larsson, eds. Hadrontherapy in Oncology. - Elsevier Science BV, New York, 1994.

5. B.Gottschalk et al. The case for passive spreading. - Proc. Of Proton Radiotherapy Workshop, Bericht, PCI, 111,1991, pp.50-53.

6. V.Kostjuchenko, et al. A Compact Ridge Filter for Spread out bragg Peak Production in Pulsed Proton Clinical Beams. - Med.Phys. 28(7), 2001, pp. 1427-1430.

7. Y.Hayakawa. Uneven Ridge Filter for Conformal Therapy and Variable Bolus Using Filtered Back Projection Technique. - Proc. of NIRS Int.Seminar with XXI PTCOG Meeting, NIRS, 1994, pp. 234-240.

8. A.V.Dementyev, N.M.Sobolevsky. SHIELD - Universal Monte Carlo Hadron Transport Code: Scope and Applications. Radiation Measurements, 30 (1999) 553.

9. N.M.Sobolevsky. The SHIELD Transport Code: a Tool for Computer Study of Interaction of Particles and Nuclei with Complex Media. Proc. of the 3rd Yugoslav Nuclear Society International Conference YUNSC 2000, Belgrade, October 2-5, 2000.

10. E.Pedroni, S.Scheib et al. - Phys.Med.Biol. 50, 2005, pp.541-561.