CC BY
14
УДК 539.1.076
УСТАНОВКА ДЛЯ ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГОВЫДЕЛЕНИЯ В ФАНТОМЕ С ВОДОЙ НА ПУЧКЕ ПРОТОНОВ РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО УСКОРИТЕЛЯ
А. В. Гринкевич1, В. В. Сиксин2
Разработана и испытана на пучке протонов радиотерапевтического ускорителя установка для визуализации области энерговыделения в фантоме с водой. Экспериментально определены форма и размеры области свечения в виде кривых Брегга при импульсном облучении фантома пучком протонов, проведено сравнение результатов c модельными расчетами.
Ключевые слова: область энерговыделения, водный фантом, адаптивная телевизионная камера, пик Брегга, глубинное дозное распределение.
Введение. Впервые применена и испытана на пучке протонов радиотерапевтического медицинского ускорителя в г. Протвино (в дальнейшем ускоритель) - установка с ткане-эквивалентным фантомом с водой и телевизионной камерой (ТВК) (в дальнейшем установка). Ускоритель разработан и изготовлен В. Е. Балакиным на фирме "Протом" для лечения пациентов, является уникальным и единственным в мире инструментом для лечения методом брахитерапии, обладает малыми размерами и возможностью быстрой перенастройки в автоматическом режиме. Важным отличием ускорителя В. Е. Бала-кина является узкий регулируемый пучок и отсутствие пассивных поглотителей для формирования энергетического профиля. Ускоритель позволяет быстро перестраивать энергию в диапазонах от 30 до 330 МэВ и длительность импульса, а также быстро определять поглощенную дозу за импульс, отпускаемую пациенту. На рис. 1 слева показано кресло пациента, на котором закреплена установка с кюветой диаметром 100 мм, центр пучка наводился на водный фантом.
На рис. 1 справа показана установка с кюветой диаметром 280 мм, стрелкой показано окно вывода пучка из ускорителя, представляющее собой металлическую мембрану, отделяющую вакуумную систему ускорителя от терапевтической комнаты.
1 ООО "ЭВС", 195253 Россия, Санкт-Петербург, Салтыковская дорога, 18.
2 ФИАН, 119991 Россия, Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: [email protected].
TBK
Рис. 1: Кресло пациента с кюветами диаметром 100 мм (слева) и 280 мм (справа). Стрелкой показано окно вывода пучка из ионопровода и его направление. При измерениях кювета 280 мм поднимается на уровень пучка.
Основные характеристики ускорителя: длительность импульса - от 10 до 1000 мс; интенсивность пучка протонов в импульсе - от 1 • 108 до 1 • 109; размер пучка в районе медицинского кресла - 10 мм. Установка облучалась в импульсном режиме для энергий 60, 80, 100, 150 и 170 МэВ. Интенсивность настраивалась на 8 • 108 протонов за импульс, длительность импульса - на 300 мс.
Механизм энерговыделения в воде для пучка протонов достаточно хорошо изучен [1]. Целью настоящей работы является создание установки визуализации зоны энерговыделения и измерения кривой Брегга в реальном режиме времени и определение глубинного дозного распределения протонов в диапазоне энергий ускорителя для сравнения с результатами других методик и теорий.
Установка. Основой экспериментов послужила установка для работы с электронами, описанная в работе [2], доработанная для сменных кювет. В верхней части установки закреплена ТВК, экранированная от постороннего света (рис. 1). Расстояние от входного окна кюветы до ионопровода (рис. 1) составляет ~35 см. Детали узла кюветы изготовлены из непрозрачной черной пластмассы. В кювету залита дистиллированная вода, верхний ее край открыт для ТВК, которая располагается на расстоянии 65 см выше верхнего слоя воды для предохранения электронных узлов ТВК от воздействия пучка протонов. Для кюветы диаметром 100 мм использовался объектив с фокусным расстоянием 25 мм, для кюветы диаметром 280 мм - объектив с фокусным расстояни-
ем 8 мм, увеличивающий линейное поле зрения для наблюдения длинных пробегов при высоких значениях энергии пучка протонов. Объективы фокусировались на середину кюветы.
Телевизионная камера. Для эксперимента была применена ТВК типа УКА-753-И3, разработанная для спецприменений предприятием "ЭВС" (г. Санкт-Петербург). Описание ТВК и основные аспекты ее работы приведены в работах [2, 3]. В ТВК используется режим [4] повышения чувствительности с автоматическим обменом разрешающей способности на чувствительность (12 пикселей объединяется в 1), а также режим увеличения времени накопления - сложение 16 телевизионных кадров в 1 (1 суммарный кадр имеет длительность ~0.32 с) при уменьшении освещённости до ~0.00003 лк.
При пролете пучка протонов появляется слабое свечение в кювете с водой с интенсивностью свечения пучка в фантоме ~0.00004 — 0.00006 лк, фиксация свечения осуществляется в режиме предельной чувствительности с отношением сигнал/шум (ОСШ) порядка 1.5-2. Для адаптивного механизма камеры сигнал такой величины является малым и недостаточным для изменения режимов, поэтому на всех сеансах сохранялся режим максимальной чувствительности ТВК.
