Способ формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии Российский патент 2025 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: 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, 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, ЁСИФУМИ (JP), КАНАИ, ЁСИХАРУ (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 - аналог: «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, В82В 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.

Известно изобретение - аналог: патент №2823897 от 20.03.2024 г., МПК G01T 1/29, A61N 5/10, «Способ оперативного формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии» - (Яковлев М.В., Яковлева А.Д.). Способ 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. Недостатком устройства является ограниченные поперечные размеры облучаемого объекта, которые определяются площадью поперечного сечения протонного пучка.

Известно изобретение - прототип: патент №2695273 от 13.06.2018 г., МПК A61N 5/10, «Способ протонной терапии при лечении онкологических заболеваний» - (Балакин В.Е., Балакин П.В.). Способ протонной терапии при лечении онкологических заболеваний заключается в том, что формируют направленный пучок протонов и двумерную проекцию опухоли в плоскости, перпендикулярной пучку протонов, измеряют глубину размещения опухоли, сканируют пучком протонов двумерную проекцию опухоли на глубину опухоли и выбирают при сканировании энергию направленного пучка протонов в соответствии с глубиной размещения опухоли, при этом направленный пучок протонов формируют в виде сфокусированного пучка, а положение фокуса меняют при сканировании на глубину размещения опухоли, обеспечивая последовательное перемещение пучка по внешней поверхности опухоли, причем, скорость сканирования устанавливают в каждой точке на внешней поверхности опухоли с учетом интенсивности пучка протонов и диаметра пучка в фокусе, обеспечивающих разрушение облучаемых тканей на внешней поверхности опухоли дозой 50-80 Грэй. Использование изобретения позволяет расширить арсенал технических средств, используемых при протонной терапии онкологических заболеваний. Недостатком способа является повышенный уровень облучения в окружающих облучаемый объект здоровых тканях, что обусловлено неопределенностью положения пика Брегга по глубине облучаемого объекта.

Целью предполагаемого изобретения является снижение уровня облучения здоровых тканей.

Указанная цель достигается в заявляемом способе формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии, согласно которому формируют направленный пучок моноэнергетических протонов и двумерную проекцию облучаемого объекта в плоскости, перпендикулярной пучку протонов. Пучок протонов направляют к облучаемому объекту через два фильтра-поглотителя, выполненных из тканеэквивалентного материала. Сканируют пучком протонов двумерную проекцию облучаемого объекта на глубину облучаемого объекта. Скорость сканирования устанавливают в каждой точке на внешней поверхности облучаемого объекта с учетом интенсивности пучка протонов и диаметра пучка, обеспечивающих режим лучевой терапии. Поперечные размеры фильтров-поглотителей выбирают равными поперечным размерам двумерной проекции облучаемого объекта. Толщину первого фильтра-поглотителя и энергию протонов выбирают из условия прохождения протонов до тыльной поверхности облучаемого объекта. Второй фильтр-поглотитель выполняют в виде набора пластин суммарной толщиной, равной толщине облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности, и толщиной отдельных пластин много меньше толщины, облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности. Пластины второго фильтра-поглотителя поочередно автоматически добавляют в зону действия пучка, изменяя толщину второго фильтра-поглотителя от нуля до толщины облучаемого объекта от тыльной до фронтальной поверхности. Организуют цикл облучения, при котором каждое очередное изменение толщины второго фильтра-поглотителя от нуля до максимального значения сопровождается покадровым воздействием пучка протонов на облучаемый объект. Циклы облучения повторяют до набора заданной поглощенной дозы протонного излучения в зоне. облучаемого объекта.

Обоснование реализуемости заявляемого способа заключается в следующем.

Пучок протонов направляют к облучаемому объекту через два фильтра-поглотителя, выполненных из тканеэквивалентного материала, и сканируют пучком протонов двумерную проекцию облучаемого объекта в плоскости, перпендикулярной направлению действия пучка протонов, на глубину облучаемого объекта. В результате реализуются условия облучения объектов большой площади, значительно превышающей площадь поперечного сечения протонного пучка, что предложено в способе-аналоге (патент №2823897 от 20.03.2024 г.). Сканируют пучком протонов двумерную проекцию облучаемого объекта на глубину облучаемого объекта со скоростью сканирования в каждой точке на внешней поверхности облучаемого объекта, которая выбирается с учетом интенсивности пучка протонов и диаметра пучка, обеспечивая заданный режим лучевой терапии.

