CC BY
12
УДК 533.9.08:534.8
ИЗМЕРЕНИЯ ГЛУБИНЫ ПИКА БРЭГГА ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРОЙ РРС-40 И ЦИФРОВЫМ ДЕТЕКТОРОМ ПОЛУЧЕНИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ
В. В. Сиксин1, А. Е. Шемяков2
Проведено сравнение экспериментального измерения глубины пика Брэгга двумя методами - воздушной ионизационной камерой и цифровым детектором получения изображения (ЦДПИ) для энергии протонов 50, 100 и 170 МэВ. Рассмотрен принцип работы нового класса детекторов - ЦДПИ для регистрации области энерговыделения при прохождении пучка протонов через водный фантом. Детектор ЦДПИ является координатным измерителем профиля пика Брэгга по глубине, который, по известной энергетической зависимости дозы - "кривой качества" - может пересчитать координату в дозный профиль по глубине (при контроле стабильности вывода ускорителя). Отмечено, что режим бининга (сложения пикселей) является наиболее важным для сбора света от радиолюминесценции. При измерении координат■,-ной области энерговыделения (пика Брэгга) детектором результат получается практически мгновенно и с точностью, регламентируемой МАГАТЭ.
Ключевые слова: режим бининга, адаптивный электронный тракт, водный фантом, пики Брэгга, детектор ЦДПИ, ионизационная камера РРС-40.
Введение. В работах [1, 2] было осуществлено уверенное наблюдение протонного пучка в водном фантоме цифровым детектором получения изображения (ЦДПИ, в предыдущих работах ДТеТ), были получены профили энерговыделения протонных пучков в водном фантоме в диапазоне энергий от 30 до 250 МэВ. В 2019 году было проведено до-
1 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: antktech@yandex.ru.
2 Физико-технический центр ФИАН, 142281 Россия, Московская обл., г. Протвино, пр-д Академический, 2; e-mail: alshemyakov@yandex.ru.
полнительное испытание одного из вариантов электронного тракта детектора ЦДПИ -для изучения способов определения дозы, выделяюшейся за импульс при прохождении пучка протонов в водном фантоме. Было проведено сравнение результатов измерения детектором ЦДПИ и сертифицированной в РФ немецкой плоскопараллельной ионизационной камерой РРС-40.
Для разработки высокочувствительного электронного тракта, имеющего пороговую чувствительность ЕПор = (1.0 ^ 3.0) • 10-5 лк, необходимо применить особые режимы работы электронных схем повышения чувствительности электронного тракта. Для этого в электронном тракте детектора должны быть реализованы как минимум два специальных режима повышения чувствительности - бининг (объединение пикселей) и суммирование кадров - накопление [3].
Принцип работы детектора ЦДПИ. Принцип работы детектора ЦДПИ описан в работах [1, 2]. Работа детектора построена на регистрации сверхслабого излучения (в видимой области спектра), возникающего от радиолюменисценции в водном фантоме [4]. При прохождении пучка ионизирующего излучения через водный фантом возможно возникновение фотонов в видимой и ультрафиолетовой областях спектра в результате двух основных явлений - свечения Вавилова-Черенкова и радиолюминесценции, вследствие образования электронно-возбужденных частиц.
Отмечено [4], что продолжительность послесвечения люминесценции воды составляет т = 1.8 нс. В терапевтическом диапазоне энергий протонных пучков в водном фантоме отсутствует излучение Вавилова-Черенкова, так как максимальное значение терапевтической энергии протонного пучка, которое мы используем на практике, равно 250 МэВ и ниже порога Черенкова в воде для протонов. Проведенные расчеты показали необходимость разработки электронного тракта с чувствительностью на уровне 3 • 10-5 лк.
Одной из особенностей ПЗС фотоприемника (который подключен к нашему специальному электронному тракту детектора ЦДПИ) также является возможность регистрации сверхкоротких импульсов длительностью в единицы нс.
Точность измерения длины пробега частиц детектором ЦДПИ [5] определяется из соотношения:
^П - д ^ ПП • ^П /\
- < Д^дт < - , (1)
^ос ^ос
где Дгдт - точность измерения длины пробега частиц; - размер пикселя матричного телевизионного ПЗС фотоприемника; пп - число пикселей матричного телевизионного
ПЗС фотоприемника, объединяемых в один; уос - параксиальное увеличение оптики сопряжения.