Анализ экспериментальных данных. По полученным кадрам фиксировались положение и размеры "области свечения", начиная от входа пучка в кювету и кончая пиком Брегга - более яркой вспышкой в конце. По известному масштабу кадра определялась экспериментальная длина Ь, которая затем сравнивалась с расчетным значением Ь [6]. Система координат базировалась от границы стенки кюветы. Ускоритель включался на несколько минут для каждой из энергий. Интервал между импульсами ускорителя составлял 2 с. Первый эксперимент проводился 30 ноября 2016 г. с кюветой диаметром 100 мм, с объективом Г = 25 мм для энергий 60 и 80 МэВ. Для более высоких энергий, при которых длина "области свечения" превышала размер кюветы, был проведен второй эксперимент 6 декабря 2016 г. с кюветой диаметром 280 мм, с объективом Г = 8 мм для энергий 100, 150 и 170 МэВ. На рис. 2-5 стрелкой показано направление пролета и положение оси пучка протонов.
Оценка поглощенной дозы в фантоме. Как видно из рисунков, глубинное дозное распределение для пучка протонов имеет протяженную область (кривая Брэгга) с медленным ростом дозы с увеличением глубины (область "плато") и далее с крутым пиком (пиком Брегга). За пиком Брегга доза падает практически до нуля. Положение пика Брегга определяется энергией частицы (ее пробегом).
Рис. 2: "Область свечения" для энергии 60 МэВ. Кювета 100 мм. Г 30.11.2016. Стрелкой показано положение оси и направление пучка.
25 мм.
10
Доза в сГр на 8108
. протонов за импульс ——'^ -
5.0 ._„_ Глубина в воде, мм
< т ¡К ЯЬГ иек.^
4
Рис. 3: "Область свечения" для энергии 80 МэВ. Кювета 100 мм. Г = 25 мм. 30.11.2016.
Произведен расчет глубинных дозных распределений протонов в воде для энергий эксперимента по пакету программ Монте-Карло БШМ [5], кривые распределения приведены на рис. 2-5 сверху. Определены соотношения пробег-энергия [6], которые сравнивались с полученными на установке значениями. Выявлено совпадение измеренных в водном фантоме на установке пробегов с расчетами Монте-Карло с точностью ~3%.
Рис. 4: "Область свечения" для энергии 100 МэВ. Кювета 280 мм. F = 8 мм. 6.12.2016.
Рис. 5: "Область свечения" для энергии 150 МэВ. Кювета 280 мм. F = 8 мм. 6.12.2016.
Для каждой измеренной энергии визуализировалась кривая Брегга и проводилось сравнение с расчетами по методу Монте-Карло по моделям [5] и [6]. Результаты расчетов соотношений пробег-энергия [6] следующие: энергии 60 МэВ соответствует пробег 31 мм, 80 МэВ - 52 мм, 100 МэВ - 77 мм, 150 МэВ - 157 мм, 170 МэВ - 196 мм. Эти результаты также совпадают с полученными экспериментально с точностью до 3%.
Основные результаты. 1) Определена способность установки регистрировать световые импульсы короткой длительности и сверхмалой интенсивности на уровне 0.000040.00006 лк в видимой и ближней инфракрасной области спектра.
2) Проведено моделирование переноса пучка в водном фантоме методом Монте-Карло с помощью программы TRIM, являющейся частью общего пакета SRIM [5].
3) Геометрические размеры "области свечения", зафиксированные установкой и измеренные по известной системе координат, совпадают с областью энерговыделения, полученной из кривой Брегга из модельных расчетов с точностью до 3%.
4) Положение и форма пика Брегга, зафиксированные установкой и определенные двумя численными методами [5] и [6], согласуются между собой с точностью до 3%.
Авторы выражают благодарность В. Е. Балакину за предоставление возможности тестирования установки визуализации и проведения цикла исследований на ускорителе, А. В. Шевякову за консультации по методикам, А. И. Львову за поддержку работы, А. В. Кольцову за построение пиков Брегга, А. Е. Чернуха за помощь в написании статьи.
ЛИТЕРАТУРА
[1] Н. В. Марков, Диссертация на соискание ученой степени к.ф.-м.н. НИЦ "Курчатовский институт", Москва (2014).
[2] А. В. Гринкевич, В. В. Сиксин, Препринт ФИАН № 9 (М., ФИАН, 2016).
[3] Ф. П. Пресс, Фот,очувст,вительные приборы с зарядовой связью (М., Радио и связь, 1991).
[4] Л. И. Хромов, Н. В. Лебедев, А. К. Цыцулин, А. Н. Куликов, Твердотельное телевидение (М., Радио и связь, 1986).
[5] J. F. Ziegler, J .P. Biersack, and M .D. Ziegler, SRIM: The stopping and Range of Ions in Matter, 2008; http://www.srim/org/.
[6] ICRU Report 49 (ICRU, Bethesda, 1993).
Поступила в редакцию 29 декабря 2016 г.
