Способ оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии Российский патент 2024 года по МПК G01T1/02 

Изобретение относится к радиационной технике и может быть использовано для оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии.

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 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: A61N 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, что значительно увеличивает продолжительность перенастройки режимов облучения.

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 регистрации частиц детекторами на основе дрейфовых трубок», патент №2530436, МПК G01T 1/18 (Пешехонов В.Д., Васильев С.Е., Зинченко А.И., Мялковский В.В.). Изобретение относится к области экспериментальной физики и может быть использовано в установках физики элементарных частиц и в исследованиях, проводимых ядерно-физическими методами в потоках заряженных частиц или рентгеновского излучения. Способ регистрации частиц детекторами на основе дрейфовых трубок включает измерение координат заряженных частиц, отличающийся тем, что вначале регистрируют время появления сигналов t₁ и t₂ с двух концов дрейфовых трубок длиной L по их переднему фронту, и величину промежутка времени Δt=t₁-t₂ используют для определения продольной координаты точки образования лавины в них из выражения ΔL=±V×Δt/2, где V - скорость распространения волны по аноду, a ΔL - расстояние точки образования лавины от центра анода, и одновременно определяют радиальные координаты частицы в двух коррелированных по ее прохождению дрейфовых трубках измерением временных промежутков между сигналами с них по калибровочной зависимости время дрейфа - координата. Технический результат - одновременное определение радиальной и продольной координаты заряженной частицы. Недостатком способа является ограничение его применения областью регистрации параметров одиночных заряженных частиц.

Известно изобретение - аналог: «Устройство для регистрации заряженных частиц» патент №2045078, МПК G01T 1/18, (Валиев Ф.Ф., Феофилов Г.А.). Использование: при измерении ионизирующих излучений и может быть применено для определения пространственно-временных характеристик треков заряженных частиц. Сущность изобретения: для одновременного получения прецизионных двух пространственных координат на одной временной координате трека заряженной частицы устройство содержит микроканальные пластины и блок регистрации с анодом, выполненным в виде комбинации линии задержки с продольными стрипами, расположенными внутри линии перпендикулярно к виткам. Точка попадания трека на поверхность микроканальной пластины проецируется электронной лавиной на поверхность плоской линии задержки, в продольном стрипе под местом попадания электронной лавины индуцируется сигнал, дающий прецизионную временную отметку момента прохождения частиц через детектор (с задержкой в несколько пикосекунд), номер стрипа дает одну пространственную координату трека, а вторую пространственную координату определяют по времени прихода сигнала от электронной лавины с линии задержки. С целью детектирования слабоионизирующих заряженных частиц микроканальные пластины используют в качестве мишени конвертера. Недостатком способа является ограничение области его практического применения для регистрации параметров одиночных заряженных частиц.

Известно изобретение - аналог: «Устройство для определения положения радиоактивных источников в реальном времени», патент №2137154, МПК G01T 1/29, (Альбиков З.А., Дроняев В.П., Паниткин Ю.Г., Селантьева А.Н.). Использование: для дистанционного контроля в реальном времени радиоактивных объектов в помещении, в том числе и объектов малой активности. Технический результат: повышение чувствительности устройства, упрощение его регулировки, а также упрощение конструкции устройства. Сущность: в предлагаемом устройстве изображения источников (оптическое и в собственном излучении) регистрируются с использованием одного и того же позиционно-чувствительного детектора - ПЗС матрицы, каждая ячейка которой является элементарным детектором с высоким отношением сигнал/шум и который позволяет осуществить счетный режим измерений положения радиоактивных источников в реальном времени. Энергия кванта (частицы) от источника преобразуется в элементе ПЗС матрицы в импульс, непосредственно несущий информацию о положении источника излучения. Чтобы обеспечить необходимую статистическую точность регистрации излучения радиоактивных источников малой активности, импульсы с элементов зон изображений источников могут быть просуммированы и (или) просуммированы полные кадры изображения с ПЗС матрицы. Положительный эффект: повышение чувствительности устройства и упрощение конструкции устройства. Недостатком способа состоит в том, что установка ПЗС-матрицы на пути пучка заряженных частиц нарушает режим облучения при проведении операций лучевой терапии, что исключает возможность мониторинга положения пучка в реальном масштабе времени.