Рис. 1: Схематическое устройство детектора ЦДПИ: ПЗС - твердотельный высокочувствительный адаптивный электронный тракт с матрицей ПЗС, ОБ - объектив с повышенной светосилой, ВФ - водный фантом, РРС-40 - ионизационная камера РРС-40, ПБ - пик Брэгга регистрируемый ЦДПИ, Zизм - глубина пика Брэгга измеряемая ЦДПИ и камерой РРС-40, УС - ускоритель, БП - блок питания, контраст■,-4иББ - устройство видеоввода наблюдаемых событий в ПК.
Детектор ЦДПИ устанавливается непосредственно в зоне вывода протонного пучка из ускорителя, а дополнительные блоки и персональный компьютер со специализированным программным обеспечением для оператора располагаются в пультовой, удаленной от ускорителя (рис. 1). Красной рамкой на рис. 1 обведены все устройства, входящие в комплект детектора ЦДПИ.
Совокупность перечисленных решений позволяет детектору ЦДПИ визуализировать свечение, вызываемое радиолюминесценцией в водном фантоме при прохождении через него пучка протонов от ускорителя.
Рис. 2: Рабочий кадр процесса измерения зафиксированной траектории пучка протонов с энергией 100 МэВ в водном фантоме детектором ЦДПИ и программой ОБС-16.
Сравнения экспериментального измерения глубины пиков Брэгга детектором ЦДПИ и камерой РРС-40 для энергии протонов 50, 100 и 170 МэВ. На ускорителе "Про-метеус" было проведено испытание одного из вариантов электронного тракта детектора ЦДПИ - при трех энергиях 50, 100 и 170 МэВ. Испытания электронного тракта, где отрабатывался алгоритм сложения пикселей (бининг) - показали возможность применения полученных событий для координатных измерений глубины пика Брэгга и ее пересчета в дозу с точностью, соответствующей требованиям МАГАТЭ [6]. На рис. 2 показан рабочий кадр детектора ЦДПИ с результатом попиксельного измерения длины "области свечения" при энергии пучка протонов 100 МэВ в сеансе 2019 года, вычислитель которого определяет величину Z (точку остановки протона в водном фантоме, зафиксированную детектором ЦДПИ в конце пути протона). Программа обработки вычисляет сначала глубину пика Брэгга в пикселях, а затем по калибровочной кривой переводят их в мм.
В таблице 1 приведены измеренные ЦДПИ с программой 080-16 (встроенной в вычислитель ЦДПИ) величины глубины пика Брэгга Zизм и расчетные величины координат - Zp (полученные программой ЕЬИКА) для энергий 50, 100 и 170 МэВ.
Таблица 1
Координаты по глубине пика Брэгга, измеренные по рабочим кадрам ЦДПИ и рассчитанные программой ЕЬПКЛ. Сеанс - июль 2019 г.
Энергия, 7 изм Zp, мм Инструментальная Отклонение от
МэВ координата, пкс/мм расчетное значение ЕЬиКА [8, 9] погрешность измерения ДZ, % расчетного значения Zp от Zизм ДZp, %
50 39/22.0 22.5 1.7 2.2
100 152/77.2 77.1 0.5 0.1
170 449/196.0 195.8 0.2 0.1
Расчетные значения глубины пика Брэгга - Zv определялись из расчетов, проведенных численными методами программой П/ОКА [7]. Погрешность измерения ДZ оценивалась по аналитической формуле (1) для детектора ЦДПИ, учитывающей размер пикселя фотоприемника и параксиальное увеличение оптической системы.
Экспериментально измеренные значения осевых координат, характеризующие спад относительной дозы на выборке кадров, совпадают с расчетными значениями в пределах инструментальной погрешности детектора ЦДПИ, что характеризует высокую точность осевых координатных измерений и позволяет стабильно определять положение пика Брэгга.
На ускорителе "Прометеус" был также проведен эксперимент по измерению доз-ных профилей пиков Брэгга в водном фантоме - идентичном по параметрам водному фантому применяемому в детекторе ЦДПИ. Измерялась поглощенная доза (ПД) сертифицированной в РФ немецкой плоскопараллельной ионизационной камерой РРС-40 применяемой для измерения дозного профиля в водных фантомах в лучевой терапии. В нашем случае измерялась поглощенная доза для статистики на основе 2 • 109 протонов, прошедших по оси водного фантома.
1) Для каждой точки кривой Брэгга набиралась статистика за несколько импульсов, полное количество протонов, прошедших через водный фантом при одной фиксированной энергии падающего пучка 2 • 109.
ИГ^ ' ' 15 ' ' 20
Глубина в водном фантоме, 2 мм
Рис. 3: Кривая пика Брэгга для энергии 50 МэВ, измеренная камерой РРС-40. Красная вертикальная линия показывает глубину пробега - она начинается от уровня й80. Параметр й80 - уровень 80% дозы в дистальной (правой части) пика Брэгга.
