Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Поэтому, чтобы избежать подобных недостатков, на практике для интегрирования сигнала обычно используется интегратор на основе операционного усилителя [21,22]. На рис. 1.7 представлена схема включения детектора в измерительную цепь с интегратором тока.

Операционный  усилитель работает так, чтобы напряжения на его входах были равны. В связи с тем, что неинвертирующий вход имеет потенциальное заземление, на инвертирующем входе напряжение так же равно нулю. Поэтому при включении полупроводникового диода в эту цепь, на него не подаётся смещения и нелинейности в зависимости ионизационного тока от заряда не наблюдается.

Вследствие того же свойства операционного усилителя  напряжение на выходе интегратора U_вых равно напряжению на нагрузочном конденсаторе U_С. И т.к. сигнал с детектора подаётся на инвертирующий вход усилителя, то

U_вых = U_С = –(Q_ион/C_инт) = –(1/C_инт) i_ион(t)dt.  (1.36)

Из (1.35) видно, что по напряжению на выходе интегратора можно судить об ионизационном  токе, и, следовательно, об интенсивности  излучения и об ионизационных потерях энергии. При этом выходное напряжение не зависит от ёмкости детектора и емкостей соединительных проводов, а определяется только ёмкостью обратной связи интегратора C_инт.

Кроме этого, при  включении в схему ключа, как  показано на рисунке, можно сбрасывать напряжение на интеграторе U_С, тем самым, регулируя чувствительность детектора временем накопления заряда.

 

 

 

 

 

 

 

Глава 2. Система контроля профиля  пучка и изменения кривой глубинного дозового распределения.

Как отмечалось выше, из существующих видов излучений протонные пучки для целей лучевой терапии имеют одни из самых выгодных характеристик. По критерию пространственного распределения дозы протоны имеют высшую оценку  по сравнению с фотонным, электронным и нейтронным излучениями [24]. Протонные пучки имеют строго прямолинейное распространение в тканях. При этом почти отсутствует боковое и обратное рассеяние, а в конце пробега протонов, который легко регулируется энергией частиц, возникает пик ионизации (пик Брэгга). Протонные дозовые поля характеризуются резким градиентом дозы по краю поля – уменьшение дозы с 80 до 20% происходит на расстоянии нескольких миллиметров, что уменьшает лучевую нагрузку на окружающие мишень здоровые ткани и позволяет повысить поглощённую дозу в радиорезистентной опухоли.

Такое дозовое распределение допускает  гибкое регулирование в соответствии с теми или иными клиническими требованиями и критериями. При этом получаемое распределение очень чувствительно к изменению профиля пучка и средней энергии составляющих его частиц [25]. И так как наведение протонного пучка на облучаемую зону производится с субмиллиметровой точностью, чтобы по возможности сильнее снизить лучевую нагрузку на прилегающие органы, важно постоянство параметров пучка при облучении пациента. Иначе интегральная доза на опухоль при облучении не будет соответствовать предварительно рассчитанной в программе планирования, что снижает качество лечения и может привести к нежелательным для здоровья пациента последствиям.

Поэтому очень важным компонентом протонной  терапии является постоянный контроль "on-line" за тем, чтобы установленные перед сеансом плоский профиль пучка и положение пика Брэгга на кривой глубинного дозового распределения (кривой Брэгга) оставались постоянными во время облучения пациента. Для этого в МТК ОИЯИ при непосредственном участии автора данной работы была разработана система контроля протонного пучка в режиме реального времени, описанная далее.

2.1 Контроль симметрии профиля протонного пучка при облучении пациента.

 

2.1.1 Обоснование выбора многопроволочной ионизационной камеры в качестве монитора профиля пучка протонов.

В разработанной  системе контроля для получения  информации о профиле пучка используется 28-канальная проволочная ионизационная  камера, объём которой заполнен воздухом при атмосферном давлении. Было решено использовать камеру именно такого типа, потому что она удовлетворяет следующим условиям:

• малое количество вещества на пути протонного пучка, так как объём камеры заполнен воздухом, а электродами являются тонкие диски из алюминия. Поэтому пучок проходит через камеру, практически не рассеиваясь и не поглощаясь.
• заполнение камеры воздухом при атмосферном давлении даёт относительную дешевизну её обслуживания – не требуется периодическая подкачка газа.
• камера имеет 28 выходных каналов, по 14 для получения информации о горизонтальном и вертикальном профилях пучка. Из условий конформности облучения опухоли следует, что пучок протонов должен быть однородным в поперечном сечении. Следовательно, огибающей нормального профиля для каждого направления является прямая. По 14 точкам достаточно точно можно провести усреднённую прямую по методу наименьших квадратов, и из её наклона судить о перекосе профиля. Поэтому для фиксирования отклонения профиля пучка от нормального вполне достаточно 14-ти каналов.
• камера работает на плато вольт-амперной характеристики, что обеспечивает практически полный сбор образованных излучением носителей, если не учитывать их потери на рекомбинацию и диффузию. Ниже в работе (см. пункт 2.3) будет описан эксперимент по оценке этих потерь в используемой ионизационной камере.

