Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Как известно (п. 1.1.1), ионизационные камеры работают на плато их вольт–амперной характеристики. В реальном случае это плато имеет некоторый наклон, обусловленный отличными от нуля потерями тока на рекомбинацию и диффузию. Если построить зависимость ионизационного тока от величины, обратной подаваемому напряжению 1/U_пит, то, экстраполировав область плато этой зависимости на бесконечное U_пит (1/U_пит®0), можно получить необходимое значение тока при U_пит®¥ .

В нашем случае ионизационный ток проходит через  интегратор, на выходе которого мы получаем напряжение, пропорциональное заряду, образованному протонным пучком (1.36). Следовательно, найдя отношение сигнала, когда на камеру подаётся рабочее напряжение питания, к сигналу при U_пит®¥, мы получим оценку потерь заряда на диффузию и рекомбинацию.

 

2.3.2 Определение коэффициента собирания заряда.

Для определения коэффициента собирания заряда K_c при помощи процедуры ReadMassive описанной выше программы была получена вольт–амперная характеристика ионизационной камеры, используемой в системе контроля протонного пучка. Напряжение на электродах камеры менялось при помощи высоковольтного источника питания.

Предварительно  накапливалась статистика из 10 измерений  для каждого значения с камеры и диодов, получался массив sum_i (i=1…32). После этого за показания камеры в вольт–амперной характеристике принимался средний сигнал со всех каналов камеры, нормируемый на средний сигнал диодов, чтобы измеряемые значения не зависели от интенсивности пучка:

Q = ( sum_i) ( sum_i).    (2.15)

Была  получена зависимость измеренного  сигнала с камеры Q от подаваемого на камеру напряжения (рис. 2.14).

После получения  этой характеристики камеры, по методу наименьших квадратов была проведена  прямая, описывающая плато при 1/U_пит < 0.018 В^–1. После линейного экстраполирования в область 1/U_пит®0, получили Q_¥=1305 отн. ед. Для 1/U_пит=0.001 В^–1, при котором работает ионизационная камера во время измерений при облучении пациента, Q_раб=1302 отн. ед. Отсюда коэффициент собирания заряда равен:

K_c = Q_раб / Q_¥ = 0.998.    (2.16)

Значение коэффициента K_c показывает, что лишь 0.2% образованного заряда теряется в процессе рекомбинации и диффузии.

Таким образом, показано, что многопроволочная ионизационная камера, используемая в разработанной системе контроля протонного пучка, теряет 0.2% заряда, образуемого проходящим пучком, что практически не вносит погрешности в проводимые измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Заключение.

Основным  преимуществом протонов перед другими  вилами ионизирующего излучения является характерный дозовый максимум, образующийся при прохождении их через вещество в конце пробега. Такое свойство позволяет получить конформное с облучаемым очагом дозовое поле, что снижает лучевую нагрузку на окружающие мишень органы и ткани, по сравнению с традиционными видами излучений, используемыми в лучевой терапии. При этом очень важен контроль за тем, чтобы получаемое дозовое распределение при облучении пациента совпадало с рассчитанным при планировании.

Целью данной работы явилась разработка и создание в МТК ОИЯИ системы контроля параметров протонного пучка в режиме реального времени непосредственно при проведении радиотерапии. При разработке данной системы были получены следующие основные результаты:

• Рассмотрены системы контроля параметров протонного пучка, используемые в различных центрах протонной терапии.
• Разработан и реализован алгоритм получения данных о профиле протонного пучка в режиме реального времени при помощи многопроволочной ионизационной камеры.
• Проведён эксперимент по оценке потерь, возникающих в результате диффузии и рекомбинации свободных носителей заряда, образованных протонным пучком при прохождении его через объём используемой ионизационной камеры. Обработка данных эксперимента показала, что теряется лишь 0.2% носителей, что практически никак не влияет на работу системы.
• Разработана методика определения и контроля изменения пробега протонного пучка при помощи полупроводниковых диодов.
• Доказана путём компьютерного моделирования необходимость и достаточность использования четырёх диодов для определения изменения пробега протонного пучка.
• Написана многорежимная пользовательская программа, которая обеспечивает автоматический съём данных с задействованных в системе приборов, их обработку и визуализацию. В программе предусмотрена звуковая сигнализация при отклонении параметров протонного пучка от нормы во время облучения пациента. При срабатывании этой сигнализации, персоналом отключается вывод пучка в процедурную кабину.
• С помощью специального режима программы по полученным с используемых диодов данным была построена кривая глубинного дозового распределения протонного пучка (кривая Брэгга). Сделанные на основе формы кривой выводы послужили основой для расчёта механической конструкции для системы измерения отклонения пробега на основе полупроводниковых диодов.

 

Разработанная система контроля параметров протонного пучка прошла испытание в течение  трёх циклов облучения пациентов. По мере работы в систему вносились  коррективы, повышающие надёжность и  стабильность её работы. В будущем планируется при помощи этой системы и дополнительного оборудования организовать обратную связь на магниты, обеспечивающие транспортировку протонного пучка от ускорителя в процедурную кабину, что позволит полностью автоматизировать процесс вывода пучка в процедурную кабину и обеспечит стабильность параметров пучка.

 

Автор работы выражает особую благодарность научным  руководителям Мицыну Г.В. за помощь в проведении необходимых экспериментов  и написании работы, Вахтелю В.М. за ценные рекомендации. Также благодарность автор выражает Молоканову А.Г. за рекомендации в организации эксперимента по оценке потерь носителей заряда в ионизационной камере, Швидкому С.В. – за плодотворные консультации по вопросам программирования, а также всему коллективу Медико–технического комплекса ОИЯИ за доброжелательное отношение и помощь в работе.

