Файл: Разработка технических средств и методики динамического облучения для.pdf

Объединенный институт ядерных исследований
Лаборатория ядерных проблем имени В.П. Джелепова
Агапов
Алексей Валерьевич
Разработка технических средств и
методики динамического облучения для
протонной радиотерапии
по материалам диссертационной работы на соискание степени кандидата технических наук

Методика трехмерной конформной терапии
На сегодняшний день в Медико-техническом комплексе ЛЯП ОИЯИ прошли курс ПЛТ около 1300 пациентов, в основном с мишенями, локализованными в области головы и шеи. Результаты лечения показали высокую эффективность реализованной методики и ее безопасность для пациентов.
Устройства формирования пучка в стандартном методе:
•
Гребенчатый фильтр
(модулятор пика)
•
Замедлитель
•
Апертурный коллиматор
•
Компенсатор пробега
(болюс)
2

Методика трехмерной конформной терапии
Недостатком применения пассивного метода формирования является наличие областей переоблучения (хвостов) на проксимальной границе мишени
Аксиальные срезы КТ, облучение с одного направления
Аксиальный срез МРТ,
облучение с одного направления
3

Цель работы

Улучшение степени конформности распределения дозы в облучаемом объеме и обеспечение точности совмещения максимума дозового распределения с объемом мишени при проведении протонной лучевой терапии за счет реализации новой методики динамического облучения.

Разработка и апробация программно-аппаратного обеспечения для нового метода протонного динамического облучения глубокозалегающих мишеней сложной формы на базе оборудования и пучков Медико- технического комплекса ЛЯП ОИЯИ .
4

Концепция динамического метода
Стандартная методика пассивной конформной протонной терапии в МТК
Формирующие устройства:
1.
Гребенчатый фильтр
2.
Замедлитель
3.
Апертурный коллиматор
4.
Индивидуальный болюс
Динамический метод с болюсом
Формирующие устройства:
1.
Замедлитель переменной толщины (ЗПТ)
2.
Многолепестковый коллиматор (МЛК)
3.
Индивидуальный болюс
5

Разработка анализатора дозового поля
Конструкция
Параметры
Значение
Тип двигателя
Шаговый
Скорость перемещения
детектора
5
мм/с
Материал ванны
Оргстекло
Габаритные размеры
ванны
60 х 60 х 370 мм
3
Толщина стенки ванны
10 мм
Рабочая среда
Вода
Тип детектора
Кремниевый полупроводниковый
Максимальный ход
детектора/направление
320 мм / горизонтально
Точность
позиционирования
детектора
±0,3 мм
Суммарная погрешность
измерений относительной
поглощенной дозы ППД
3 %
Максимальная энергия
измеряемого протонного
пучка
230
МэВ
Объем воды в ванне
1,5 литра
Вес с заполненной ванной
3 кг
1. Шаговый двигатель
2. Модуль линейного перемещения
3. Каретка
4. Детектор
5. Фантом (ванна с водой)
6
5 3
2 4
1

Разработка анализатора дозового поля
Блок управления
Блок управления реализован на стандартных блоках КАМАК и блоках устройства
МЕЗОН
(управления терапевтическим креслом)
Детектор излучения – кремниевый полупроводниковый датчик производства АО ИФТП
Дубна, толщиной 300 мкм, площадью 2х2 мм
2
7

Разработка анализатора дозового поля
Экспериментальная проверка
Этап 1.
Проверка точности и повторяемости измерений анализатором.
Протонный пучок 150 МэВ
DATA1 – д.з. 0 мм в.э. – «эталонная» кривая
DATA2 – д.з. 37,5 мм в.э. – отклонение 0,1 мм
DATA3 – д.з. 75,0 мм в.э. – отклонение 0,2 мм
DATA4 – д.з. 112,5 мм в.э. – отклонение 0,8 мм
(д.з. – дополнительный замедлитель)
Погрешность измерений ±0,5мм
Этап 2.
Проверка достоверности проводимых измерений анализатором.
Протонный пучок 150 МэВ
Синяя кривая – измерения ИК Marcus
Красная кривая – измерения анализатором
Разница пробегов – 0,1 мм
8

