Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Министерство образования Российской Федерации

Воронежский государственный университет

Физический  факультет

Кафедра ядерной физики

 

№          «к защите допущена»

заведующий  кафедрой ядерной физики

профессор

Кадменский С.Г.

 

 

 

Дипломная работа

 

 

"Система контроля параметров протонного пучка

в лучевой  терапии"

 

 

Исполнитель:

студент 5 курса  д/о

Карпунин В.О.

 

 Научные руководители:

  к. т. н.,

ст. науч. сотрудник МТК ОИЯИ

Мицын Г.В.

 

к. ф.–м. н.,

доц. каф. ядерной физики

Вахтель В.М.

 

 

 

 

Воронеж  2003

Содержание.

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………………………..…..5

ГЛАВА 1. Некоторые методы регистрации ионизирующих излучений в протонной терапии…………………………………………………………8

1.1. Использование газовых ионизационных детекторов при мониторинге пучка протонов в лучевой терапии………………..……8

1. Процессы, протекающие в ионизационной камере в результате действия излучения:

• Ионизация газа излучением……………………………………………..8
• Диффузия электронов и ионов.………………………….…………..10
• Рекомбинация ионов…………………………………………………..….11
• Движение носителей заряда при наличии внешнего электрического поля………………………………………………………13

2. Плоские ионизационные камеры в токовом режиме………..14

3. Измерение тока, проходящего через камеру в токовом режиме, по потенциалу на внешнем резисторе…………………....17
4. Многопроволочные ионизационные камеры…………….…..…19
5. Системы контроля пучка, используемые в различных центрах протонной лучевой терапии:

• Автоматическая контрольно–регулирующая система с двойной обратной связью………………..………………………………20
• Трёхмерный детектор на основе стриповой плоскопараллельной ионизационной камеры………………..……22
• Метод графических плёнок………………..…………………………..23

 

1.2. Полупроводниковые детекторы для регистрации ионизирующего излучения………………..…………………………………25

1.2.1. Электропроводность в полупроводнике………………..…………25

1.2.2. Возможность измерения интенсивности излучения и ионизационных потерь энергии при помощи полупроводниковых приборов………………..…………………………..27

1.2.3. Процесс образования свободных носителей в полупроводнике под действием ионизирующего излучения…..28

1.2.4. Рекомбинационные явления в объёме полупроводникового прибора………………..………………………………………………………….29

1.3. Интегрирование сигнала с целью измерения заряда, образованного ионизирующим излучением………………..………….30

 

ГЛАВА 2. Система контроля профиля пучка и изменения кривой глубинного дозового распределения………………..…………….32

2.1. Контроль симметрии профиля протонного пучка при облучении пациентам………………..………………………………………………………..33

2.1.1. Обоснование выбора многопроволочной ионизационной камеры в качестве монитора профиля пучка протонов…………33

2.1.2. Устройство и работа используемой многопроволочной ионизационной камеры:

• Устройство ионизационной камеры, используемой в системе………………..………………………………………………………..34
• Образование сигнала на выходах камеры………………..……...35

 

2.2. Контроль изменения пробега протонного пучка при помощи полупроводниковых диодов………………..………………………………..36

2.2.1. Обоснование выбора полупроводникового диода для измерения линейных потерь энергии пучка протонов…………………………………………………………………………..36

2.2.2. Методика контроля изменения пробега протонного пучка по показаниям полупроводниковых диодов………………..…………….37

2.2.3. Определение толщины дополнительного замедлителя перед диодами………………..………………………………………………………….40

 

2.3. Аппаратная обработка сигналов с ионизационной камеры и с полупроводниковых диодов………………..………………………………..42

2.3.1. Аппаратная обработка сигналов с ионизационной камеры и с полупроводниковых диодов………………..……………………………..42

2.3.2. Использование модулей КАМАК в системе контроля протонного пучка:

• Краткое описание аппаратуры и принципа работы системы КАМАК………………..…………………………………………….43
• Использование модулей КАМАК при обработке сигналов с интегратора………………..………………………………………………...44

 

2.4. Компьютерная обработка показаний детекторов и их визуализация………………..……………………………………………………46

2.4.1. Структура программы, используемой в системе контроля протонного пучка………………..………………………………………………46

2.4.2. Программное управление считыванием данных с детекторов………………..……………………………………………………….48

2.4.3. Алгоритмы работы программы в различных режимах:

• Измерение фонового сигнала………………..……………………….49
• Калибровка ионизационной камеры………………..……………….50
• Калибровка чувствительности диодов………………..…………51
• Режим подбора толщины дополнительного

замедлителя………………..…………………………………………………53

• Калибровка пика Брэгга и аппроксимация его полиномом   3–ей степени………………..………………………………………………..54
• Совместная калибровка ионизационной камеры и пика Брэгга………………..………………………………………………………….57

2.2.4. Контроль параметров протонного пучка в режиме реального времени:

• Работа программы при нормальных параметрах пучка…….57
• Фиксирование перекоса профиля пучка протонов……………..59
• Вычисление изменения пробега протонного пучка……………60

 

2.3. Экспериментальная оценка потерь ионизационного тока на диффузию и рекомбинацию в используемой ионизационной камере.

• Метод экстраполяции показаний ионизационной камеры…63
• Определение коэффициента собирания заряда………………64

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………………………………………….…….66

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………………………………………………68

 

 

 

 

Введение.