 

Из  приведённых выше соображений следует, что 28-канальная ионизационная камера практически идеально подходит для  получения достаточно подробной  информации о состоянии профиля  протонного пучка "on-line" без внесения каких-либо значительных изменений в сам пучок.

 

2.1.2 Устройство и работа используемой многопроволочной ионизационной камеры.

Устройство ионизационной  камеры, используемой в системе, представлено на рис. 2.1. Этот прибор состоит из скреплённых между собой с шагом 5 мм плоских круглых электродов и прокладок. На высоковольтные электроды подаётся отрицательное относительно анода напряжение от внешнего источника, равное 1000 В, что обеспечивает нормальную работу камеры на плато вольт-амперной характеристики. Сигнальные анодные электроды подсоединяются к виртуальной "земле" через измерительный прибор (в нашем случае интегратор).

Каждый сигнальный электрод имеет по 28 проволочек, соединённых попарно и натянутых параллельно друг другу с шагом 3 мм в прямоугольной рамке из стеклотекстолита. Концы проволочек подсоединены к 14-канальному разъёму, установленному на корпусе камеры (выходы камеры). Сигнальные электроды в камере повёрнуты друг относительно друга на 90° для получения информации о профиле падающего пучка протонов в двух взаимно перпендикулярных направлениях: вертикальном (У) и горизонтальном (Х).

Итак, при включении источника  напряжения, между сигнальными и высоковольтными электродами создаётся разность потенциалов. Следовательно, в области между ними существует электрическое поле. Чтобы измеряемые данные с сигнальных электродов  были независимыми друг от друга, между ними ставится ещё один высоковольтный электрод. Это позволяет разделить области сбора свободных носителей заряда, образованных проходящим через камеру излучением, для контроля профиля отдельно по вертикали и горизонтали. Добавление третьего высоковольтного электрода также позволяет избежать прогиба сигнальных проволочек вследствие электростатического взаимодействия, так как сила, действующая на них со стороны одного электрода, компенсируется силой со стороны другого.

Вследствие того, что высоковольтные электроды довольно тонкие, для них существует такая же проблема прогиба под действием электростатических сил, как и для сигнальных проволочек. Их прогиб может изменить конфигурацию электрического поля внутри камеры и исказить получаемые данные. Чтобы избежать такого эффекта, со стороны, противоположной сигнальным электродам, ставятся тонкие заземлённые электроды (защитные электроды).

 

Образование сигнала на выходах камеры. При прохождении пучка протонов через камеру в "горизонтальной" и "вертикальной" областях камеры образуются свободные носители заряда (электроны и положительные ионы). В электрическом поле они начинают двигаться в к электродам: электроны – к сигнальным электродам, ионы – к высоковольтным. При этом каждый электрон движется в направлении ближайшей к нему сигнальной проволочки. В результате такого движения, как отмечалось в первой главе, на каждой проволочке образуется заряд, пропорциональный интенсивности падающего излучения. При включении ионизационной камеры в 28-канальную измерительную цепь в каждом канале начинает течь ток, по которому можно судить об интенсивности падающего пучка в каждой из 28 (по 14 по вертикали и горизонтали) областей шириной 6 мм, расположенных вдоль проволочек (см. п. 1.1.2 и 1.3).

Сигналы с 28 выходов камеры через  интерфейс КАМАК поступают в компьютер, где они программным образом обрабатываются и визуализируются. Далее в п. 2.3 будет описана схема съёма данных с камеры, а в 2.4 – их программная обработка.

 

 

2.2 Контроль изменения пробега протонного пучка при помощи полупроводниковых диодов.

 

2.2.1 Обоснование выбора полупроводникового диода для измерения линейных потерь энергии пучка протонов.

