АДАПТИВНЫЙ АЛГОРИТМ ВАЛИДАЦИИ ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТОНКОГО СКАНИРУЮЩЕГО ПРОТОННОГО ПУЧКА В ОБЛАСТИ ПРОТОННОЙ ТЕРАПИИ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ ЗАБОЛЕВАНИЙ Российский патент 2023 года по МПК A61N5/10 

Адаптивный алгоритм валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний.

Адаптивный алгоритм валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний относится к области медицины, в частности к детектированию ионизирующего излучения протонного пучка, и используется при проверке дозиметрической модели тонкого сканирующего пучка, что влияет на повышение точности подведения терапевтической дозы и качества лечения пациентов.

Из патента RU 2654838, опубл. 22.05.2018, известен способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений в тканеэквивалентном фантоме, заключающийся в том, что измерение энерговыделения от ионизирующих излучений осуществляется прямым измерением длины пробега частиц по пику Брэгга для определения поглощенной дозы из расчетного соотношения пробег-энергия при визуализации свечения области энерговыделения матричным телевизионным ПЗС фотоприемником с оптикой сопряжения, используя режимы объединения пикселей и сложения телевизионных кадров.

Из патента на изобретение RU 2684567 C2 «Способ реконструктивного дозиметрического контроля в протонной терапии сканирующим пучком», опубл. 09.04.2019, осуществляется лишь проведение реконструктивного контроля подводимой дозы в очаг поражения и оценка возможных реакций со стороны кожных покровов в процессе протонной терапии сканирующим пучком, что также в не полной мере отражает возможности валидации дозиметрической модели.

Наиболее близким является способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии, известный из патента RU 2747365 C1 «Способ его осуществления», опубл. 04.05.2021, который применяется для практической дозиметрии при определении поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме для медицинских целей, в частности, к протонной терапии для облучения сканирующим «карандашным пучком» небольших патологических очагов с большой конформностью подведения большой дозы к области патологического очага по координате и дозе.

К недостаткам указанного способа относится измерение лишь одного показателя - допустимых значений плотности интенсивности пучка путем измерения ширины пика Брэгга с помощью падовых камер на «теплой жидкости», установленных перед больным и за последним сканирующим магнитом и глубины пика Брэгга посредством устройства измерения энерговыделения от ионизирующих излучений, установленном на месте пациента, с возможностью его последующего отвода от оси пучка при облучении пациента, количественное сравнение измеренных параметров плотности интенсивности с допустимыми значениями, и отключение пучка при отклонении параметров от допустимых значений.

Технический результат – возможность проверки дозиметрической модели на соответствие требованиям в отношении воспроизводимого излучения сканирующего протонного пучка.

Технический результат обеспечивается тем, что применяются дозиметрические тесты с оптимизированными условиями выполнения разных приоритетных групп для реализации задачи сравнения корректности воспроизведения клинических полей на аппарате протонной терапии в рамках валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии,

при этом в адаптивный алгоритм входят тесты с разной приоритетностью, разделенные на две группы,

причем первая группа состоит из двух обязательных тестов, и вторая группа тестов, это тесты, являющиеся обязательными именно при первом вводе в эксплуатацию системы планирования протонной терапии тонкого протонного пучка,

а первый тест первой приоритетной группы, это тест на определение профиля распределения дозы протонного излучения на разных интересующих глубинах в фантоме из твердой воды и матрицы детекторов с изменением количества твердой воды, расположенной на матрице детекторов, тем самым моделируя измерения профиля распределения дозы на разных глубинах относительно поверхности фантома,

а второй тест первой приоритетной группы, это оптимизированный тест на получение данных одновременно глубинного распределения дозы протонного излучения и абсолютной поглощенной дозы протонного излучения на интересующих глубинах,

при том измерения абсолютной дозы и глубинных дозовых распределениях протонного излучения последовательно производят в фиксированных положениях ионизационной камеры на разных глубинах относительно поверхности воды в водном фантоме, одновременно получая данные об абсолютной дозе и в завершении теста данные о глубинных дозовых распределениях протонного излучения,

причем вторая приоритетная группа состоит из двух тестов,

а первый тест второй приоритетной группы, это тест для определения корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, такие как 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ в экстремальных положениях по осям X и У с помощью детектора Lynx, в зависимости от изменения положения системы доставки пучка, называемого нозлом, в восьми положениях, таких как 0 градусов, 45 градусов, 90 градусов, 135 градусов, 180 градусов, 225 градусов, 270 градусов, 315 градусов, с креплением детектора Lynx непосредственно на систему доставки протонного пучка, что позволяет произвести измерения при указанных углах системы доставки пучка,

а второй тест второй приоритетной группы, это тест определения корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, такие как 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ с отдалением и приближением детектора Lynx от нозла относительно изоцентра на 20 см, на 10 см и в позиции изоцентра, с помощью роботизированного стола, на котором располагается непосредственно детектор Lynx,

при этом последовательное логическое использование тестов первой и второй группы в адаптивном алгоритме валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний обеспечивает оптимизацию процесса сбора данных для валидации дозиметрической модели протонного пучка.