2) Водный фантом при измерениях камерой РРС-40 совпадал по геометрии с водным фантомом для детектора ЦДПИ.
3) Параметры пучка также совпадали - ширина пучка на полувысоте была 3 мм, длительность импульса равнялась 300 мсек и интенсивность пучка была не более 1 • 109 протонов за импульс.
Рис. 4: Кривая пика Брэгга для энергии 100 МэВ, измеренная камерой РРС-40.
Рис. 5: Кривая пика Брэгга для энергии 170 МэВ, измеренная камерой РРС-40.
При измерениях использовался фантом, идентичный детектору ЦДПИ. Входное окно у детектора ЦДПИ и у фантома, где проводились измерения камерой РРС-40, были идентичны.
Результаты измерений для энергий 50, 100 и 170 МэВ камерой РРС-40 приведены на рис. 3-5. На рис. 3-5 приведены также кривые, аппроксимирующие эти экспериментальные точки.
В таблице 2 приведены измеренные детектором ЦДПИ глубины пиков Брэгга ^изм и глубины пиков Брэгга, измеренные ионизационной камерой РРС-40 - Zppcuo, для энергий 50, 100 и 170 МэВ.
Таблица 2
Результат измерений детектором ЦДПИ глубины пиков Брэгга ZU3M и результат, измерений глубины пиков Брэгга ионизационной камерой РРС-40 - ZPPC_^0 для энергий 50, 100 и 170 МэВ. Сеанс - июль 2019 г.
Энергия, МэВ Z •^изм измеренная координата, пкс/мм, ЦДПИ ZppC-40, мм измеренное значение, РРС-40 Инструментальная погрешность измерения AZ, % Отклонение между значениями Zppc-40 и ZU3M AZ^ %
50 39/22.0 22.2 1.7 0.9
100 152/77.2 77.0 0.5 0.26
170 449/196.0 195.5 0.2 0.25
Значения глубины пика Брэгга ^ррс-40 в таблице 2 определялись из экспериментальных измерений камерой РРС-40. На уровне параметра d80 - на дистальной части пика Брэгга - проводилась вертикальная линия до пересечения с осью глубины Z и определялась глубина Zppc-40 для каждой фиксированной энергии. Отклонение измерений детектором ЦДПИ и камерой РРС-40 приведена в таблице 2.
Результаты, приведенные в таблице 1 и таблице 2 показали совпадение в пределах требований МАГАТЭ [6] двух способов измерения - камерой РРС-40 и детектором ЦДПИ. Экспериментально измеренные значения осевых координат, которые совпадают с результатами численных методов - расчетами программой П/ОКА [7], характеризует высокую точность осевых координатных измерений и позволяет стабильно определять положение пика Брэгга.
Выводы. Подтверждено совпадение измеренной глубины пиков Брэгга камерой РРС-40 и детектором ЦДПИ в пределах ошибки, допускаемой требованиями МАГАТЭ [7]. Применение режима бининга и других особенностей адаптивного электронного тракта детектора ЦДПИ позволили с точностью, рекомендуемой МАГАТЭ [6], измерять профили пиков Брэгга при калибровке ускорителя перед сеансами лучевой терапии.
Авторы выражают благодарность В. Е. Балакину за возможность испытаний электронного тракта детектора ЦДПИ в сеансах 2019 г. на ускорителе "Прометеус".
Авторы выражают благодарность А. И. Львову за консультации по проведению испытаний электронного тракта детектора ЦДПИ в г. Протвино в сеансах 2019 г. и за поддержку работы.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 45(12), 78 (2018). https://doi.org/10.3103/S1068335619010068].
[2] В.В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 46(2), 47 (2019). Б01: 10.3103^1068335619020076.
[3] А. К. Цыцулин, Д. Ю. Адамов, А. А. Манцветов и др., Твердотельные Телекамеры: Накопление качества информации (Санкт-Петербург, Изд-во СПбГЭТУ "ЛЭТИ", 2014). https://search.rsl.ru/ru/record/01007886419.
[4] В. П. Казаков, Г. Л. Шарипов, Радиолюминесценция водных растворов (М., Наука, 1986), 136 с. https://search.rsl.ru/ru/record/01001295055.
[5] В. В. Сиксин, "Способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений", Патент на изобретение РФ № 2654838 С1, Бюллетень изобретений, опубл. 22.05.2018.
[6] 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
[7] Официальный сайт пакета FLUKA - http://www.fluka.org.
Поступила в редакцию 13 июня 2019 г.
После доработки 27 июля 2020 г.
Принята к публикации 28 июля 2020 г.