Известно изобретение - аналог: «Способ измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц» патент №2499317, МПК G01T 1/29, (Сорокин В.Б.). Изобретение относится к области измерений параметров пучков заряженных частиц в ускорительной технике. Технический результат - повышение точности измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц в процессе ускорения. В способе измерения распределения плотности тока в пучке заряженных частиц измерение распределения плотности тока в пучке проводят поэтапно. В пучок вводят зонд на подвесе, перемещают его в пределах пучка, регистрируют результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондом при разных положениях подвеса и по результатам судят о распределении плотности тока в пучке. Затем размер зонда на подвесе уменьшают, вводят зонд уменьшенного размера в пучок и регистрируют результат взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондом уменьшенного размера при положениях подвеса и зонда предыдущего размера, сравнивают результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондами и по различию результатов судят о погрешности измерения распределения плотности тока в пучке, причем при различии, большем заданного значения, регистрируют результаты взаимодействия заряженных частиц пучка с подвесом и зондами все меньших размеров и по ним судят о распределении плотности тока в пучке и его погрешности. Недостатком способа является отсутствие возможности измерений в реальном масштабе времени.

Известно изобретение - аналог: «Способ определения распределения плотности потока электронов по его сечению» патент №2393505, МПК G01T 1/29, В82В 1/00 (Курмаев Э.З., Мильман И.И., Литовченко Е.Н., Соловьев С.Н., Ревков И.Г., Федоренко В.В., Бунтов Е.А.). Изобретение относится к способам измерения параметров направленного излучения, включая измерение таких характеристик потоков заряженных частиц, как их пространственное распределение по плотности тока и дозам с помощью люминесцентных детекторов ионизирующих излучений. Технический результат - расширение возможностей исследований, создания и контроля ускорительной техники, изделий сильноточной электроники. Способ определения распределения плотности потока электронов по его сечению путем размещения на пути электронного потока люминофора-мишени с длительным послесвечением включает облучение ее электронным потоком, получение на ее поверхности люминесцентного изображения сечения электронного потока и определение по нему распределения плотности потока электронов по его сечению, при этом в качестве материала люминофора-мишени выбирают наноструктурную керамику, а распределение плотности потока электронов по его сечению определяют количественно по люминесцентному изображению сечения электронного потока, преобразованному из аналоговой формы в цифровую. Недостатком способа является невозможность мониторинга пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени.

Известно изобретение - прототип: «Способ оперативного мониторинга положения пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии» патент №2809943, МПК G01T 1/02, (Яковлев М.В.). Изобретение относится к области радиационной техники. Способ оперативного мониторинга положения пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии, согласно которому на пути пучка заряженных частиц устанавливают экран с толщиной, равной пробегу частиц с максимальной энергией. В экране проделывают круговое отверстие коллиматора для направления пучка на облучаемый объект. Вокруг коллиматора в экране проделывают отверстия, за которыми устанавливают детекторы заряженных частиц. Регистрируют сигналы детекторов, и по сигналам детекторов определяют положение пучка заряженных частиц. Технический результат - мониторинг положения пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении лучевой терапии. Недостатком способа является невозможность мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц при проведении операций лучевой терапии.

Целью предполагаемого изобретения является мониторинг распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии.

Указанная цель достигается в заявляемом способе оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии. Согласно способу на пути пучка заряженных частиц устанавливают экран с толщиной, равной пробегу частиц с максимальной энергией. В экране проделывают круговое отверстие коллиматора для направления пучка на облучаемый объект. Вокруг коллиматора устанавливают детекторы заряженных частиц, которые располагают на соосной с коллиматором линии окружности в вершинах вписанного в нее равностороннего многоугольника. Регистрируют сигналы детекторов. Детекторы закрепляют на концах стержней, радиально ориентированных и подвижных по направлению к оси коллиматора. Стержни одновременно пошагово вводят в зону действия пучка на одинаковую дистанцию. Регистрируют сигналы детекторов на каждом шаге перемещения стержней и определяют распределение плотности тока заряженных частиц в поперечном сечении пучка по показаниям детекторов.

