Способ оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии Российский патент 2023 года по МПК G01T1/02 A61N5/00 

Изобретение относится к области медицины, а именно к применяемым в онкологии методам лучевой терапии в случаях локальных новообразований.

Известно изобретение-аналог: «Нейтронный спектрометр на базе протонного телескопа» - патент от 20.08.2010 г., №2445649, МПК: G01T 3/00, (Богдзель А.А., Пантелеев Ц.Ц., Милков В.М.). Сущность изобретения заключается в том, что измерения энергетических распределений потоков нейтронов осуществляются путем измерений кинетической энергии упруго рассеянных на малые углы протонов отдачи в результате (n, р) взаимодействия в газовой водородосодержащей среде. Для достижения необходимой коллимации используется принцип снятия сигналов с анодной нити и с двух дополнительных электродов (трубок) с последующей записью многомерного амплитудного спектра в компьютере. Энергия нейтронов определяется после сортировки многомерной информации. В качестве протонной мишени используется слой газа в первой трубке, толщина и положение которого произвольно выбираются программой обработки; вторая трубка служит в качестве коллиматора протонов отдачи, а выбор минимального угла коллиматора осуществляется во время обработки информации в компьютере. Технический результат - повышение точности определения и расширения динамического диапазона при измерении энергии быстрых нейтронов. Недостаток способа заключается в том, что точность определения энергии нейтронов первичного пучка снижается в связи с погрешностью определения толщины газового слоя, который выполняет роль мишени первичного нейтронного пучка.

Известно изобретение-аналог: «Способ измерения энерговыделения от ионизирующих излучений» - патент от 10.03.2017 г., №2654838, МПК: G01T 1/38, (Сиксин В.В.). Сущность изобретения заключается 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. Технический результат - повышение точности измерения поглощенной дозы от радиотерапевтического пучка протонов в тканеэквивалентном фантоме. Недостаток способа заключается в том, что в случае сложного спектрального состава ускоренных протонов прямые измерения длины пробега частиц по пику Брэгга практически невозможны.

Известно изобретение-аналог: «Способ измерения энергетического спектра ионов» - патент от 11.09.2014 г., №2570110, МПК: H01J 49/48, (Строкин Н.А., Иванов С.Д., Казанцев А.В., Бардаков В.М.). Изобретение относится к способам, обеспечивающим анализ потоков заряженных частиц по энергиям с помощью анализатора с задерживающим потенциалом в присутствии фоновой плазмы с положительным плазменным потенциалом, и может быть использовано при изучении процессов взаимодействия при столкновениях частиц в газах и плазме, при решении плазменных задач геофизики и физики космического пространства. Изобретение обеспечивает устранение искажения энергетического спектра ионов плазменного потока в системе анализатор-плазма достигается тем, что в анализаторе с задерживающим потенциалом при фиксированном потенциале входной сетки между разделительной и анализирующей сетками создается тормозящее электрическое поле при подаче положительного потенциала величиной от нуля до величины, эквивалентной максимальной энергии в спектре анализируемых ионов, на анализирующую сетку. На разделительную сетку при этом подается также положительный потенциал величиной, превышающей положительный потенциал плазмы. В результате, ионы фоновой плазмы на коллектор не попадают, искажения энергетического спектра ионов плазменного потока в системе анализатор-плазма не происходит; доускоренные в поле плазменного потенциала ионы в промежутке разделительная сетка - входная сетка тормозятся до исходных энергий; электроны плазмы не попадают в анализатор из-за торможения в поле плазменного потенциала. Недостаток способа заключается в том, что для эффективной работы заявляемого способа требуется подача на разделительную и анализирующую сетку положительного потенциала величиной от нуля до величины, эквивалентной максимальной энергии в спектре анализируемых ионов. В операциях лучевой терапии требуются протоны с энергией более нескольких МэВ, для торможения которых необходим тормозной потенциал более нескольких мегавольт, что в лабораторных условиях реализовать практически невозможно.

Известно изобретение-аналог: «Спектрометр заряженных частиц» - авторское свидетельство SU №550884, опубликовано 05.01.1978, МПК: G01T 1/36, (Быстрицкий В.М., Котляревский Г.И., Стерлигов А.Г.). Устройство содержит последовательно расположенные металлические фольги, которые через одну подключены к накопительным конденсаторам, а расположенные между ними остальные фольги заземлены, причем неподключенные к фольгам вторые выводы конденсаторов также заземлены. Устройство работает за счет торможения импульсного пучка заряженных частиц и накопления зарядов в сигнальных фольгах. Зная заряд, накопленный на сигнальных фольгах, можно по известным соотношениям восстановить энергетический спектр заряженных частиц. Недостатком данного устройства является то, что с помощью данной схемы возможна работа только с импульсным пучком заряженных частиц. При попадании на пластины импульсно-периодического, состоящего из субнаносекундных электронных сгустков, или непрерывного пучка происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство не дает возможности проведения измерений спектра импульсно-периодического или непрерывного пучка заряженных частиц в режиме реального времени.

