CC BY
32
УДК 621.384.663
Ж.С. Лебедева, Ю.Б. Шуракова
ВЫБОР СИСТЕМЫ КОЛЛИМАЦИИ И РАССЕЯНИЯ ПРОТОННОЙ ОФТАЛЬМОЛОГИИ С ЦЕЛЬЮ ГАРАНТИИ ЕЕ КАЧЕСТВА
Zh.S. Lebedeva, Yu.B. Shurakova
Ioffe Physical Technical Institute, 26 Politekhnicheskaya St., St. Petersburg, 194021, Russia.
QUALITY ASSURANCE OF PROTON OPHTALMOLOGY: SELECTION OF COLLIMATION AND SCATTERING SYSTEMS
В статье описаны основные требования к системам рассеяния и коллимации при создании протонного тракта для лечения злокачественных глазных новообразований. Приведены результаты моделирования посредством программного комплекса Geant4 системы доставки пучка до пациента.
ПРОТОННАЯ ОФТАЛЬМОЛОГИЯ, МЕТОД ПАССИВНОГО РАССЕЯНИЯ, РАССЕИВАЮЩАЯ СИСТЕМА, ФИНАЛЬНЫЙ КОЛЛИМАТОР, GEANT4.
This study covers basic requirements for scattering and collimation systems while creating a nozzle for treatment of malignant ocular tumors. The results of treatment simulations in Geant4 are represented.
PROTON OPHTALMOLOGY, PASSIVE SCATTERING METHOD, SCATTERING SYSTEM, FINAL COLLIMATOR, GEANT4.
Одним из наиболее перспективных направлений развития лучевой терапии (ЛТ) является адронная терапия с использованием пучков тяжелых частиц — адронов: протонов, а также ионов легких химических элементов (гелий, углерод и другие). Адронная терапия обладает рядом преимуществ по сравнению со стандартной ЛТ благодаря тому, что протоны и ионы при прохождении через вещество имеют наибольшие линейные потери энергии в конце пробега (так называемый пик Брэгга), а также слабо рассеиваются в веществе и способны обеспечить формирование резких границ поля облучения. Эти особенности позволяют существенно (примерно в два раза) сократить радиационную нагрузку на здоровые ткани.
Одним из направлений применения протонной ЛТ является органосохраняющее лечение внутриглазных злокачественных опухолей. Применение протонов при опухолях глаза было начато в 1977 г. в Гарвардском университете (США) [1]. Размеры, форма
и локализация опухолей глаза лимитируют применение традиционных лучевых методов, преимущества же протонной терапии позволяют формировать дозные поля, близкие к оптимальным. Однако в связи с наличием большого числа близко расположенных друг к другу критических структур планирование протонного облучения для лечения внутриглазных новообразований, а также обеспечение гарантии качества имеют свои особенности, не позволяющие использовать общие подходы, применяемые в протонной терапии для широкого круга других локализаций злокачественных опухолей.
Данная работа проводилась в рамках подготовки проекта ФГБУ «ПИЯФ» по применению изохронного циклотрона Ц-80 в медицинских целях, в том числе и для лечения злокачественных новообразований органа зрения. На основе компьютерного моделирования в программном комплексе ОеаП;4 были выработаны основные требования к системам рассеяния и коллимации пучков протонов с энергиями 60 МэВ.
Рис. 1 [3]. Схема метода пассивного рассеяния: 1 — рассеивающая система; 2 — гребенчатый фильтр; 3 — деградер; 4 — коллиматор; 5 — компенсатор;
6 — кожа; 7 — опухоль
Метод пассивного рассеяния
На выходе из ускорителя обычно получают узкий (до 7—8 мм) моноэнергетический пучок. Без последующей модификации он даст непригодное для клинического использования энергетическое распределение. Для того чтобы сделать пучок соответствующим поставленной задаче, используют два основных метода: пассивного рассеяния и карандашного пучка. Достоинства и недостатки обоих методов приведены в работе [2]. Данная статья посвящена первому из этих методов.
На протонном комплексе Ц-80 для лечения офтальмологических заболеваний предполагается использовать метод пассивного рассеяния, общая схема которого представлена на рис. 1.