В параграфе 1.2 было отмечено, что  при помощи полупроводникового диода  могут быть измерены относительные  значения интенсивности пучка протонов и линейных потерь энергии частиц, что следует из  (1.31). При разработке данной системы  контроля в качестве датчика линейных потерь энергии и интенсивности был выбран радиотехнический кремниевый диод 2Д212а, цоколёвка которого представлена на рис. 2.2 [26].

Данный диод был выбран вследствие того, что он обладает следующими преимуществами:

• довольно высокая радиационная стойкость. Это позволяет использовать его, не заменяя, в течение большого количества сеансов облучения. Система контроля включает 4 таких диода. Они уже использовались в течение четырёх циклов облучения пациентов. При этом каких-либо значительных изменений в снимаемых показаниях замечено не было.
• компактные размеры, позволяющие расположить диоды по краю пучка так, чтобы они не влияли на него, но чтобы при этом не терялась информация об измеряемых параметрах протонного пучка. Небольшие размеры также способствуют снижению влияния статистических флуктуаций при достижении носителями заряда электродов.
• в то же время размеры диода таковы (рис.2.3), что в нём при прохождении протонного пучка образуется достаточно много свободных носителей, чтобы образовать в измерительной цепи заметный на уровне шумов и наводок.
• сам кристалл полупроводника диода имеет форму диска, как показано на рис. 2.3. На медной подложке 2, служащей обычно для охлаждения диода, не играющей роли в нашем случае, закреплён сам диодный кристалл 1, имеющий плоскую форму. При измерении линейных ионизационных потерь энергии разрешение датчика обратно пропорционально толщине его вещества на пути пучка. При расположении диода лицевой частью к протонному пучку на пути пучка оказывается довольно тонкий рабочий слой (~0,2 мм), что при измерении линейных ионизационных потерь энергии на спаде пика Брэгга существенно влияет на разрешение.
• низкая стоимость и доступность.

 

В силу перечисленных свойств  диодов 2Д212а было решено использовать их для измерения относительного значения ионизационных потерь энергии  протонного пучка. Далее будет описана  методика, разработанная для контроля изменения пробега протонного пучка "on-line" во время облучения пациентов при помощи полупроводниковых диодов 2Д212а.

 

2.2.2 Методика контроля изменения пробега протонного пучка по показаниям полупроводниковых диодов.

Основным преимуществом протонов и других тяжёлых заряженных частиц (ионов, пи-мезонов) перед другими видами излучения, применительно к лучевой терапии, является увеличение  их ионизирующей способности по мере прохождения через вещество. Кривая глубинного дозового распределения для этих частиц имеет характерный максимум в конце пробега (пик Брэгга), за которым ионизирующая способность резко спадает до нуля. Величина ионизационных потерь протонов в максимуме этой кривой в разы превышает эту же величину на входе в вещество. Это позволяет доставить необходимую дозу к облучаемой опухоли, максимально снизив при этом лучевую нагрузку на ткани и органы, находящиеся на пути пучка, и практически не облучая область за опухолью.

Так как пик Брэгга имеет  довольно крутой спад, его смещение может сильно изменить значение дозы, доставляемой к опухоли, рассчитанное врачом-радиологом до облучения. Поэтому всегда необходим контроль за тем, чтобы смещение кривой Брэгга не выходило за установленные пределы. Обычно по установленным радиологическим нормам смещение пика Брэгга не должно превышать 1 мм от установленного значения.

В разработанной системе  на основе выводов, приведённых выше в пунктах 1.2, 1.3 и 2.2.1, для измерения  относительных значений dE/dx было решено использовать диод 2Д212а. Если на пути пучка перед диодом поставить замедлитель переменной толщины, например, из алюминия, и менять его толщину перед каждым измерением, то можно получить зависимость ионизационных потерь пучка от глубины его проникновения в вещество, т.е. получить кривую Брэгга. Для того, чтобы зафиксировать изменение пробега протонного пучка, необходимо сравнение этой кривой с принимаемой за идеальную, которая была измерена перед облучением пациента.

Чтобы проводить все  эти измерения "on-line" при наличии пучка, технически такой способ реализован в системе контроля следующим образом. Основной целью является не измерение всей кривой Брэгга, а лишь фиксирование её смещения, вызываемое изменением пробега протонного пучка. Поэтому конструктивно было решено использовать одновременно 4 диода, перед каждым из которых ставится замедлитель из дюралюминия  определённой толщины. Толщина замедлителя определяется экспериментальным путём (см. 2.2.3) так, чтобы значения dE/dx, измеренные диодами, давали при каждом измерении 4 репперные точки на кривой Брэгга, по которым можно судить о её смещении.