Существенными признаками, характеризующими адаптивный алгоритм валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний:

А. в рамках оптимизированного теста на получение данных одновременно глубинного распределения дозы протонного излучения и абсолютной поглощенной дозы протонного излучения на интересующих глубинах:

• установка облучающей головки системы протонной терапии под углом 0 градусов;

• размещение на терапевтическом столе системы протонной терапии водного фантома, который включает в себя емкость с водой, моторизированную каретку для фиксации ионизационной камеры на разных заданных глубинах фантома, плоскопараллельную ионизационную камеру, подключенную к электрометру, который позволяет получать данные об абсолютой дозе и программного обеспечения, с помощью которого возможен контроль положения ионизационной камеры на различных глубинах в водном фантоме;

• таким образом, чтобы водная поверхность фантома совпадала с горизонтальным лазером, указывающим положение изоцентра по оси Z системы доставки пучка, а перекрестие лазеров указывающим положение изоцентра по осям X и Y;

• при этом позиционировнае поверхности ионизационной камеры производится по водной поверхности фантома таким образом, чтобы водная поверхность и поверхность ионизационной камеры была в одной плоскости;

• выдвижение ионизационной камеры над водной поверхностью на величину водоэквивалентной толщины используемой плоскопараллельной ионизационной камеры;

• подключение ионизационной камеры с помощью сетевого кабеля к электрометру, который позволяет получить данные о заряде в Кл;

• размещение ионизационной камеры на заданной глубине в водном фантоме;

• получение данных.

В. в рамках теста на определение профиля распределения дозы протонного излучения на разных интересующих глубинах в фантоме из твердой воды и матрицы детекторов с изменением количества твердой воды:

• установка облучающей головки системы протонной терапии под углом 0 градусов;

• размещение на терапевтическом столе системы протонной терапии фантома, который включает в себя пластины «твердой воды», расположенной на матрице детекторов, подключенной к компьютеру со специализированным ПО, который позволяет получать данные об дозовом распределении;

• таким образом, чтобы отметка о эффективной точке сбора заряда совпадала с горизонтальным лазером, указывающим положение изоцентра по оси Z системы доставки пучка, а перекрестие лазеров указывающим положение изоцентра по осям X и Y пересекались с отметками на поверхности матрицы детекторов;

• размещение необходимого количества пластин «твердой воды» на матрице детекторов;

• облучение фантома с использованием различных энергий протонного излучения, согласно подготовленному дозиметрическому плану;

• получение дозиметрических данных.

C. В рамках теста для определения корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, такие как в экстремальных положениях по осям X и У, в зависимости от изменения положения системы доставки пучка:

• установка облучающей головки системы протонной терапии под углом в 270 градусов;

• размещение на облучающей головке системы протонной терапии дозиметрического детектора Lynx по средствам специализированного крепежного устройства, таким образом что бы поверхность детектора была перпендикулярна пучку протонов;

• подключение детектора Lynx к специализированному ПО по средствам сетевого кабеля;

• получение дозиметрических данных для энергий протонного излучения 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ в каждом из положений облучающей головки, таких как 0 градусов, 45 градусов, 90 градусов, 135 градусов, 180 градусов, 225 градусов, 270 градусов, 315 градусов.

D. в рамках теста определения корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, с отдалением и приближением детектора Lynx от нозла относительно изоцентра и в позиции изоцентра, с помощью роботизированного стола:

• установка облучающей головки системы протонной терапии под углом в 270 градусов;

• установка облучающей головки системы протонной терапии под углом в 270 градусов;

• размещение на терапевтическом столе системы протонной терапии дозиметрического детектора Lynx, таким образом, чтобы поверхность детектора была перпендикулярна пучку протонов;

• подключение детектора Lynx к специализированному ПО по средствам сетевого кабеля;

• получение дозиметрических данных для энергий протонного излучения 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ в каждом из положений терапевтического стола системы протонной терапии, таких как с приближением на 20 см и 10 см, а также приближением на 20 см и 10 см относительно изоцентра и в позиции изоцентра детектора Lynx, с помощью роботизированного стола, на котором располагается непосредственно детектор Lynx.