Известно изобретение-аналог: «Фольговый зарядовый спектрограф» - патент от 16.02.2015 №2581728, МПК: G01T 1/00, (Кузин А.Г, Савенко О.М.). Устройство содержит последовательно расположенные металлические фольги, полностью покрытые диэлектрической пленкой, и накопительные емкости, имеющие отдельные разъемы для снятия зарядовых характеристик. Известное устройство работает за счет торможения пучка ускоренных электронов и накопления заряда в фольгах. Общая толщина фольг подбирается из условия равенства экстраполированному пробегу электронов максимальной энергии. Измеренный заряд, который накапливается в фольгах, путем восстановления позволяет определить энергетический спектр пучка заряженных частиц. Каждая фольга покрыта диэлектрической пленкой. Нанесение диэлектрической пленки служит для уменьшения погрешности измерений, вызванной вторичной эмиссией электронов с фолы и наличием объемных зарядов в воздухе. Недостатком данного устройства является то, что с помощью данной схемы невозможна работа с импульсно-периодическим или непрерывным пучком заряженных частиц, так как происходит накопление зарядов на пластинах конденсаторов и растет напряжение до момента пробоя и выхода конденсатора из строя. Данное устройство также не дает возможности проведения измерений спектра заряженных частиц в режиме реального времени.

Известно изобретение-прототип: «Спектрометр заряженных частиц» - патент от 10.04.2019 г., №2707270, МПК: H01J 49/00, (Курапов Н.Н., Шориков И.В., Бодряшкин Я.В., Черкасов А.С., Тельнов А.В.). В спектрометре заряженных частиц, содержащем расположенные последовательно по ходу распространения пучка электропроводящие поглощающие элементы, изолированные друг от друга, и систему регистрации и обработки импульсов напряжения, причем суммарная толщина поглощающих элементов находится в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов. Согласно изобретению новым является то, что каждый поглощающий элемент подключен к заземляющей шине через сглаживающий интегрирующий RC-фильтр, состоящий из параллельно включенных резистора и конденсатора, при этом система регистрации и обработки подключена к незаземленному выводу резистора. Техническим результатом способа является подавление высокочастотных гармоник в регистрируемом сигнале при сохранении возможности определять распределение напряжений на поглощающих элементах с последующим восстановлением энергетического спектра заряженных частиц в режиме реального времени. Недостаток способа состоит в том, что показания спектрометра определяются суммарным зарядом частиц, остановившихся в поглощающих элементах. Пучки заряженных частиц, используемые для лучевой терапии, отличаются сравнительно низкой интенсивностью, поэтому накопление заряда требует продолжительной экспозиции, что исключает возможность оперативного мониторинга энергии заряженных частиц в процессе выполнения операций лучевой терапии.

Целью предполагаемого изобретения является оперативный мониторинг энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии.

Указанная цель достигается в заявляемом способе оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии, согласно которому по ходу распространения пучка располагают поглощающие элементы и систему регистрации и обработки импульсных сигналов, суммарную толщину поглощающих элементов выбирают в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов. Изготавливают два одинаковых диска толщиной, равной толщине поглощения частиц с максимальной энергией, с одинаковыми вырезами в форме усеченного сегмента. Совмещают диски друг с другом до совпадения вырезанных сегментов и сверлят в них сквозные отверстия вдоль линии центрированной с дисками окружности. Радиус окружности выбирают более радиуса внутренней дуги вырезанного сегмента. Диаметр сквозных отверстий выбирают много меньше длины дуги центрированной окружности в области вырезанного сегмента. Вал дисков располагают параллельно пучку на расстоянии от оси дисков до оси пучка, равном радиусу центрированной окружности. Поглощающие элементы различной толщины устанавливают в отверстиях второго диска по направлению распространения пучка. Совмещенным дискам придают вращательное движение.

