Способ оперативного формирования распределенной поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии Российский патент 2024 года по МПК G01T1/29 A61N5/10 

Изобретение относится к области управления пучком моноэнергетических протонов при проведении операций лучевой терапии и обеспечивает пространственное перемещение области максимальной поглощенной дозы в облучаемых объектах.

Известно изобретение - аналог: «Передвижное устройство для электронно-лучевой терапии и лечебный комплекс для электронно-терапии» - патент от 30.10.1995 г., №2142827, МПК: A61N 5/01, Н05Н 9/00, H01J 37/30, (Шонберг Расселл Дж., Хэйнес Рональд И., Хэйнес Стефен И. (US), Вэит Джером М., Поллажек Мэри Л.М.). Устройство электронно-лучевой меет линейный ускоритель, источник микроволновой энергии и электронные схемы, размещенные в корпусе. Корпус установлен на механизме регулируемой установки, например на С-образном кронштейне для направления электронного пучка в определенную область пациента. Весь корпус вместе с механизмом передвижной и может доставляться в различные помещения. Соединители предусмотрены в различных помещениях лечебного комплекса для присоединения источника к источнику питания лечебного комплекса. Технический результат - улучшение массогабаритных показателей. Недостаток способа состоит в том, что генерируемый линейным ускорителем поток заряженных частиц вызывает в облучаем объекте и в окружающих его непораженных тканях практически одинаковые уровни поглощенной дозы, что наносит дополнительный вред организму.

Известно изобретение - аналог: «Способ формирования дозных полей при лучевой терапии» - патент от 10.01.1998 г., №2101048, МПК: А61В 6/00, (Российско-американское совместное предприятие "МЕГА-ФОРАТЕК СИСТЕМЗ"). Способ заключается в том, что формируют визуальное представление параметров фазного поля на носителе информации в виде ограниченных изодозами замкнутых непересекающихся областей, вводят, обрабатывают информацию и управляют перемещением луча и дозой облучения программно, по определенному закону, каждой области, ограниченной изодозой, присваивают постоянное значение параметра дозы облучения и визуально выделяют эти области. Дополнительно перемещением луча и дозой управляют по закону сглаживания ступенчатой кривой, а при пересечении линии изодозы ее изменяют дискретно. Ограниченные изодозами области выделяют определенным цветом. Облучение может быть проведено лазером, при этом носителем информации может быть поверхность объекта лучевого воздействия. Недостаток способа состоит в том, что он применим только для лечения объектов, расположенных на поверхности тела, либо в непосредственной близости от нее.

Известно изобретение - аналог: «Устройство для формирования дозных полей» - патент от 21.12.2000 г., №2192901, МПК: А 61 N 5/00, (Зудин Ю.В.). Устройство содержит источник излучения, привод перемещения источника по осям ротации и эксцентричности, управляющее устройство. Управляющее устройство содержит программатор, синусно-косинусный вращающийся трансформатор, тахогенератор, трансформатор, регулятор напряжения, усилители. Повышение степени однородности в различных протяженных мишенях достигается управлением параметрами, обеспечивающими заданный вклад дозы по формируемой длине. Устройство обеспечивает увеличение равномерности протяженного дозного поля, а также более высокий градиент дозы на ее границах без увеличения расстояния источник - поле и без перемещения пациента. Это исключает риск пере- или недооблучения на границах соседних полей, образования краевой полутени, а также необходимость изготовления и применения узкоспециализированного устройства. Недостатком устройства является наличие механического привода управления положением источника излучения, а также отсутствие градиентов дозного поля на границах облучаемый объект - непораженная ткань по направлению действия пучка ионизирующего излучения.

Известно изобретение - аналог: «Способ лучевой терапии» - патент от 29.01.2001 г., №2209643, МПК: A61N 5/10, (Тултаев А.В., Черняев А.П.). Способ заключается в облучении объекта, по крайней мере, одним направленным пучком электронов или фотонов в диапазоне энергий от 0,1 до 100 МэВ, изменении распределения дозы ионизирующего излучения в облучаемом объекте путем наложения в области объекта облучения перпендикулярно направлению облучения магнитного поля от 1 до 10 Тл. Может быть использовано как постоянное магнитное поле, так и импульсное магнитное поле длительностью от 0,1 до 1,0 мкс. Как указано в описании патента, техническим результатом является повышение эффективности облучения пучками фотонов и электронов объекта, которым является опухоль, и уменьшение облучения здоровых тканей за счет уменьшения дозовой нагрузки на ткани. Недостаток способа заключается в том, что создание достаточно сильного локального магнитного поля в области облучаемого объекта является технически сложной задачей и снижает экономическую эффективность лечения в связи с затратами на создание дополнительного технического оборудования и его юстировку. К тому же, при облучении пучком гамма-квантов (фотоны с энергией более 100 кэВ) наложение магнитного поля до 10 Тл не приведет к значительным градиентам в распределении вторичных электронов, ответственных за формирование полей поглощенной дозы. Поэтому уменьшение облучения здоровых тканей за счет уменьшения дозовой нагрузки будет соизмеримо с погрешностью дозиметрии.

