CC BY
24
УДК 539.1.71.002
ИССЛЕДОВАНИЕ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА ДЕТЕКТОРА ДТеТ НА ПУЧКЕ ПРОТОНОВ РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ
B. В. Сиксин
Разработан, изготовлен и испытан опытный образец детектора телевизионного типа, проведена проверка его калибровочных возможностей на протонном ускорителе "Прометеус", осуществлены двухкоординатные измерения области энерговыделения в фантоме с водой. Экспериментально определены размеры области энерговыделения в виде кривых Брэгга при импульсном облучении водного фантома пучком протонов с энергией от 65 до 192.5 МэВ.
Ключевые слова: область энерговыделения, водный фантом, адаптивная телевизионная камера, профили пика Брэгга, детектор телевизионного типа.
Введение. В предыдущих работах [1-3] исследован эффект прямого наблюдения пика Брэгга энерговыделения в водном фантоме с помощью адаптивной телевизионной камеры при предельно низком свечении изображения, осуществлена видеозапись аналогового видеосигнала на созданных макетных установках. В настоящей работе рассматриваются результаты измерений на опытном образце детектора телевизионного типа (ДТеТ), представляющем собой прототип медицинского прибора с возможностью использования его для калибровки протонного ускорителя. Опытный образец ДТеТ позволяет измерять глубину прохождения протонов в воде с точностью, определяемой рекомендациями МАГАТЭ, а также поглощенную дозу и поперечные размеры области энерговыделения по траектории пучка протонов от входа в фантом до пика Брэгга. Опытный образец ДТеТ способен выдавать результат по координатному распределению энерговыделения в режиме on-line, а также дозовые характеристики после обработки результатов на компьютере (РС), который является частью детектора.
Координатные измерения осуществляются при помощи программного обеспечения (ПО) типа OSC16, ввод аналогового видеосигнала осуществляется при помощи устрой-
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: antktech@yandex.ru.
ства "Контраст-4и8Б", снабженногоШБМ драйвером, формирующим данные в формате И,ОБ24 [4]. Частью ПО также является разрабатываемая программа вычисления, осуществляющая определение поглощенной дозы за один импульс ускорителя, что было рассмотрено ранее в работе [3].
Измерения были проведены 28-30 марта 2018 г. на протонном терапевтическом ускорителе "Прометеус". Характеристики ускорителя приводились в предыдущих работах [1, 2]. Пучок на входе в ДТеТ имел ширину на полувысоте 3 мм. Из полученных результатов, особенно для больших энергий (например, для 190 МэВ), видно, что пучок, имеющий ширину (сигму), равную 3 мм и интенсивность 109 протонов за импульс, в водном фантоме (в кювете) имеет малую расходимость и малые дозовые потери от входа в фантом до самого пика Брэгга, что обеспечивает его применимость для точного попадания в заданную точку пациента без повреждения здоровых тканей. Длительность импульса 0.5 секунды, время между импульсами - 1.5 секунды.
На рис. 1 приведено размещение ДТеТ на каталке (слева) и его положение относительно выходного окна ускорителя (справа).
Стрелками показаны окно вывода пучка и его направление до входа в ДТеТ. Детектор ДТеТ, установленный на каталке и выставленный кюветой на центр пучка, облучался в импульсном режиме при энергиях протонов 65, 67.5, 70, 80, 90, 100, 110, 120, 140, 150, 160, 170, 180, 185, 190, 192.5 и 195 МэВ. Экспериментально было установлено, что граничные точки по энергии, такие как 65 и 195 МэВ, детектор не "видит", так
Рис. 1: Детектор ДТеТ на каталке пациента (слева), детектор ДТеТ на каталке с механизмом перемещения по вертикали и выходное окно ускорителя (справа).
как объектив ТВ камеры был настроен на центральную область размером ~220 мм при полном размере кюветы 280 мм, т.е. в начале и в конце кюветы имелись "мертвые зоны" размером по ~30 мм. Уменьшение зоны захвата было обусловлено исследованием возможностей ДТеТ по увеличению точности определения координаты участка энерговыделения за счет изменения параксиального увеличения объектива. При этом достигнутая точность измерения составляла менее 1 мм по глубине.
Далее, по полученным и записанным видеокадрам, измерялись координаты на изображении протонного пучка для каждой энергии с помощью ПО 08016. Измерялась глубина пробега протонов от входа в кювету до пика Брэгга (координата по X), также измерялись поперечные размеры пика Брэгга (координата по У), т.е. измерялся контур области энерговыделения, включая головку пика Брэгга.
