Система контроля параметров протонного пучка в лучевой терапии

Из "режима контроля пучка" по нажатию любой клавиши программа  переходит в общее меню выбора необходимого режима измерений. Также  как и в меню "Звук", в общем меню возможны включение–выключение звуковой сигнализации и выход из программы. При выходе из любого режима, представленного в общем меню программа автоматически переходит в "режим контроля пучка".

 

2.4.2  Программное управление считыванием данных с детекторов.

Для автоматического управления используемыми  модулями (коммутатор, АЦП, блок синхронизации), обеспечивающих автоматическое считывание показаний детекторов, предназначена  специальная подпрограмма ReadMassive, входящая в общую программу контроля параметров протонного пучка. При использовании данной подпрограммы в оперативную память компьютера заносится массив из 32 чисел, дающий нужную нам информацию о профиле пучка (первые 28 элементов) и его пробеге в дюралюминии (последние 4 элемента).

Как  было сказано в  п. 2.3.2, на вход коммутатора, установленного в крейте КАМАК, из процедурной кабины подаются сигналы с 32–канального  интегратора. В самом начале работы подпрограммы, когда подан  сигнал начальной установки Z и снят запрет I, в коммутатор командой N(3)A(0)F(17) записывается номер первого считываемого канала.

Соответствующий полевой транзистор коммутатора открывается и  на вход АЦП поступает сигнал соответствующего канала интегратора. Затем блок синхронизации  при подаче команды N(5)A(0)F(4) посылает в АЦП сигнал запуска. После получения этого сигнала АЦП оцифровывает поступившее с коммутатора аналоговое значение напряжения с соответствующего канала интегратора и выставляет на магистраль крейта запрос на обслуживание L15. Чтобы зафиксировать появление L15 на магистрали, программе необходимо считать и проанализировать второе статусное слово в зоне регистров управления и статуса (РУС) контроллера. В 7-й бит этого 2-байтного слова выставляется сигнал L15 [35]. Поэтому после того, как статусное слово считано, посредством логического умножения [36] рассматривается наличие L15 в этом бите. Если L15=0, то снова считывается статусное слово и цикл повторяется. В данном цикле предусмотрена защита от "залипаний". При равенстве L15 нулю на протяжении 10 циклов опроса статусного слова (что занимает около 50 мкс) на блок синхронизации снова подаётся функция F(4) и цикл считывания статусного слова повторяется.

Как только L15=1 получено, в коммутатор записывается номер следующего подключаемого канала, а с выходного регистра АЦП командой N(15)A(0)F(2) считывается со сбросом оцифрованное значение показания соответствующего канала интегратора. Это значение заносится в массив в оперативную память компьютера, и программа организует считывание и оцифровку напряжения со следующего канала интегратора. Цикл продолжается до тех пор, пока не будут опрошены все 32 канала интегратора. После завершения цикла генерируется сигнал Z, и подаётся функция F(8) на блок синхронизации, чтобы он подал сигнал сброса на интегратор. Для накопления заряда на электродах используемых детекторах программа устанавливает задержку 300 млс.

Посредством такой процедуры обеспечивается полностью автоматическое считывание показаний детекторов в оперативную  память компьютера, где они подвергаются дальнейшей обработке.

 

2.4.3  Алгоритмы работы программы в различных режимах.

В п. 2.4.1 было отмечено, что в программе  посредством основного меню возможен выбор режима работы, который необходим  в зависимости от условий выполняемой  задачи. Далее будут описаны режимы, которые необходимы для работы с детекторами, используемыми в системе контроля, а также для обработки полученных от них данных.

Измерение фонового сигнала. Этот режим включается для измерения сигналов, поступающих с интегратора без прохождения через детекторы протонного пучка. Измеренные данные заносятся в файл и сохраняются на жёстком диске компьютера для того, чтобы потом можно было их в любой момент считать и вычесть из показаний детекторов во время измерения параметров пучка. Это позволяет снизить до минимума погрешности, вносимые различными токами наводки и утечки в детекторах и интеграторе.

При включении данного  режима производится усреднение показаний  по 10 измерениям и занесение полученного  суммарного массива nool, состоящего из 32 значений в файл. Затем эти показания выводятся для визуального контроля на экран компьютера в виде гистограмм, характеризующих распределение фонового сигнала по каналам детекторов. Таким образом, отрисовываются одновременно три гистограммы для отображения этого распределения по горизонтальным и вертикальным каналам ионизационной камеры (по 14 столбиков), а также 4–столбчатая гистограмма фоновых показаний диодов. Гистограммы отображаются на экране в течение 5 секунд, после чего программа выходит в основной "режим контроля пучка".