Первоначально узкий пучок протонов из ускорителя расширяется при помощи рассеивающей системы 1, задача которой состоит также в создании области относительно равномерного плато в поперечном сечении. Для расширения пучка используются тонкие (десятки микрометров) фольги, чаще всего из тантала. Далее пучок проходит через гребенчатый фильтр 2, который позволяет создать плато поглощенной дозы заданной протяженности (модифицированная кривая Брэгга). В случае необходимости уменьшения энергии и пробегов протонов пучок направляется на поглотитель
3 (деградер). Коллиматор 4 обеспечивает конформность облучения (соответствие до-зного распределения форме патологического объема) в плоскости, перпендикулярной оси пучка. Компенсатор 5 позволяет регулировать дистальное распределение дозы, учитывая гетерогенность тела человека, неравномерность поверхности и необходимость не затронуть критические органы.
Материалы и методы
В настоящей работе было произведено моделирование доставки до пациента протонного пучка с энергией 60 МэВ методом пассивного рассеяния. Для расчета использовалась система библиотек Оеап1 4.9.5.
Виртуальная модель системы доставки пучка, разработанная в ПИЯФ имени Б.П. Константинова [2], состоит из трех основных частей: рассеивающей системы, модулятора и системы коллиматоров.
Вся система расположена в воздухе. Пучок выходит из некоторого объема, имитирующего выход ускорителя. Рассеивающая система представляет собой набор танталовых фольг и латунный поглотитель центральной части пучка, имеющий цилиндрическую форму. Финальный коллиматор, расположенный непосредственно перед фантомом, также изготовлен из латуни и описывается классом 04ТиЪз.
Для описания физических процессов был использован QGSP_BIC РНуз^Ыз! с
уточненной моделью электромагнитных взаимодействий Standart_option3 и моделью бинарного внутриядерного каскада BIC.
Влияние воздушного зазора на качество пучка
Помимо расширения пучка при помощи рассеивающей системы, также происходит дополнительное рассеяние пучка на воздухе, в промежутках между элементами системы доставки. С целью выяснения, как этот фактор влияет на конечное качество пучка, было смоделировано распределение поглощенной дозы в водном фантоме от протонного пучка радиусом 3 мм в зависимости от расстояния между источником и поверхностью (РИП) фантома. Оценка результата проводилась по ширине 50 % от уровня дозы и по величине полутени на профиле пучка. Последняя определяется как расстояние по оси абсцисс между координатами точек с уровнями дозы в 50 % и нулевым (рис. 2). По мере увеличения РИП от 1 до 180 см ширина профиля пучка возрастает приблизительно вдвое, в то время как величина полутени увеличивается в четыре раза. Поэтому вся система доставки пучка должна занимать такое расстояние, чтобы нежелательную дозу можно было бы полностью убрать системой коллимации; в клинической практике это значение обычно составляет около 1,5 м. Необходимо также учитывать величину воздушного зазора между финальным коллиматором и пациентом, чтобы избежать нежелательно-
<- Шир! 1на поля -—Э>
/
/ 50-95%
/ \
Л* 20-80%
Ширина, см
Рис. 2. Характеристики дозного распределения пучка в плоскости, перпендикулярной направлению пучка
го рассеяния клинического пучка на воздухе после окончательной коллимации.
Использование широкого пучка
Поскольку циклотрон Ц-80 предназначен также для наработки изотопов и для радиационных исследований (отдельные тракты), изначально создается широкий пучок. Представляется целесообразным рассмотреть вопрос о его использовании без коллимации на входе в лечебный тракт и последующего расширения в зале облучения. Для того чтобы понять, как изменятся требования к рассеивающей системе, было проведено моделирование профилей узкого пучка диаметром 3 мм и широкого пучка диаметром 24 мм. Для каждого пучка был протестирован ряд различных вариантов рассеивающей системы, на основе рекомендаций клиник, действующих в настоящее время. Для узкого пучка в результате была выбрана рассеивающая система из двух танталовых фольг и поглотителя центральной части пучка для создания плато на профиле. На рис. 3, а изображен неколли-мированный профиль пучка, который позволяет создать такая система, а также профили при наличии коллиматоров разных диаметров (табл. 1). Подобная система позволяет облучать опухоли глаза с наибольшим размером во фронтальной плоскости (протяженностью) до 1 см.