Рис. 2: Комплект детектора ДТеТ: 1 - блок регистрации, установленный на каталке пациента в зоне вывода пучка, 2 - устройство видеоввода "Контрмст-^иББ", 3 - блок обработки (компьютер РС с ПО ОБС16), 4 - блок питания, 5 - соединительные кабели между блоком регистрации, установленным в зоне облучения пациента на каталке, и пультовой, где располагаются блок обработки, "Контрмст-^иББ" и блок питания; Ь - глубина пика Брэгга, Ш - выходное окно ускорителя.
Детектор ДТеТ для определения области энерговыделения. На рис. 2 приводится блок-схема размещения комплекта ДТеТ.
В блоке регистрации используется адаптивная телевизионная камера (ТВК), подробно описанная в [1, 2]. В кювету залита дистиллированная вода, верхний ее край закрыт прозрачным для ТВК стеклом, ТВК располагается по осевой линии кюветы над центром водного отсека. В варианте конструкции ДТеТ использован объектив с изменяемым фокусным расстоянием от 4-х до 12 мм, что позволило осуществить регулировку величины видимого участка кюветы с точками остановки протонов в диапазоне от 67.5 до 192.5 МэВ. Результаты, полученные на опытном образце ДТеТ, показали существенное улучшение по идентификации размеров энерговыделения по X (глубина) и Y (ширина) координатам прохождения протонов по сравнению с результатами, полученными на макетах в предыдущих работах [1, 2].
Рис. 3: Расположение окон ПО СЯ016 при измерении координат области энерговыделения.
Определение профиля энерговыделения. При прохождении пучка протонов через кювету ДТеТ осуществлялась цифровая видеозапись события. По видеокадрам, зафиксировавшим прохождение пучка, строилось изображение области энерговыделения. С помощью специализированного ПО 0БС16 осуществлены измерения профилей пиков Брэгга по координатам X и У. Пример расположения окон ПО на экране РС показан на рис. 3.
Здесь показаны три окна: основное окно ПО 0БС16 с введенным в него видеокадром с изображением траектории протонного пучка, окно "График по X" и окно "График по У", в которых проводятся собственно измерения профиля пика Брэгга в пикселях формата существующего фотоприемника. Перевод числа пикселей в мм осуществлялся по калибровочному графику. Калибровке ДТеТ посвящен следующий раздел.
С ' .-V ■ ■ - - - ■■ - , ■ - " - *. . г Л. . .. V ■ - .' • ' - ■ . . - -
.: ■ ■Л.. . • • • ч. V ■ . - 1 .'' ' ■ • ' < - _
■ 14 ■ . " „, ■ ■ , . Г - « 71 • ." . я ■ V..' ,"и'" 1 1 '■ II
' I, "'т -■■ • 1 *••• _■- .■•■Г ЗЩ." ; ■ л. ■ ■ . "- г ' -■" . к .
Л , , ■ ■» ■ * ■ - . ■ -•* - Г • ' " • 'г "
»л '' , * « « 1 " "" V ."".4- -п - '.-г .V."---■.¿г1.----- .г-г. А-■ " :■. ■"■ Ж.
. » V / . - £ > :. ■■ - -: V ^ ; V
Рис. 4: Фрагменты кадров с областью свечения траектории протонного пучка для диапазона энергий Е протонов от 70 до 192.5 МэВ 29 марта 2018 г. (значения Е см. в табл. 1).
Система координат базировалась на границе левой стенки кюветы, в которую входит пучок протонов. Значение "мертвой зоны" со стороны входа в кювету прибавлялось к измеренной глубине как константа. Длительность импульса настраивалась на 500 мс, интервал между импульсами составлял 1.5 с, что позволило осуществлять быструю запись для всех значений энергии пучка протонов. На рис. 4 приведены изображения, полученные ДТеТ, являющиеся исходными для координатных измерений.
Результаты попиксельного измерения глубины пика Брэгга, точки по координате в максимуме пика Брэгга и диаметры головки профиля пика Брэгга - точки по У координате, приведены в табл. 1.
Таблица 1
Энергия, МэВ X координата пика Брэгга, пкс/мм X координата пика Брэгга, мм, расчетное значение [6] Ширина головки пика Брэгга У, пкс/мм Масштабный коэффициент для У, пкс на 1 мм
70 55 / 40.5 41 65.7 / 25.2 2.6
80 86 / 52.0 52 66.0 / 24.4 2.7
90 120 / 63.6 64 70.3 / 25.1 2.8
100 153 / 76.4 77 66.0 / 22.7 2.9
120 253 / 106.4 107 76.0 / 23.7 3,2
140 359 / 138.5 140 75.3 / 21.5 3.5
150 418 / 156.5 157 72.4 /21.2 3.4
160 478 / 175.0 176 69.0 / 21.5 3.2
170 547 / 197.0 196 63.5 / 21.1 3.0
180 602 / 215.0 216 66.0 / 23.5 2.8
185 639 / 227.0 227 67.4 / 24.9 2.7
190 670 / 237.5 237 60.4 / 23.2 2.6
192.5 688 / 243.5 243 64.6 / 25.8 2.5
Координата глубины пика Брэгга определялась следующим образом. На спаде пика Брэгга от максимума до нуля определялась точка на полувысоте спада. Эта точка являлась координатой по X, которой соответствовала длина пробега по глубине (приведена во втором столбце табл. 1), измеренная в пикселях и рассчитанная в мм по формуле (1). Измерения координаты по У осуществлялись с учетом масштабного коэффициента, учитывающего дисторсию в точке пика Брэгга.