Разработка замедлителя переменной толщины
Принцип работы
Регулировка энергии протонного пучка замедлителем в зависимости от глубины расположения мишени облучения
Схематическое конструктивное решение автоматического ЗПТ
9

Разработка замедлителя переменной толщины
Конструкция
Параметр
Значение
Тип двигателя
Шаговый, шаг
1,8⁰
Материал замедлителя
Оргстекло
Скорость изменения
толщины замедлителя
5 мм в.э./с
Дискретность установки
толщины замедлителя в
автоматическом и ручном
режиме
 0,1 мм в.э.
Диапазон изменения
толщины замедлителя
от 24,5 до 112,0 мм в.э.
Датчик положения
Угловой, энкодер
Максимальное поперечное
сечение протонного пучка
100х100 мм
2
Габариты ЗПТ (Д/Ш/В)
530
150160 мм
3
Вес
5 кг
10
1.
Малый клин
2. Шаговый двигатель
3. Энкодер
4. Большой клин
5. Каретка
6. Модуль линейного перемещения
2 3
4 1
6 5

Разработка замедлителя переменной толщины
Блок управления
11
Ручной пульт
Блок управления реализован на стандартных блоках КАМАК
(автоматический режим работы) и микроконтроллере (ручной режим работы). В методе динамического облучение управление ЗПТ синхронизировано с работой многолепесткового коллиматора.

Разработка замедлителя переменной толщины
Экспериментальная проверка
12
Этап 1.
Проверка точности установки толщины замедлителя.
Протонный пучок 120 МэВ
DATA0 – 0 мм в.э. – «эталонная» кривая
DATA1 – 24,5 мм в.э. – отклонение 0 мм
DATA2 – 40,0 мм в.э. – отклонение 0,3 мм
DATA3 – 60,0 мм в.э. – отклонение 0,2 мм
DATA4 – 80,0 мм в.э. – отклонение 0,5 мм
Погрешность измерений ±0,5 мм
Этап 2.
Сравнение глубинно-дозовых кривых, измеренных с помощью анализатора и ЗПТ
Протонный пучок 120 МэВ
Синяя кривая – измерения анализатором
Красная кривая – измерения ЗПТ
Разница пробегов – 0,3 мм

Разработка многолепесткового коллиматора
Принцип работы
Многолепестковый коллиматор – автоматическое устройство формирования поперечного сечения терапевтического пучка в соответствии с размерами и формой мишени за счет набора подвижных пластин
13
P – направление протонного пучка
Х – ось протонного пучка
А – поперечное сечение падающего пучка
Б – поперечное сечение сформированного пучка, совпадающее с формой проекции мишени

Разработка многолепесткового коллиматора
Материал пластин
14
Относительный поток нейтронов при торможении протонов с энергией 250 МэВ в вольфраме (голубая кривая), латуни (красная кривая), стали (желтая кривая) и воде
(фиолетовая кривая). Толщина образца 10 см.
McKenna W.G. et al. The University of Pennsylvania, Philadelphia, USA. Annual report. 2005
Основные критерии выбора материала для изготовления пластин: низкий удельный вес, технологичность обработки, доступность, приемлемое значение эффективного заряда для уменьшение коллиматорного эффекта, низкая способность к генерации вторичных нейтронов при торможении протонного пучка.

Разработка многолепесткового коллиматора
Форма пластин и конструкция привода
Расположение пластин в блоке и возможные траектории частиц пучка (а, б,
в, г). При полностью закрытой апертуре МЛК на траекторию а приходится 93
% падающего пучка, на траектории б и в – около 7 %
15
Взаимное расположение трех выборочных пластин МЛК с индивидуальными приводами и передачами:
1 – энкодер, 2 – актуатор, 3 – сепаратор со стальными шариками, 4 – пластины МЛК
1 2 3
4
Высота пластин – 2,9 мм
Зазор – 0,1 мм