Известно изобретение - аналог: «Способ лучевого лечения больных злокачественными лимфомами» - патент от 27.07.2004 г., №2278707, МПК: A61N 5/10, (Богатырева Т.И.). Способ заключается в том, что проводят химиотерапию и/или мультифракционированное облучение, ежедневно двумя фракциями, при этом проводят разнообъемное облучение в течение 12 дней, СОД 16-20 Гр с заданной посредством регулятора мощностью дозы 0,18-0,22 Гр/мин, причем одной фракцией через крупное поле осуществляют системное облучение региона распространения опухоли, а другой фракцией спустя репарационный период в 4,5-6 часов облучают локально вовлеченные в процесс лимфатические узлы и клинически подтвержденные очаги поражения до суммарной очаговой дозы 22-24 Гр при разовой очаговой дозе 1,4-1,6 Гр, а во время репарационного периода больному проводят лекарственную сенсибилизацию. Способ позволяет повысить частоту безрецидивного течения болезни за счет изменения топологии лучевого воздействия на локорегионарные проявления химиорезистентных форм лимфомы при одновременном снижении суммарной очаговой дозы облучения. Недостаток способа состоит в том, что его применяют в случаях достаточно неопределенной локализации вовлеченных в процесс лимфатических узлов и клинически подтвержденных очагов поражения.

Известно изобретение - аналог: «Система лучевой терапии заряженными частицами, способ построения системы лучевой терапии заряженными частицами и устройство лучевой терапии заряженными частицами» - патент от 25.02.2019 г., №2755382, МПК: A61N 5/1049, A61N 5/1079, A61N 5/1081, G21F 7/00, G21F 7/005, (НАГАМОТО, Есифуми (JP), КАНАИ, Есихару (JP), ЯДЗАВА, Такаси (JP)). Система лучевой терапии заряженными частицами содержит кольцевой ускоритель для ускорения заряженных частиц, линию транспортировки пучка для направления заряженных частиц, ускоренных кольцевым ускорителем, в процедурный кабинет; защитную стену, которая расположена вокруг радиационной зоны контроля, в которой расположен кольцевой ускоритель и линия транспортировки пучка и которая блокирует излучение, исходящее от кольцевого ускорителя и линии транспортировки пучка, участок, который выполнен в месте, отделяющем пространство снаружи защитной стены от радиационной зоны контроля, и способен образовывать дополнительное отверстие процедурного кабинета, и блокирующую часть для блокирования особого участка и блокирования излучения, проходящего через особый участок. Группа изобретений позволит увеличить коэффициент использования путем сокращения периода строительства, во время которого прерывают лечение. Недостатком изобретения является отсутствие сведений о характеристиках линии транспортировки пучка в области его взаимодействия с объектом облучения.

Вопросы моделирования профилей поглощенной дозы в исследуемых объектах при облучении пучками ускоренных протонов, в том числе, в интересах лучевой терапии неоднократно обсуждались в работах отечественных и зарубежных авторов. Аналогом предполагаемого изобретения является работа [Bortfeld Т., Schlegel W. - An Analytical Approximation of Depth-Dose Distributions for Therapeutic Proton Beams, Phys. Med. Biol., 1996, v. 41, p. 1331-1339)], в которой предложен способ моделирования требуемых профилей поглощенной дозы в области объекта лечения посредством подбора формы спектра протонов воздействующего пучка. Однако техническая реализация этого способа связана с изменением режима ускорения частиц, в процессе облучения и представляет техническую сложность.

Известно изобретение - прототип: «Пучковые устройство, система и комплекс ионно-лучевого наноинвазивного низкоэнергетического воздействия на биологические ткани и агломераты клеток, с функциями впрыска и мониторирования» - патент от 26.06.2019 г., №2724865, МПК: A61N 5/00, В82 В 1/00, (Теркин С.Е., Полянский В.В., Ермилов А.С., Теркин B.C.). Пучковое устройство лучевой терапии (ПУЛТ) избирательно воздействует ориентированно на опухоль или другую патологию пучком заряженных частиц, сформированным в виде прецизионно сфокусированных банчей с обеспечением минимального воздействия на окружающие опухоль здоровые ткани, причем генерацию заряженных частиц осуществляют с помощью возбуждающего многоканального генератора низкоэнергетических ионов на основе высокочастотного лазера, направленного на многослойную структурированную мишень-излучатель заряженных частиц, расположенную в концевой части пучкового устройства лучевой терапии (ПУЛТ), которое неинвазивным методом воздействует на опухоль или другую патологию. Основными элементами системы, пучкового комплекса, являются перемещаемый инструмент воздействия на опухоль, выполненный в виде ПУЛТ, генерирующего банчи заряженных частиц; лазер генератора низкоэнергетических ионов и емкость с вводимым препаратом активно действующего вещества под низким давлением. Недостатком устройства является наличие механической системы перемещения инструмента воздействия на опухоль, что исключает возможность оперативного формирования требуемых распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии.

Целью предполагаемого изобретения является оперативное формирование распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии.