Калибровка детектора ДТеТ. Перед проведением исследований на ускорителе детектор ДТеТ был подвергнут калибровке с целью компенсации дисторсии оптической
300
Рис. 5: Фрагмент чертежа кюветы с калибровочными метками.
системы по X координате. Для этого на внутренней стенке кюветы были нанесены калибровочные метки (рис. 5).
150 -
X, мм -
100 -
1 1 50 _ 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 г 1 1 1 1 1 1 1 1 х, пкс
0 0 100 150 200 250 300 350
Рис. 6: Калибровочный график попиксельного пересчета в мм по меткам.
С помощью ПО ОБС16 проведено измерение координат 11-ти калибровочных меток (одной центральной, находящейся на оптической оси объектива, и 10-ти меток со стороны входа пучка) в кювете, заполненной водой. По значениям действительных размеров калибровочных меток в мм и по измеренным значениям положения тех же меток на изображении видеокадра в пикселях осуществлено построение калибровочного графика (рис. 6).
Калибровочная кривая была профитирована полиномом 4-степени. Получена следующая зависимость:
X(мм) = 19.0667 + 0.426464x - 0.000645005x2 + 1.885 ■ 10-6x3 - 2.24224 ■ 10-9x4, (1)
где x - значение величины в пикселях, определяемое из ПО OSC16.
Координаты противоположной стороны от центральной метки зеркально-симметричны по дисторсии относительно калиброванных меток.
Основные результаты.
1. Показана способность детектора ДТеТ регистрировать сверхмалую интенсивность свечения (на уровне 0,00003 люкса в видимой и ближней инфракрасной области спектра) области энерговыделения при прохождении протонного пучка через водный фантом импульсами короткой длительности, что позволяет визуально наблюдать и измерять профили - координаты пика Брэгга.
2. Геометрические размеры области энерговыделения по X и Y координатам, зафиксированные и измеренные на видеокадрах для 13-ти энергий, совпадают с расчетными величинами [6] с точностью инструментальной ошибки, не превышающей заданную в нормативных актах МАГАТЭ [5].
3. Полученные результаты показывают, что детектор ДТеТ может применяться для точного определения области энерговыделения и кривой Брэгга при калибровке ускорителя, что может служить важным дополнением к методам, применяемым на ускорителях в настоящий момент (метод ионизационной камеры, алмазный детектор, свето-диоды и др.).
4. Детектор ДТеТ обеспечивает быструю (не более 5 мин) установку и настройку, способен визуализировать также пучки электронов с измерением геометрических размеров области энерговыделения. Детектор легко устанавливается на любом типе терапевтических ускорителей, быстро определяет поглощенную дозу, портативен, легок в настройке и обслуживается одним человеком без применения специального оборудования.
Применение детектора ДТеТ. Впервые разработанный детектор телевизионного типа предназначен для on-line контроля области энерговыделения при калибровке ускорителя перед сеансом лучевой терапии.
Автор выражает благодарность В. Е. Балакину за возможность испытаний опытного образца ДТеТ в сеансе 28-30 марта 2018 г. на ускорителе "Прометеус", а также А. Е. Шевякову за помощь в управлении ускорителем при работе с ДТеТ.
Автор выражает благодарность А. И. Львову за консультации по проведению сеанса в г. Протвино в марте 2018 г. и поддержку работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. В. Гринкевич, В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 44(2), 3 (2017).
[2] А. В. Гринкевич, В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 44(5), 8
(2017).
[3] А. В. Гринкевич, В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 45(2), 47
(2018).
[4] http://www.evs.ru/kat_podr.php?kat=4_2
[5] Серия Технических Докладов №398. Международные практические рекомендации по дозиметрии, основанные на эталонах единицы поглощенной дозы в воде. При поддержке IAEA, WHO, PAHO и ESTRO, Международное агентство по Атомной энергии, Вена, 2004. https://www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/trs398r_web.pdf
[6] J. F. Janni, At. Data Nucl. Data Tables 27, 147 (1982).
Поступила в редакцию 12 апреля 2018 г.