В настоящее  время смертность от онкологических заболеваний занимает второе место  в мире после смертности от сердечно–сосудистых  болезней.  В России ежегодно из каждых ста тысяч заболевает раком около трехсот человек, и этот показатель с каждым годом устойчиво растет [1]. В Воронежской области [2] ежегодно регистрируется около 7000 больных с впервые в жизни установленным диагнозом этой болезни, и около 4000 из них нуждается  в лучевой терапии.

На сегодняшний день одним из наиболее эффективных направлений  в радиологии является использование протонных пучков высоких энергий (70–200 МэВ). Мировой клинический  опыт протонной лучевой терапии как онкологических, так и доброкачественных патологических структур насчитывает свыше 30 тысяч пациентов и убедительно доказывает преимущества лучевой терапии на пучках этих частиц.

 Очевидным  преимуществом протонной терапии  является то, что пучки протонов  высоких энергий благодаря своим  особым физическим свойствам  дают чрезвычайно выгодное для  лучевой терапии пространственное  распределение глубинных доз.  Это распределение характеризуется относительно небольшими дозами на поверхности тела пациента и ограниченным, узким, но высоким дозовым максимумом в конце пробега (пик Брэгга), с возможностью варьирования в широких пределах его глубины проникновения в ткани и протяженности вершины. Следующим преимуществом является слабое боковое рассеяние и крутое падение дозы в конце пробега этих частиц за пиком Брэгга [3].

  Указанные особенности протонного  излучения создают уникальную  возможность концентрировать высокие  дозы в мишени без опасности повреждения здоровых тканей, окружающих мишень. Эти преимущества особенно проявляются при облучении мишеней сложной пространственной конфигурации и являются решающими при облучении патологических структур, расположенных в непосредственной близости к жизненно важным структурам и органам (например, внутричерепные мишени), где обычные методы либо вообще неприемлемы, либо дают недостаточно хорошие результаты.

Получаемое  уникальное для каждого пациента дозовое распределение в области  облучаемых патологических структур очень чувствительно к изменению параметров используемого протонного пучка. Поэтому, чтобы наиболее полно использовать все преимущества протонной терапии, необходима постоянная верификация системы транспортировки пучка протонов от ускорителя к пациенту. Как правило, она осуществляется путём сравнения в режиме реального времени основных параметров протонного пучка, установленных перед облучением пациента, и тех же параметров во время сеанса терапии.

Отсутствие  контроля изменения параметров протонного пучка в режиме "on–line" во время облучения пациента может повлечь за собой неконтролируемое изменение необходимого для лечения пространственного дозового распределения. При этом интегральная доза на опухоль при облучении не будет соответствовать предварительно рассчитанной в программе планирования, что может сильно снизить качество лечения и привести к нежелательным для здоровья пациента последствиям.

Целью данной работы явилось создание в Медико–техническом комплексе Объединённого института ядерных исследований г. Дубна компьютеризированной системы контроля параметров протонного пучка в режиме реального времени, а также обеспечивающего её работу программного обеспечения. Основой для создания системы явились приборы:

• установленная на входе протонного пучка в процедурную кабину многопроволочная ионизационная камера, предназначенная для контроля горизонтального и вертикального профилей пучка;
• полупроводниковые диоды, как датчики ионизационных потерь энергии пучка при прохождении его через вещество;
• интерфейс КАМАК для связи измерительных приборов с компьютером;
• компьютер для обработки и визуализации получаемых данных.

В соответствии с поставленной целью в процессе дипломной работы должны были быть решены следующие задачи:

• применение многопроволочной ионизационной камеры для контролирования перекоса профиля протонного пучка;
• применение полупроводниковых диодов в качестве датчиков изменения пробега протонного пучка в веществе;
• связь используемых приборов с компьютером;
• создание многорежимной пользовательской программы, обеспечивающей автоматический съём информации с используемых приборов, её обработку и визуализацию.

В первой главе дипломной работы рассматривается возможность использования газовых ионизационных детекторов и полупроводниковых диодов при мониторинге пучка протонов в лучевой терапии, а также процессы, приводящие к возникновению сигнала на выходе детекторов при прохождении через них излучения и основные аспекты обработки этого выходного сигнала. Проводится детальный обзор некоторых систем и методов контроля параметров пучка, используемых в других центрах протонной лучевой терапии.

Вторая  глава посвящена обоснованию выбора и описанию приборов, используемых в разработанной системе контроля протонного пучка: многопроволочной ионизационной камеры и полупроводниковых диодов 2Д212а. Приводится разработанная методика контроля перекоса профиля протонного пучка при помощи используемой ионизационной камеры, а также изменения пробега пучка в воде при помощи четырёх полупроводниковых диодов. При помощи компьютерного моделирования обосновывается использование в системе именно 4 полупроводниковых диодов для контроля изменения пробега пучка. Даётся описание аппаратной обработки сигналов с камеры и диодов при помощи 32–канального интегратора и интерфейса КАМАК, алгоритма управления и автоматизации съёма данных с используемых приборов. Далее рассматривается методика обработки и визуализации получаемых данных, реализованная в многорежимной пользовательской компьютерной программе. Приводятся данные о протонном пучке, полученные при помощи этой программы, а также примеры работы программы в различных режимах. В последней части второй главы описывается эксперимент по оценке потерь информации о профиле контролируемого протонного пучка из-за диффузионных и рекомбинационных явлений в объёме ионизационной камеры.

В заключении представлены результаты работы над созданием системы контроля параметров протонного пучка.

Глава 1. Некоторые методы регистрации ионизирующих излучений в лучевой терапии.

 

1.1 Использование газовых ионизационных детекторов при мониторинге пучка протонов в лучевой терапии.