 

Калибровка ионизационной  камеры. В начале каждого сеанса облучения пациентов после включения ускорителя для вывода протонного пучка в процедурную кабину и настройки его параметров используется специальный анализатор пучка – изодозограф [37]. Миниатюрный кремниевый датчик автоматически перемещается в водном фантоме в трёх взаимно-ортогональных направлениях и измеряет относительную мощность дозы. Изодозограф устанавливается в месте облучения пациента и позволяет с большой степенью точности получать профиль протонного пучка в любом направлении, а также кривую глубинного дозового распределения.

После того, как пучок  выведен в процедурную кабину и настроен (получены плоские профили  по горизонтали вертикали, нужный пробег), для дальнейшего его контроля при помощи разработанной нами системы необходимо каким–то образом передать эту информацию о пучке в программу. Чтобы прокалибровать показания детекторов, используемых в системе контроля и расположенных на входе пучка в процедурную кабину, а не в месте облучения пациентов по показаниям изодозографа, предназначены режимы калибровки.

Вход в "режим калибровки ионизационной камеры" осуществляется через основное меню после того, как пучок уже выведен и  настроен. Вначале производится усреднение показаний каждого канала камеры по 10 измерениям и получается массив усреднённых показаний m_i. Далее, как отмечалось выше, для дальнейших вычислений необходимо вычесть из него фоновый сигнал nool, который считывается из предварительно созданного файла:

sum_i = m_i – nool_i ,  (i=1…28).    (2.1)

Затем вычисляется среднее значение показаний  для каждой плоскости: горизонтальной и вертикальной (2.2).

mean_hor =

sum_i ,

(2.2)

mean_vert =

sum_i .

Калибровочные коэффициенты для каждого направления  вычисляются следующим образом:

A_{i hor} = mean_hor / sum_i ,  (i=1…14);

(2.3)

A_{i vert} = mean_vert / sum_i ,  (i=15…28).

Таким образом, получается массив из 28 калибровочных коэффициентов для показаний ионизационной камеры, который сохраняется на жёстком диске в отдельный файл.

Из (2.3) видно, что в дальнейшем при  умножении показаний камеры (массив sum_i) на соответствующие калибровочные коэффициенты, точкой отсчёта значений, получаемых для каждой плоскости, будут средние значения mean_hor и mean_vert. Если данные с камеры будут увеличиваться или уменьшаться, то они пропорционально будут изменяться соответственно в большую или меньшую сторону относительно этих средних значений.  И после того, как профиль пучка установлен по изодозографу плоским в обоих направлениях в месте облучения пациента, калибровка камеры приведёт к тому, что измеренные при этом данные будут приняты за "идеальные". Т.е. профиль пучка с такими значениями будет расцениваться далее как плоский. Поэтому, если в дальнейшем во время облучения пациента умножать получаемые с каждого канала камеры значения на соответствующий коэффициент, то по отклонению этих значений от принятых за идеальные можно будет судить об изменении профиля пучка в режиме реального времени ("режим контроля пучка").

После вычисления калибровочных коэффициентов  программа выводит на экран гистограммы  измеренных значений для того, чтобы  можно было проверить, что калибровка прошла нормально. Затем через 5 секунд программа возвращается в основной режим.

 

Калибровка чувствительности диодов. Используемые диоды относятся к одному классу. Но при этом они всё же имеют разную чувствительность к облучению. И при прохождении через диоды излучения одинаковой интенсивности, на их выходах будет образовываться разный сигнал. Чтобы учесть эту разность, в программе контроля предусмотрен режим "калибровки чувствительности диодов".

В этом режиме показания  диодов калибруются аналогичным способом, что и показания камеры. Но условия, при которых осуществляется калибровка, немного отличаются. Во время калибровки с детали, изображённой на рис. 2.6, снимаются части 2 и 3. Если перед диодами во время прохождения через них протонного пучка отсутствуют эти части дополнительного замедлителя, то показания диодов должны лежать на начальном плато кривой Брэгга. Т.е. они должны быть практически одинаковыми, что можно видеть на рис. 2.4.

