CC BY
7
УДК 621.382.8
РЕГИСТРАЦИЯ ПИКОВ БРЭГГА В РЕЖИМЕ СКАНИРОВАНИЯ МИШЕНИ ПРОТОННЫМ ПУЧКОМ МАЛОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ ОТ МЕДИЦИНСКОГО УСКОРИТЕЛЯ "ПРОМЕТЕУС"
В. В. Сиксин, В. А. Рябов, А. Е. Шемяков
В работе рассматривается использование цифрового детектора получения изображений (ЦДПИ) для калибровки протонного ускорителя "Прометеус" перед сеансом лучевой терапии. Впервые приводятся результаты работы детектора ЦДПИ в режиме регистрации спотов (импульсов с малой интенсивностью), полученные во время сеанса на пучке ускорителя "Прометеус". Детектор ЦДПИ позволяет за несколько импульсов ускорителя в режиме on-line увидеть, как энерговыделение каждого спота распределяется по области облучаемой мишени.
Ключевые слова: цифровой детектор получения изображений, пик Брэгга, калибровка протонного ускорителя.
В настоящее время в медицинских центрах, применяющих протонные ускорители, используются различные системы диагностики и сопровождения по проведению сеансов протонной терапии. При калибровке пучка протонов от ускорителя "Прометеус" на место пациента, сохраняя привязку к единой системе координат x, y, z, устанавливался детектор ЦДПИ. В результате регистрации событий проверяется правильность настройки параметров ускорителя и сканирующих магнитов перед облучением пациента. Детектор ЦДПИ калибрует ускоритель в режиме сканирования так же, как и по "плану облучения" пациента сканирующим пучком.
Принцип работы ЦДПИ совместно с камерой МИК заключается в том, что при сканировании каждого спота в водном фантоме ЦДПИ определяет точно координату глубины пика Брэгга и его профиль по ширине, а МИК определяет дозу и число протонов, прошедших через спот за вывод.
ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: antktech@yandex.ru.
Рис. 1: Общая схема работы детектора ЦДПИ для контроля параметров пучка на установке с применением ускорителя "Прометеус". Пояснения в тексте.
На рис. 1 приведена схема совместной работы ЦДПИ и МИК. Детектор ЦДПИ позволяет перед сеансом протонной терапии откалибровать ускоритель "Прометеус", работающий в режиме сканирующего пучка. Откалибровать - значит проверить, что траектории сканирующего пучка, проходящие через МИК, не выходят за границу облучаемой мишени и энергия пучка выделяется внутри мишени. Если это условие выполняется, то ускоритель настроен правильно и может считаться откалиброванным. Общая схема работы "Детектора" на ускорителе "Прометеус" приведена на рис. 1. Вся установка для испытаний ЦДПИ состоит из ускорителя типа синхротрона 1 с протонным пучком 2 для облучения мишени 3 (напр., опухоли). Для привязки положения мишени 3 к оси пучка введена неподвижная система координат х, у, г - 4. Пучок протонов 2, выведенный из ускорителя, фокусируется двумя квадрупольными линзами 5 и проходит через сканирующие магниты 6.
Координатно-чувствительная камера МИК 7 выставлена своим центром по оси г. Плоскость камеры МИК перпендикулярна оси г. Оси х и у также проходят через центральную ось камеры МИК. Камера МИК располагается перед входом в детектор ЦДПИ (или перед пациентом).
Схематически на рис. 1 элементы, входящие в ЦДПИ, попадают в область, обозначенную на рис. 1 пунктирной линией 8, и состоят из: светозащитного герметичного корпуса 9, внутри которого располагается водный фантом 10, обращенный своей поверхностью на объектив 11, и адаптивный электронный тракт ЦДПИ с зарядово-чувствительной матрицей 12. Ось г проходит через центр водного фантома 10, и входная плоскость водного фантома, в которую входит пучок, параллельна плоскости х, у. ЦДПИ по измеренному координатному энерговыделению пучка в водном фантоме определяет область дозного поля и точку 13 остановки пучка - пик Брэгга.
Детектор ЦДПИ в рабочих сеансах доказал возможность регистрации пиков Брэгга от пучка протонов ускорителя "Прометеус" с интенсивностью 109 протонов [1, 2]. Ускоритель "Прометеус" при практическом применении не использует весь выведенный из ускорителя пучок в одну точку мишени, а, как правило, сканирует объект пучком с небольшой долей от общего 100% "вывода" пучка. В настоящей работе впервые представлены результаты регистрации пиков Брэгга детектором ЦДПИ не только в режиме работы с полным "выводом" пучка при максимальной интенсивности ускорителя, но и в режиме сканирования мишени малоинтенсивным пучком за один спот. Спот - это доля суммарного пучка, выделенная сканирующими магнитами из полного вывода ускорителя за весь импульс. Например, полный выпуск ускорителя, составляющий 109 протонов за полный выпуск, можно разбить на 100 спотов по 107 протонов.