Исследования на широком пучке диаметром 24 мм показали, что такого же результата можно достичь при использовании рассеивающей системы из одной фольги и поглотителя. На рис. 3, б представлен профиль данного пучка с двумя различными коллиматорами. В этом случае одиночная рассеивающая система позволяет обеспечить облучение глазных опухолей шириной до 1,5 см. В случае, если требуется поле меньшего размера, выбирается конечный коллиматор соответствующего радиуса; для большего размера необходим более широкий входной пучок.
Финальный коллиматор и выход нейтронов
Для того чтобы сформированный клинический пучок не подвергался дополнительному рассеянию на воздухе, финаль-
Расстояние от оси, мм Расстояние от оси, мм
Рис. 3. Смоделированные профили протонных пучков диаметрами 3 мм (а) и 24 мм (б) для различных значений диаметра коллиматора В и условий прохождения излучения (см. табл. 1)
ный коллиматор необходимо располагать на малых расстояниях от пациента. Однако при этом следует также обратить внимание на выход нейтронов.
Финальный коллиматор изготавливается из латуни. Пробег протонов с энергией 60 МэВ в латуни равен приблизительно 5,8 мм. Длина коллиматора (в данной работе она составляет 7 мм) подбирается таким образом, чтобы полностью остановить протоны, создающие дозу облучения в нежелательной области. Значительная часть ядерных реакций, проходящих в коллиматоре (их вероятность при полной остановке протонов с энергией 60 МэВ в латуни составляет около 4,5 % [4]), сопровождается
выходом нейтронов.
В данной работе было оценено число нейтронов на один протон n/p, вошедших в фантом, в зависимости от расстояния финального коллиматора по отношению к поверхности тела пациента (табл. 2).
В то время как величина полутени уменьшается по мере приближения коллиматора к поверхности фантома, число нейтронов, вошедших в него, растет. Следовательно, при определении позиции финального коллиматора относительно пациента необходимо исходить из учета приемлемого соотношения между величиной полутени и количеством нейтронов, проникающих в ткани пациента.
Таблица 1
Параметры моделирования профилей протонных пучков
Диаметр протонного пучка, мм Толщина фольги, мкм Радиус поглотителя центральной части пучка, мм Диаметр D коллиматора, мм Номер позиции на рис. 3
1 2
3 15 30 2 10 1
14 2
неколлимированный 3
24 30 3 12 4
16 5
неколлимированный 6
Таблица 2
Зависимость числа нейтронов, достигших поверхности фантома, от расстояния г между финальным коллиматором и поверхностью фантома
г , см сэ7 ^ мм Полутень, мм п/р
1,35 9,08 1,71 0,04
2,35 9,31 1,77 0,03
4,35 9,43 1,90 0,01
Обозначение: к % — ширина поля на 50%-м уровне дозы (см. рис. 2).
Обычно опухоли имеют неправильную форму, и для различных случаев требуется изготовление индивидуальных коллиматоров, обеспечивающих соответствующее распределение дозы. При этом возможны ситуации, когда для достижения заданного дозного распределения требуется перекрыть часть коллиматора. Это означает, что площадь латунного слоя возрастает, а, следовательно, увеличивается выход нейтронов.
На рис. 4 изображены профили, получаемые в поперечной плоскости пучка на глубине пика Брэгга, когда перекрыты либо правая верхняя четверть (рис. 4, а), либо половина (рис. 4, б) коллиматора.
При этом число нейтронов, достигнувших поверхности фантома, возросло с 0,02 до 0,03 и 0,04 нейтрон/протон соответственно.
а)
1.0-
0.8-
0,6-
е 0.-1 -
0,2-
у V: • д "V
X
Д т ■ \ 1
1 V 1
ч ■
\
1 >
1 1
1 —г- ■ ■ 1. I ■
Таким образом, для каждого клинического случая необходима оценка нейтронной дозы в зависимости от выбранной апертуры. При этом возможен поиск компромисса между необходимостью уменьшения величины полутени и сокращением нейтронной дозы, а также рассмотрение вопроса о предварительной коллимации пучка.