Обоснование реализуемости заявляемого способа заключается в следующем. На пути распространения пучка заряженных частиц устанавливают экран е толщиной, равной пробегу частиц с максимальной энергией. В экране проделывают круговое отверстие коллиматора для направления пучка на облучаемый объект, что исключает воздействие пучка на здоровые ткани.

Вокруг коллиматора устанавливают детекторы заряженных частиц. Детекторы располагают на линии окружности, соосной с коллиматором, в вершинах вписанного в эту окружность равностороннего многоугольника. Диаметр окружности, на которой расположены детекторы, выбирается так, чтобы детекторы находились в непосредственной близости от экрана, но оставались в зоне действия пучка. Расположение детекторов в вершинах вписанного в окружность равностороннего многоугольника обеспечивает симметрию контроля параметров пучка.

При штатной работе ускорителя имеет место близкое к нормальному распределение плотности тока по сечению пучка. Положение максимума плотности тока совпадает с осью коллиматора. Детекторы регистрируют одинаковые сигналы. Нарушение штатной работы приводит к смещению оси пучка относительно оси коллиматора, что приводит к нарушению режима облучения пациента. При этом детекторы регистрируют различные сигналы, что позволяет выполнить регулировку систем ускорителя и восстановить исходную траекторию пучка.

Детекторы заряженных частиц закрепляют на концах стержней, которые ориентированы радиально и могут перемещаться по направлению к оси коллиматора, что обеспечивает измерение параметров по всей зоне действия пучка, включая область, непосредственно примыкающую к его оси с погрешностью, соизмеримой с размерами детекторов.

Стержни с закрепленными на них детекторами одновременно и пошагово перемещают на одинаковую дистанцию в зону действия пучка. При штатной работе ускорителя симметричное расположение детекторов относительно оси коллиматора обеспечивает равенство регистрируемых сигналов в детекторах в процессе мониторинга излучения, воздействующего на пациента. Сравнивая показания детекторов на различном удалении от оси коллиматора, определяют распределение плотности тока заряженных частиц по сечению пучка в реальном масштабе времени, т.е. не прерывая режим облучения пациента.

В зависимости от плотности тока пучка детекторы могут работать в счетном или в токовом режиме. Условия перегрузки детекторов определяются по результатам предварительной калибровки. Возможность обработки сигналов в случае, когда одна часть детекторов работает в счетном режиме, а другая - в токовом режиме, предусматривается программным обеспечением, которое разрабатывается с учетом результатов калибровки детекторов.

Восстановление заданного режима облучения по показаниям детекторов будет способствовать повышению эффективности лечебных процедур лучевой терапии с использованием пучков ускоренных заряженных частиц.

Таким образом, возможность технической реализации и положительный эффект заявляемого способа оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области радиационной техники. Способ оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии содержит этапы, на которых на пути пучка заряженных частиц устанавливают экран с толщиной, равной пробегу частиц с максимальной энергией. В экране проделывают круговое отверстие коллиматора для направления пучка на облучаемый объект. Вокруг коллиматора устанавливают детекторы заряженных частиц, которые располагают на соосной с коллиматором линии окружности в вершинах вписанного в нее равностороннего многоугольника. Регистрируют сигналы детекторов на каждом шаге перемещения стержней и определяют распределение плотности тока в поперечном сечении пучка по показаниям детекторов. Технический результат – оперативный мониторинг распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии.

Способ оперативного мониторинга распределения плотности тока в поперечном сечении пучка заряженных частиц в реальном масштабе времени при проведении операций лучевой терапии, согласно которому на пути пучка заряженных частиц устанавливают экран с толщиной, равной пробегу частиц с максимальной энергией, в экране проделывают круговое отверстие коллиматора для направления пучка на облучаемый объект, вокруг коллиматора устанавливают детекторы заряженных частиц, которые располагают на соосной с коллиматором линии окружности в вершинах вписанного в нее равностороннего многоугольника, регистрируют сигналы детекторов, причем детекторы закрепляют на концах стержней, радиально ориентированных и подвижных по направлению к оси коллиматора, стержни одновременно пошагово вводят в зону действия пучка на одинаковую дистанцию по направлению к оси коллиматора, регистрируют сигналы детекторов на каждом шаге перемещения стержней и определяют распределение плотности тока в поперечном сечении пучка по показаниям детекторов.