События с регистрацией импульсного прохождения пучка протонов через водный фантом, представленные в работах [1, 2], относятся к 100% "выводу" пучка из ускорителя. В этих работах длительность вывода протонов из ускорителя "Промете-ус" устанавливалась равной 300 мс, а количество выведенных протонов составляло 109 протонов за этот полный "вывод" ускорителя. Такие параметры "вывода" устанавливались и сохранялись в течение всего сеанса при различных энергиях в диапазоне от 30 до 295 МэВ.
В настоящей работе были проведены измерения пиков Брэгга с интенсивностью до 1% от полного "вывода", равного 109 протонов. Конструкция детектора ЦДПИ позволяла с помощью циклограммы внутренней системы запуска регистрировать и записывать события, соответствующие только части от общего "вывода", равного 100%.
Детектор ЦДПИ регистрирует энерговыделение в водном фантоме при прохождении пучка протонов за импульсы разной интенсивности. Из записанных событий были отобраны события с разными долями от полного "вывода" пучка протонов. На рис. 2 приведены события, зарегистрированные ЦДПИ на ускорителе "Прометеус" при энергиях
Рис. 2: События с разной долей "вывода" (в процентах) от полного "вывода" протонов из ускорителя "Прометеус", равного 109 протонов. Верхнее событие соответствует, доле в 1% от полного "вывода". Далее последовательно сверху вниз представлены события, соответствующие 5, 10, 50, 70 и 100% от полного "вывода" пучка на детектор ЦДПИ для энергий 100, 150, 170 и 205 МэВ.
протонов соответственно 100, 150, 170 и 205 МэВ и "выводах" пучка, соответствующих различной доле (в %) от полного "вывода", составлявшего 109 протонов. Последовательно от верхнего события вниз идут события, содержащие 1, 5, 10, 50, 70 и 100% от полного "вывода".
Как видно из рис. 2, яркость событий возрастает от доли в 1% до 100% "вывода", однако очевидно, что детектор ЦДПИ гарантированно регистрирует пучок и "видит" пик Брэгга при интенсивности 107 протонов за импульс. Таким образом подтверждается возможность использования детектора ЦДПИ при калибровках ускорителя "Промете-ус" при малых интенсивностях пучка, выводимого на мишень.
Калибровка при помощи ЦДПИ может проводиться в варианте со сканирующим пучком. В качестве иллюстрации этой возможности был смоделирован процесс регистрации пиков Брэгга детектором ЦДПИ на реально зарегистрированных им событиях для энергии 170 МэВ сканирующего пучка протонов с интенсивностью 108 протонов за один спот ускорителя. На рис. 3 представлено пять сканирующих пиков Брэгга, смо-
ЦДПИ
>
z
Рис. 3: Пять сканирующих пиков Брэгга - области энерговыделения, зарегистрированные детектором ЦДПИ при энергии протонов 170 МэВ с интенсивностью, соответствующей 10% от полного "вывода". M1 и M2 - сканирующие магниты, магнит, M2 сканирует пучок по горизонтали в плоскости xz. М - область мишени в фантоме ЦДПИ, сканируемая пучком с энергией 170 МэВ за импульс ускорителя. Овалом представлена условная граница мишени.
делированных в фантоме ЦДПИ при "выводе" пучка, составляющем 10% от полного "вывода", равного 109 протонов. Каждый пик Брэгга на рис. 2 соответствует энерговыделению пучка протонов с интенсивностью 108 в споте.
Также отметим, что возможна калибровка и прямым пучком без сканирования, когда пучок проходит вдоль оси z и вся энергия выделяется за полный "вывод", равный 109 протонов.
Совместное применение ЦДПИ и МИК позволит улучшить конформность протонной терапии за счет более точного измерения подводимой высокой дозы к мишени во время сеанса протонной терапии с точностью, рекомендуемой МАГАТЭ [3].
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России в рамках Соглашения № 075-15-2021-1347.
Авторы выражают благодарность В. Е. Балакину за обсуждение предлагаемого варианта совместной работы детектора ЦДПИ и камеры МИК; А. И. Львову за консультации по проведению испытаний электронного тракта СЭ камеры МИК на ускорителе
"Пахра"; А. В. Колобову за консультации по дальнейшему внедрению камеры МИК на протонных терапевтических ускорителях.
ЛИТЕРАТУРА
[1] В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 45(12), 78 (2018). DOI:
10.3103/S1068335619010068.
[2] В. В. Сиксин, Краткие сообщения по физике ФИАН 46(2), 47 (2019). DOI:
10.3103/S1068335619020076.
[3] Серия технических докладов № 398. Международные практические рекомендации по дозиметрии, основанные на эталонах единицы поглощенной дозы в воде. При поддержке IAEA, WHO, PAHO и ESTRO. МАГАТЭ. Вена, 2004. https://www-pub.iaea.org/MTCD/Publications/PDF/TRS398r_web.pdf (дата доступа 12.11.2020).
Поступила в редакцию 26 октября 2021 г.
После доработки 29 октября 2021 г. Принята к публикации 30 октября 2021 г.