Сущность предложенного адаптивного алгоритма валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний поясняется следующими фигурами:

На фиг. 1 представлено схематическое изображение матрицы детекторов с фантомом из «твердой воды», где 1 - направление протонного пучка; 2 - пластины «твердой воды»; 3 - матрица детекторов.

На фиг. 2 представлено схематическое изображение водного фантома и плоскопараллельной ионизационной камеры, где 1 - направление протонного пучка; 4 - плоскопараллельная ионизационная камера; 5 - водный фантом; 6 - водо-эквивалентная толщина.

На фиг. 3 представлено схематическое изображение установки сцинтилляционного детектора на системе доставки протонного пучка и схема местоположения слотов в карте облучения, где А - положение плоскости детектора в изоцентре; Б и В - расположение слотов протонного облучения в зависимости от максимальной величины поля.

На фиг. 4 представлено схематическое изображение установки сцинтилляционного детектора на терапевтическом столе с положениями измерений, где 1 - направление протонного пучка

Таким образом, разработанный адаптивный алгоритм валидации дозиметрической модели тонкого сканирующего протонного пучка в области протонной терапии онкологических заболеваний, позволяет:

• Получать оптимизированный объем дозиметрических данных, по средствам введения первой и второй групп приоритетности;

• получать данные о характеристиках профиля протонного излучения по разных глубинах с применением матрицы детекторов;

• Получать данные одновременного о значениях абсолютной дозы протонного излучения на различных глубинах и данные о глубинном распределении дозы протонного излучения;

• Получать данные о положениях слотов протонов с энергиями 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ в экстремальных положениях по осям X и У в каждом из положений облучающей головки, таких как 0 градусов, 45 градусов, 90 градусов, 135 градусов, 180 градусов, 225 градусов, 270 градусов, 315 градусов;

• Получать данные о положениях слотов протонов с энергиями 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ в каждом из положений терапевтического стола системы протонной терапии, таких как с приближением на 20 см и 10 см, а также приближением на 20 см и 10 см относительно изоцентра и в позиции изоцентра детектора.

Изобретение относится к области дозиметрии. Способ тестирования фантома, облученного тонким сканирующим протонным пучком для терапии онкологических заболеваний, содержит два этапа осуществления дозиметрических тестов, при этом на первом этапе осуществляют определение корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения с помощью детектора Lynx в зависимости от изменения положения системы доставки пучка, называемого нозлом, в восьми положениях, с креплением детектора Lynx непосредственно на систему доставки протонного пучка, на втором этапе осуществляют определение корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения с отдалением и приближением детектора Lynx от нозла относительно изоцентра и в позиции изоцентра, с помощью роботизированного стола, на котором располагается непосредственно детектор Lynx, по результатам указанных двух этапов судят о соответствии дозиметрической модели допустимым значениям плотности интенсивности сканирующего пучка. Технический результат – возможность проверки дозиметрической модели на соответствие требованиям в отношении воспроизводимого излучения сканирующего протонного пучка. 4 ил.

Способ тестирования фантома, облученного тонким сканирующим протонным пучком для терапии онкологических заболеваний, содержащий два этапа осуществления дозиметрических тестов, отличающийся тем, что

на первом этапе осуществляют определение корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, таких как 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ, в экстремальных положениях по осям X и У с помощью детектора Lynx, в зависимости от изменения положения системы доставки пучка, называемого нозлом, в восьми положениях, таких как 0 градусов, 45 градусов, 90 градусов, 135 градусов, 180 градусов, 225 градусов, 270 градусов, 315 градусов, с креплением детектора Lynx непосредственно на систему доставки протонного пучка,

на втором этапе осуществляют определение корректности положения слотов тонких протонных пучков с использованием пяти энергий протонного излучения, таких как 226 МэВ, 195 МэВ, 165 МэВ, 135 МэВ и 100 МэВ, с отдалением и приближением детектора Lynx от нозла относительно изоцентра на 20 см, на 10 см и в позиции изоцентра, с помощью роботизированного стола, на котором располагается непосредственно детектор Lynx,

по результатам указанных двух этапов судят о соответствии дозиметрической модели допустимым значениям плотности интенсивности сканирующего пучка.