Указанная цель достигается в заявляемом способе оперативного формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии, согласно которому объект облучают пучком моноэнергетических протонов. Пучок протонов направляют к облучаемому объекту через диск-поглотитель из тканеэквивалентного материала. В диске-поглотителе изготовляют кольцевую проточку переменной глубины и пропускают через нее пучок протонов. Ориентируют диск-поглотитель стороной с проточкой навстречу пучку протонов. Минимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя и ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале. Максимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя, ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта и толщины облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале. Диск-поглотитель вращают в режиме воспроизведения требуемого распределения поглощенной дозы.

Обоснование реализуемости заявляемого способа заключается в следующем.

Распределение поглощенной дозы моноэнергетических протонов в облучаемых материалах имеет форму Брегговского пика. На фигуре 1 представлено распределение поглощенной дозы в полистироле при облучении протонами с энергией 21,4; 45,8 и 138 МэВ в направлении по нормали к поверхности образца. Сплошными линиями показаны данные расчета [Yakovlev M.V. - A neutron detector that is insensitive to attendant y-rays, Instruments and Experimental Techniques. 2017. т. 60. №6. с. 771-774]. Треугольниками обозначены данные экспериментов [Tanner R.N., Baily N.A. - Radiation Research, v. 32, p. 861, 1967]. Данные расчета и эксперимента удовлетворительно согласуются. Из представленных на фигуре 1 данных следует, что на расстоянии более пробега моноэнергетических протонов поглощенной дозой излучения можно пренебречь. В области Брегговского пика поглощенная доза протонов до 4-5 раз превышает соответствующие значения поглощенной дозы на предшествующих участках их пробега, поэтому положение Брегговского пика определяет область максимума поглощенной дозы. Перемещение Брегговского пика в конкретном временном режиме позволяет формировать заданные распределения поглощенной дозы внутри облучаемого объекта.

Согласно заявляемому способу перемещение Брегговского пика по толщине облучаемого объекта выполняют за счет пропускания пучка моноэнергетических протонов через кольцевую проточку переменной глубины в диске-поглотителе. Непрерывное вращение диска-поглотителя обеспечивает повторные циклы сканирования облучаемого объекта Брегговским пиком протонного пучка. Изготовление диска-поглотителя из тканеэквивалентного материала рекомендуется для удобства проведения расчетных оценок толщины диска-поглотителя и глубины кольцевой проточки при использовании зависимости «пробег-энергия» ускоренных протонов.

Минимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя и ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале. Максимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя, ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта и толщины облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале. Выбранные значения минимальной и максимальной глубины кольцевой проточки ограничивают область сканирования облучаемого объекта от тыльной до фронтальной поверхности.

Диск-поглотитель вращают в режиме воспроизведения требуемого распределения поглощенной дозы. Так, например, при постоянной угловой скорости вращения диска-поглотителя и линейной зависимости глубины проточки от ее длины распределение поглощенной дозы в облучаемом объекте будет равномерным. Снижение скорости вращения приводит к увеличению дозовых нагрузок в определенных участках облучаемого объекта. Таким образом, при проведении операций лучевой терапии выбор режима вращения позволяет воспроизводить требуемое распределение поглощенной дозы в облучаемом объекте. При сканировании Брегговским пиком облучаемого объекта дозовые нагрузки в окружающих его здоровых тканях будут снижены до нескольких раз.

Изменение энергии ускоренных частиц с использованием собственных систем ускорителя для сканирования облучаемого объекта связано с доработкой этих систем и требует значительных финансовых затрат. В этом отношении применение диска-поглотителя с кольцевой проточкой переменной глубины отличается оперативностью исполнения и не требует значительных затрат, что свидетельствует о положительном эффекте заявляемого способа.

Таким образом, возможность технической реализации и положительный эффект заявляемого способа оперативного формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области лучевой терапии. Способ оперативного формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии содержит этапы, на которых в диске-поглотителе изготовляют кольцевую проточку переменной глубины и пропускают через нее пучок протонов, ориентируют диск-поглотитель стороной с проточкой навстречу пучку протонов, минимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя и ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале, максимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя, ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта и толщины облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале, диск-поглотитель вращают в режиме воспроизведения требуемого распределения поглощенной дозы. Технический результат – оперативное формирование распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии. 1 ил.

Способ оперативного формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии, согласно которому объект облучают пучком моноэнергетических протонов, пучок протонов направляют к облучаемому объекту через диск-поглотитель из тканеэквивалентного материала, причем в диске-поглотителе изготовляют кольцевую проточку переменной глубины и пропускают через нее пучок протонов, ориентируют диск-поглотитель стороной с проточкой навстречу пучку протонов, минимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска-поглотителя и ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале, максимальную глубину проточки выбирают равной сумме толщин диска, ткани пациента до фронтальной поверхности облучаемого объекта и толщины облучаемого объекта за вычетом пробега протонов в тканеэквивалентном материале, диск-поглотитель вращают в режиме воспроизведения требуемого распределения поглощенной дозы.