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы.

1. http://www.hadrontherapy.ru/
2. Кравец Б.Б. и др. Пути снижения от злокачественных новообразований в Воронежской области. – Учебно-методическое пособие. – Воронеж: ВГУ, 1997,  с. 3-5.
3. В.П. Джелепов и др. Медицинская радиология. – М.: Медицина, 1980, №4, с.76-85.
4. Клайнкнехт К. Детекторы корпускулярных излучений/ Пер. с нем. – М: Мир, 1990, с. 21–32.
5. http://www.krugosvet.ru/articles/22/1002278/print.htm
6. Векслер В., Грошев Л., Исаев Б. Ионизационные методы исследования излучений.– 2-е изд. перераб. и доп. – М.: ГИТТЛ, 1965, с. 9–30, 143–152.
7. Абрамов А.И., Казанский Ю.А., Матусевич Е.С. Основы экспериментальных методов ядерной физики.– 3-е изд. перераб. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1985, с. 85–201.
8. http://fee.mpei.ac.ru/elstat/lect/1.htm
9. Росси Б., Штауб Г. Ионизационные камеры и счётчики. – М.: ГИТТЛ, 1951, с. 6–48.
10. Сенченков А.П. Техника физического эксперимента. – М.: Энергоатомиздат,1983, с. 203–208.
11. Григорьев В.А. Электронные методы ядерно-физического эксперимента. – М.: Энергоатомиздат, 1988, с. 43–53.
12. http://bsfp.iszf.irk.ru/bsfp1999/bsff3/bb06an5.php
13. NAC Annual Report, NAC/AR/93-01, 1993, p.74–76.
14. NAC Annual Report, NAC/AR/94-01, 1994, p.1–4.
15. A.N.Schreuder et al. The NAC Proton Therapy Beam Delivery System. NAC/AR/95-01, 1995, p. 106-108.
16. C. Brusasco et al. Strip Ionization Chambers as 3D–detector for Hadron Therapy. Nucl. Instr. And Meth. A389 (1997), p. 499-512.
17. Gaevsky V.N. The Dose Distribution Measurements of Clinical Proton Beams. Radiotherapy and Oncology, vol. 64 (Supplement 1),  September 2002.
18. Акимов Ю.К. и др. Полупроводниковые детекторы ядерных частиц и их применение. – М.: Атомиздат, 1967, с. 7–46, 62–68.

 

19.  Викулин И.М. Полупроводниковые датчики. – М.: Атомиздат, 1975, с. 40–53.
20. Вавилов В.С., Ухин Н.А. Радиационные эффекты в полупроводниках и полупроводниковых приборах. – М.: Атомиздат, 1969, с. 110–126, 259–273.
21. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники / Пер с англ. В трёх томах, т. 1. – 4-е изд., перераб. и доп.– М.: Мир, 1993, с. 181–183, 237–238.
22. Браммер Ю.А., Пащук И.Н. Импульсные и цифровые устройства. –6-е изд., перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1999, с. 135–137.
23. Amaldi U. et al. Advances in Hadron Therapy. ICS 1144, 1997, p. 251–259, 284–289, 304–308.
24. Лучин Е.И. и др. Медицинская радиология. – М.: Медицина, 1985, №10, с. 8–12.
25. Биологическое действие протонов высоких энергий / под ред.  Ю.Г. Григорьева. – М.: Атомиздат, 1967, с. 15–21.
26. http://www.inp.nsk.su/~kozak/diodes/dih04.htm
27. Janny J.F. Proton Range-Energy Tables. Atomic Data and Atomic Data Tables. – Vol.27, No. 2/3, March/May, 1982. p. 339, 349.
28. Хенингер Ю. 16–85–121, ОИЯИ, Дубна, 1985, с. 11.
29. Басиладзе С.Г. Электронная регистрирующая аппаратура в стандарте КАМАК. Приборы и техника эксперимента, 1981, №2,  с. 7–21.
30. Певчев Ю.Ф., Финогенов К.Г. Автоматизация физического эксперимента: Учеб. Пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986, с. 20–27, 48–140.
31. Антюхов В.А. и др. 10–11636, ОИЯИ, Дубна, 1977, с. 10–11.
32. Антюхов В.А. и др. 10–80–650, ОИЯИ, Дубна, 1980, с. 4–5.
33. Фаронов В.В. Turbo Pascal 7.0. – М.: Нолидж, 1999, 616 с.
34. Меженный О.А. Turbo Pascal, учитесь программировать. – М.: Диалектика, 2001, 446 с.
35. Антюхов В.А. и др. Р10–87–928, ОИЯИ, Дубна, 1987, с. 4–7.
36. Белецкий Я. Turbo Паскаль с графикой для персональных компьютеров/ пер. с пол. Д.И. Юренкова. – М.: Машиностроение, 1991, с. 29 – 37.
37. Аниканов И.И. и др. ОИЯИ, 7287, Дубна, 1973, с. 13–17.
38. Калиткин Н.Н. Численные методы / под ред. Самарского А.А. – М.: Наука, 1978, с.59–63.
39. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. – 5-е изд. перераб. и доп. – М.: Высшая школа, 1998, с. 357–359.
40. Зельдович Я.Б., Мышкис А.Д. Элементы прикладной математики. – 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Наука, 1967, с. 51–56.
41. Molokanov A.G. et al. E16–93–310, JINR, Dubna, 1993, p.7–10.