Поэтому, когда  при помощи изодозографа в месте  облучения пациента получен плоский профиль падающего пучка, и через диоды проходит излучение с одинаковой ионизирующей способностью, в программе через меню включается режим "калибровки чувствительности диодов". Сначала накапливается статистика по 10 измерениям показаний с диодов при помощи описанной выше процедуры ReadMassive. При этом вычисляется среднее значение показаний каждого диода (29–32 элементы получаемого в ReadMassive массива) за вычетом фонового сигнала, считываемого из файла:

mean_diode = (m_i – nool_i) = sum_i .  (2.4)

Затем вычисляются и заносятся в  отдельный файл калибровочные коэффициенты:

A_{i diode} = mean_diode / sum_i+28 ,  (i=1…4).        (2.5)

Из (2.4) и (2.5) видно, что при умножении показания каждого диода на соответствующий коэффициент A_{i diode}, как раз получается равное для всех диодов значение mean_diode. Таким образом, умножая в дальнейшем измеряемые показания диодов на калибровочные коэффициенты, мы учитываем разницу в чувствительности диодов.

В процессе эксплуатации системы выяснилось, что процедуру  достаточно проводить один раз в  начале цикла лечебных сеансов.

 

Режим подбора толщины дополнительного  замедлителя. В п. 2.2.3 было описано использование данного режима. Он был включён в программу для того, чтобы при необходимости можно было промерить кривую глубинного дозового распределения в дюралюминии. Потом это позволяет подобрать толщину дополнительного замедлителя, устанавливаемого перед диодами в зависимости от выбранных репперных точек на полученной кривой.

В данном режиме "on–line" каждые 1.5 секунды на экран выводятся показания диодов в виде 4–столбчатой гистограммы, а также среднее значение этих показаний. Обновление данных происходит через 1.5 секунды, потому что каждый раз набирается статистика из 5 измерений. А каждое измерение производится посредством процедуры ReadMassive, в которой предусмотрена задержка 300 млс на накопление заряда.

В каждом цикле  после того, как набрана статистика и получен массив sum_i (i=1…32) за вычетом фонового сигнала, выводимые на экран значения для диодов вычисляются по формуле:

N_{i diode} = (sum_i+28 / mean_c)× A_{i diode} × 1000 (i=1…4), (2.6)

где mean_c – среднее значение показаний со всех каналов ионизационной камеры:

mean_c = sum_i .        (2.7)

В выражении (2.6) деление показания каждого  диода на средний сигнал с камеры предназначено для того, чтобы  исключить зависимость N_{i diode} от интенсивности протонного пучка и, как следует из (1.33) предыдущей главы, получить относительное значение ионизационных потерь энергии. В данном случае мы не можем использовать средний сигнал с диодов, т.к. меняем толщину замедлителя при работе с данным режимом, меняя тем самым показания диодов. А показания камеры при этом зависят только от интенсивности падающего пучка протонов.

Умножение на калибровочный  коэффициент, считываемый из файла, учитывает чувствительность каждого  диода. Нормировка на 1000 даёт более удобное визуальное наблюдение за получаемыми числами. После того, как кривая Брэгга промерена, по нажатию любой клавиши программа переходит в основной режим.

 

Калибровка пика Брэгга и аппроксимация его полиномом 3–ей степени. После того, как проведена калибровка чувствительности диодов, и калибровочные коэффициенты занесены в файл для дальнейшего использования, возможно получение четырёх относительных значений dE/dx, характеризующих пик Брэгга. Эксперимент по определению необходимой толщины дополнительного замедлителя перед диодами был описан в п. 2.2.3. По результатам этого эксперимента перед диодами ставятся части 2 и 3 замедлителя (рис. 2.6).

Для занесения  в память компьютера 4-х значений dE/dx, которые мы примем за "идеальные", в программе предназначен "режим калибровки пика Брэгга". Потом, в основном "режиме контроля", по отклонению получаемых "on–line" значений от принятых за "идеальные" можно будет судить об изменении пробега протонного пучка в тканеэквивалентной среде – воде. Режим калибровки включается после того, как в процедурной кабине в месте облучения пациента при помощи изодозографа получен протонный пучок с необходимым спадом пика Брэгга. Например, для энергии ~170 МэВ 50% от максимума пика на спаде должно приходиться на 163 мм пробега пучка в водном фантоме. Данная характеристика пика получена на основе предварительных дозиметрических измерений.

При калибровке пика Брэгга в файл заносятся значения для диодов, вычисляемые по формуле:

N_{i bragg} = (sum_i+28 / mean_diode)× A_{i diode} × 1000 (i=1…4),  (2.8)

где mean_diode – средний сигнал с диодов:

mean_diode = sum_i+28.    (2.9)

В данном случае для того, чтобы N_{i bragg} не зависели от интенсивности падающего пучка, можно использовать деление на mean_diode, т.к. мы не меняем толщину дополнительного замедлителя во время калибровки и последующего контроля пучка. Показания диодов в данном случае менее подвержены искажениям за счёт перекоса пучка. Среднее же показание с камеры может быть искажено при изменении распределения интенсивности по сечению протонного пучка.