Итак, в настоящей работе были рассмотрены требования к параметрам пучка и элементам системы рассеяния и коллимации посредством моделирования процесса доставки протонного пучка с энергией 60 МэВ к пациенту (использован программный комплекс ОеаМ4). В результате установлено следующее:
с целью предотвратить ухудшение каче-
б)
1,0-
0,8-
0.6-
д
=£ 0,4-
\ \ 1 1
т
I
\ 1
ч
I I *. X
-10 -5 0 5 10 Расстояние от оси, мм
-10 -5 0 5 10
Расстояние от оси, мм
Рис. 4. Влияние степени перекрывания коллиматора на профиль в поперечной плоскости адронного пучка: 1 — открытый коллиматор (диаметр 16 мм); 2, 3 — с перекрытой правой верхней четвертью и половиной соответственно
ства пучка вся система доставки протонного пучка от выхода ускорителя до пациента должна занимать расстояние около 1,5 м;
для облучения опухолей глаза протяженностью до 1 см на тонком пучке необходимо использовать двойную рассеивающую систему, состоящую из двух танталовых фольг и поглотителя центральной части пучка;
использование широкого пучка дает возможность облучать опухоли до 1,5 см посредством одиночной рассеивающей системы из одной фольги и поглотителя. В случае если требуется большее уширение поперечного профиля, возможно увеличение толщины фольги, использование двойной системы рассеяния или более широкого первоначального пучка протонов;
выбор конструкции и позиции финального коллиматора по отношению к паци-
енту необходимо осуществлять с учетом величины нейтронного выхода в каждом отдельном клиническом случае.
Полученные результаты могут быть взяты за основу при разработке требований к планируемому протонному тракту и некоторых пунктов программы гарантии качества протонной офтальмологии. В связи с актуальностью проблемы активации лечебной комнаты за счет вторичных нейтронов, рождающихся в элементах системы доставки, важную практическую ценность имеет возможность использования широкого пучка.
Авторы статьи признательны доктору физико-математическихнаук Н.А. Иванову (СПбГПУ) за полезное обсуждение полученных результатов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Грагоудас E., Гойтейн М., Кёлер А. и др.
Использование протонных пучков для облучения меланом сосудистой оболочки глаза// «Использование протонных пучков в лучевой терапии»: Труды 1-го Международного семинара. Вып. 3. М.: Атомиздат, 1979. С. 63-76.
2. Иванов Н.А., Лебедева Ж.С. Оценка параметров пучка протонов для применения в офтальмологии // Научно-технические ведомо-
сти СПбГПУ. Физико-математические науки. 2013. № 1(165). С. 128-135.
3. Schardt D., E^sser T. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits // Reviews of modern physics. 2010. Vol. 82. P. 383-425.
4. Janni J.F. Proton range-energy tables, 1 keV - 10GeV, Part 2 // Atomic Data and Nuclear Data Tables. 1982. Vol. 27. P. 341-529.
REFERENCES
1. Gragoudas E., Goitein M., Koehler A. et al.
Ispol'zovanie protonnykh puchkov dlia oblucheni-ia melanom sosudistoi obolochki glaza. Moscow, Atomizdat, 1979, pp. 63-76. (rus).
2. Ivanov N.A., Lebedeva Zh.S. Proton beam characteristics estimation for using in ophthalmology. St. Petersburg State Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics, 2013, No. 1(165),
pp. 128-135. (rus).
3. Schardt D., Elsflsser T. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits. Reviews of modern physics, 2010, Vol. 82, pp. 383-425.
4. Janni J.F. Proton Range-Energy Tables, 1 keV-10GeV, Part 2. Atomic Data and Nuclear Data Tables, 1982, Vol. 27, pp. 341-529.
ЛЕБЕДЕВА Жанна Сергеевна — младший научный сотрудник лаборатории радиационной физики Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова. 188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща. LebedevaZh@pnpi.spb.ru
ШУРАКОВА Юлия Борисовна — старший лаборант лаборатории радиационной физики Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова. 188300, Ленинградская обл., г. Гатчина, Орлова роща. inet-julia@yandex.ru
© Санкт-Петербургский государственный политехнический университет, 2013