Обоснование реализуемости заявляемого способа заключается в следующем. Изготавливают два одинаковых диска толщиной, равной толщине поглощения частиц с максимальной энергией. В дисках вырезают одинаковые усеченные сегменты. Диски располагаются ортогонально оси пучка заряженных частиц на пути его распространения таким образом, чтобы пучок проходил через область совмещенных вырезанных сегментов. Тем самым поддерживается штатный режим облучения заданного пораженного объекта.

Предварительно диски совмещают друг с другом до совпадения вырезанных сегментов и сверлят в них сквозные отверстия вдоль линии центрированной с дисками окружности. Радиус окружности выбирают более радиуса внутренней дуги вырезанного сегмента. Диаметр сквозных отверстий выбирают много меньше длины дуги центрированной окружности в области вырезанного сегмента. Поглощающие элементы различной толщины устанавливают в отверстиях второго диска по направлению распространения пучка. За поглощающими элементами устанавливают регистраторы, например, полупроводниковые детекторы, которые подключаются к измерительной схеме через кольцевые коллекторы, монтируемые на валу дисков.

В режиме измерения энергии заряженных частиц наличие сквозных отверстий в двух дисках позволяет регулировать площадь детекторов, подверженную воздействию пучка заряженных частиц, путем поворота первого диска относительно второго, что сопровождается частичным перекрытием сквозных отверстий. Геометрия расположения отверстий обеспечивает одинаковое изменение площади всех детекторов одновременно. Поскольку диаметр сквозных отверстий выбирают много меньше длины дуги центрированной окружности в области вырезанного сегмента, малое относительное смещение дисков практически не приводит к изменению размеров вырезанного сегмента, что не требует дополнительных перенастроек к штатному режиму облучения заданного пораженного объекта. В результате заявляемый способ может быть использован для измерения энергии пучков заряженных частиц в широком диапазоне интенсивностей, при этом динамический диапазон чувствительности детекторов остается неизменным.

Вал дисков располагают параллельно пучку заряженных частиц. Ось вращения дисков располагается на расстоянии от оси пучка, равном радиусу центрированной окружности. В режиме измерения энергии заряженных частиц совмещенным дискам придают вращательное движение. Ось пучка последовательно совпадает с центрами сквозных отверстий так, что пучок проходит через заданную последовательность поглощающих элементов и детекторов. Регистрируется соответствующая последовательность электрических сигналов, при обработке которых получается искомое энергетическое распределение заряженных частиц. После нескольких поворотов, обеспечивающих требуемый набор статистики и необходимую точность измерений, совмещенные диски останавливаются в положении вырезанного сегмента на пути пучка. Продолжается штатный режим облучения заданного пораженного объекта.

Таким образом, возможность технической реализации и положительный эффект заявляемого способа оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области медицины. Сущность изобретения заключается в том, что в процессе выполнения операций лучевой терапии изготавливают два одинаковых диска толщиной, равной толщине поглощения частиц с максимальной энергией, с одинаковыми вырезами в форме усеченного сегмента, совмещают диски друг с другом до совпадения вырезанных сегментов и сверлят в них сквозные отверстия вдоль линии, центрированной с дисками окружности, радиус окружности выбирают более радиуса внутренней дуги вырезанного сегмента, диаметр сквозных отверстий выбирают много меньше длины дуги центрированной окружности в области вырезанного сегмента, вал дисков располагают параллельно пучку на расстоянии от оси вала до оси пучка, равном радиусу центрированной окружности, поглощающие элементы различной толщины устанавливают в отверстиях второго диска по направлению распространения пучка, совмещенным дискам придают вращательное движение. Технический результат – оперативный мониторинг энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии.

Способ оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии, согласно которому по ходу распространения пучка располагают поглощающие элементы и систему регистрации и обработки импульсных сигналов, суммарную толщину поглощающих элементов выбирают в соответствии с экстраполированным пробегом заряженных частиц с максимальной энергией в материале поглощающих элементов, причем изготавливают два одинаковых диска толщиной, равной толщине поглощения частиц с максимальной энергией, с одинаковыми вырезами в форме усеченного сегмента, совмещают диски друг с другом до совпадения вырезанных сегментов и сверлят в них сквозные отверстия вдоль линии, центрированной с дисками окружности, радиус окружности выбирают более радиуса внутренней дуги вырезанного сегмента, диаметр сквозных отверстий выбирают много меньше длины дуги центрированной окружности в области вырезанного сегмента, вал дисков располагают параллельно пучку на расстоянии от оси вала до оси пучка, равном радиусу центрированной окружности, поглощающие элементы различной толщины устанавливают в отверстиях второго диска по направлению распространения пучка, совмещенным дискам придают вращательное движение.