Способ преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии Российский патент 2024 года по МПК G01T1/02 A61N5/10 

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

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, p) 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 трансформировать спектр 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 трансформировать спектр заряженных частиц в режиме реального времени.

Известно изобретение-аналог: «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 и затрудняет трансформацию спектра заряженных частиц в процессе выполнения операций лучевой терапии.

Известно изобретение-прототип: «Способ оперативного мониторинга энергии заряженных частиц при выполнении операций лучевой терапии» - патент от 06.07.2023 №2809829, МПК: G01T 1/2, (Яковлев М.В.). 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. Недостаток изобретения состоит в том, что предложенный способ не обеспечивает преобразование пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии.

Целью предполагаемого изобретения является преобразование пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии.

Указанная цель достигается в заявляемом способе преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии, согласно которому моноэнергетические протоны пропускают через пластину-формирователь толщиной, достаточной для снижения энергии протонов до максимальной энергии спектра. За пластиной-формирователем устанавливают фильтры-поглотители протонов различной толщины, закрепленные на диске. Вал диска устанавливают параллельно оси пучка на расстоянии, достаточном для прохождения пучка через фильтры-поглотители. Фильтры-поглотители собирают в виде кольца, окружающего диск. Толщину фильтров-поглотителей выбирают равной разности пробегов протонов с максимальной энергией спектра и с энергией положения столбцов на гистограмме спектра. Длину фильтров-поглотителей вдоль средней линии кольца выбирают пропорционально амплитуде столбцов на гистограмме спектра. Диск вращают с постоянной угловой скоростью.

Обоснование реализуемости заявляемого способа заключается в следующем.

При пропускании пучка моноэнергетических протонов через фильтр-поглотитель различной толщины энергия протонов изменяется соответственно соотношению «пробег-энергия». Набор фильтров-поглотителей различной толщины трансформирует поток моноэнергетических протонов в поток протонов сложного спектрального состава, что и определяет сущность заявляемого способа.

Для формирования заданного спектра моноэнергетические протоны в первичном пучке должны обладать энергией, которая превышает или совпадает по своему значению с максимальной энергией сложного спектра. Поэтому в общем случае моноэнергетические протоны необходимо пропускать через пластину-формирователь толщиной, достаточной для снижения энергии протонов до максимальной энергии спектра

Спектр протонов представляется в виде гистограммы. Каждый столбец гистограммы характеризуется двумя параметрами. Первый параметр - среднее значение энергии частиц (полусумма абсцисс в основании столбца гистограммы). Второй параметр - амплитуда столбца (ордината вершины столбца), которая пропорциональна относительному количеству частиц означенной энергии в составе спектра.

Для получения на выходе фильтров-поглотителей частиц со средней энергией для рассматриваемых столбцов гистограммы толщину фильтров-поглотителей выбирают из условия разности пробегов протонов с максимальной энергией спектра и с энергией, характеризующей положение столбцов на гистограмме заданного спектра (ось абсцисс). Для того, чтобы воспроизвести форму спектра длину фильтров-поглотителей вдоль средней линии кольца выбирают пропорционально амплитуде столбцов (ось ординат) на гистограмме спектра. Диск, на котором расположено кольцо с фильтрами- поглотителями, вращают с постоянной угловой скоростью. Учитывая различия в длине фильтров-поглотителей вдоль средней линии кольца, группы частиц со средней энергией соответственно абсциссам столбцов гистограммы будут действовать на облучаемый объект в течение промежутка времени, пропорционального ординате столбцов гистограммы. Т.е. по критериям средней энергии групп частиц и относительному количеству частиц в группе предлагаемый способ воспроизводит состав сложного спектра.

Предлагаемый способ преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра не потребует значительных затрат по сравнению с доработкой систем ускорителя, что свидетельствует о его положительном эффекте.

Таким образом, возможность технической реализации и положительный эффект заявляемого способа преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области лучевой терапии. Способ преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии содержит этапы, на которых моноэнергетические протоны пропускают через пластину-формирователь толщиной, достаточной для снижения энергии протонов до максимальной энергии спектра, за пластиной-формирователем устанавливают фильтры-поглотители протонов различной толщины, закрепленные на диске, вал диска устанавливают параллельно оси пучка на расстоянии, достаточном для прохождения пучка через фильтры-поглотители. Техническим результатом является преобразование пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии.

Способ преобразования пучка моноэнергетических протонов в пучок протонов сложного спектра при проведении операций лучевой терапии, согласно которому моноэнергетические протоны пропускают через пластину-формирователь толщиной, достаточной для снижения энергии протонов до максимальной энергии спектра, за пластиной-формирователем устанавливают фильтры-поглотители протонов различной толщины, закрепленные на диске, вал диска устанавливают параллельно оси пучка на расстоянии, достаточном для прохождения пучка через фильтры-поглотители, причем фильтры-поглотители собирают в виде кольца, окружающего диск, толщину фильтров-поглотителей выбирают равной разности пробегов протонов с максимальной энергией спектра и с энергией положения столбцов на гистограмме спектра, длину фильтров-поглотителей вдоль средней линии кольца выбирают пропорционально амплитуде столбцов на гистограмме спектра, диск вращают с постоянной угловой скоростью.