Разработка многолепесткового коллиматора
Конструкция
Параметр
Значение
Материал пластин
сталь
Высота пластин
2,9 мм
Количество пластин
34 пары
Тип привода
Актуатор с ходовым винтом
Максимальная апертура
100х100 мм
2
Точность
позиционирования
пластин
0,1 мм
Скорость перемещения
пластин
10 мм/с
Датчик положения
Угловой, энкодер
Габариты (Д/Ш/В)
(при полностью закрытой
апертуре)
600х150х125 мм
3
Вес
35
кг
16
Создан прототип МЛК на 4 пары пластин

Разработка многолепесткового коллиматора
Блок управления
Разработанный блок управления МЛК
17
Файл с данными о положении пластин МЛК загружается в компьютер, который через контроллер осуществляет управление актуаторами (А) и считывание данных с датчиков положения энкодеров (Э)

Разработка многолепесткового коллиматора
Экспериментальная проверка
Данные получены с использованием одномерного анализатора в режиме измерения профилей.
Синяя кривая - апертура 60х15 мм
2
Красная кривая - 20х15 мм
2
Желтая кривая - полностью закрытый МЛК
18
Средний разброс однородности дозы в области максимума не превысил уровня ±3 %
Межлепестковое излучение не превышает 2 %
Точность позиционирования пластин 0,1 мм
Измерения профиля радиохромной пленкой для оценки бокового градиента спада дозы (пенамбры).
Апертура МЛК 70х15 мм
2
P20-80% = (1,5±0,3) мм

Разработка методики динамического
облучения
Программно-аппаратный комплекс
Аппаратный комплекс динамического облучения включает в себя блоки управления ЗПТ и МЛК, а также систему отпуска дозы, применяемую в МТК.
19

Апробация методики динамического
облучения
Схема проведения эксперимента.
Мишень – виртуальный цилиндр
(55 х 60 мм) высотой 10 мм, расположенный в водном фантоме на глубине 80 мм. Радиохромная пленка с размерами 100 х 150 мм размещена в изоцентре облучения под углом 5град к оси пучка.
20
Геометрическая схема планов облучения:
а – стандартным методом б – динамическим методом с болюсом в – динамическим методом без болюса
Рассчитанное суммарное глубинно-дозовое распределение протонного пучка (красная кривая) от пяти пучков #1-5

Апробация методики динамического
облучения
21
стандартный метод динамический метод с болюсом динамический метод без болюса
Профили пучка на проксимальной границе мишени
Уровень гомогенности дозы в медианной плоскости мишени по профилю пучка составил не более ±5% во всех трех случаях.
Дистальный спад дозы P
d(20–80%)
: а) 12,0±0,3 мм; б) 13,0±0,3 мм; в) 11,0±0,3 мм.
Латеральный спад дозы P
l(20–80%)
: а) 8,0±0,3 мм; б) 9,0±0,3 мм; в) 10,0±0,3 мм.
Значения средних пробегов сформированных пучков составило
R
82(а)
=107,3±0,3 мм,
R
82(б)
=107,5±0,3 мм,
R
82(в)
=108,3±0,3 мм.

Заключение

Разработан и создан анализатор дозового поля для проведения экспресс-проверок устройств формирования протонного пучка. Анализатор с достаточной точностью
(±0,3 мм в.э.) проводит измерения глубинно-дозовых кривых и профиля сформированного протонного пучка.

Разработана и создана оригинальная конструкция замедлителя переменной толщины для быстрой регулировки энергии протонного пучка. Дискретность изменения толщины замедлителя составляет 0,1 мм в.э., что обеспечивает высокую точность совмещения максимума дозового распределения с объемом мишени.

Разработана оригинальная конструкция полноразмерного многолепесткового коллиматора и создан его прототип, который обеспечивает точность и конформность сформированных слоев облучения за счет тонких подвижных пластин.

На базе оборудования и пучков МТК ЛЯП ОИЯИ разработана и апробирована новая методика динамического протонного облучения глубоко расположенных мишеней сложной формы. Результаты экспериментальной дозиметрической проверки показали увеличение степени конформности сформированного дозового поля при облучении виртуальной мишени с одного направления в водном фантоме за счет устранение хвостов переоблучения на проксимальной границе мишени.

Проведен ряд дозиметрических экспериментов с использованием созданного одномерного анализатора дозового поля и пленочной дозиметрии, подтверждающих качество работы разработанных устройств формирования терапевтического протонного пучка.
22