Пучок протонов направляют к облучаемому объекту через два фильтра-поглотителя, выполненных из тканеэквивалентного материала. Поперечные размеры фильтров-поглотителей выбирают равными поперечным размерам двумерной проекции облучаемого объекта. Толщину первого фильтра-поглотителя и энергию протонов выбирают из условия прохождения протонов до тыльной поверхности облучаемого объекта. Второй фильтр-поглотитель выполняют в виде набора пластин суммарной толщиной, равной толщине облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности и толщиной отдельных пластин много меньше толщины облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности. Пластины второго фильтра-поглотителя поочередно автоматически добавляют в зону действия пучка, изменяя толщину второго фильтра-поглотителя от нуля до толщины облучаемого объекта от тыльной до фронтальной поверхности. В изложенных условиях пик Брегга сканирует зону облучаемого объекта между тыльной и фронтальной поверхностью.

За пределы тыльной поверхности протоны не проходят, что ограничено выбором толщины первого фильтра-поглотителя и энергии протонов, и поэтому в этой области воздействием излучения на здоровые ткани можно пренебречь. Перед фронтальной поверхностью облучаемого объекта поглощенная доза в несколько раз меньше, чем в зоне облучаемого объекта пиком Брегга (см. патент №2823897 от 20.03.2024 г.). За пределами боковой поверхности облучаемого объекта облучение отсутствует в силу алгоритма сканирования протонным пучком.

Цикл облучения организован так, что при каждом очередном изменении толщины второго фильтра-поглотителя от нуля до максимального значения происходит покадровое воздействие пучка протонов на облучаемый объект. Циклы облучения повторяются до набора заданной поглощенной дозы протонного излучения в зоне облучаемого объекта. Распределение поглощенной дозы в зоне облучаемого объекта может быть равномерным, или любой другой произвольной формы в зависимости от выбора интенсивности протонного пучка в каждом последующем цикле облучения в процессе изменении толщины второго фильтра-поглотителя от нуля до максимального значения.

Согласно способу-прототипу «…Направленный пучок протонов формируют в виде сфокусированного пучка, а положение фокуса меняют при сканировании на глубину размещения опухоли». Фокусировка моноэнергетического протонного пучка происходит до остановки протонов при движении в облучаемом объекте. Поэтому, если фокус пучка на тыльной поверхности облучаемого объекта (полная глубина размещения опухоли), то ускоренные протоны проходят через некоторую область здоровых тканей до окончания своего пробега. Происходит поражение здоровых тканей за пределами тыльной поверхности облучаемого объекта.

Кроме того, согласно способу-прототипу «…при сканировании энергию направленного пучка протонов выбирают в соответствии с глубиной размещения опухоли», что противоречит тезису о выборе положения фокуса, поскольку конец пробега протонов у тыльной поверхности облучаемого объекта не совпадает с положением фокуса протонного пучка.

Таким образом, заявляемый способ обеспечивает снижение уровня облучения здоровых тканей. Возможность технической реализации и положительный эффект заявляемого способа формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии не вызывают сомнений.

Изобретение относится к области лучевой терапии. В способе формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии поперечные размеры фильтров-поглотителей выбирают равными поперечным размерам двумерной проекции облучаемого объекта, толщину первого фильтра-поглотителя и энергию протонов выбирают из условия прохождения протонов до тыльной поверхности облучаемого объекта, второй фильтр-поглотитель выполняют в виде набора пластин суммарной толщиной, равной толщине облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности, и толщиной отдельных пластин много меньше толщины облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности, пластины второго фильтра-поглотителя поочередно автоматически добавляют в зону действия пучка, изменяя толщину второго фильтра-поглотителя от нуля до толщины облучаемого объекта от тыльной до фронтальной поверхности, организуют цикл облучения, при котором каждое очередное изменение толщины второго фильтра-поглотителя от нуля до максимального значения сопровождается покадровым воздействием пучка протонов на облучаемый объект, циклы облучения повторяют до набора заданной поглощенной дозы протонного излучения в зоне облучаемого объекта. Технический результат - снижение уровня облучения здоровых тканей.

Способ формирования распределений поглощенной дозы протонов в облучаемом объекте при проведении операций лучевой терапии, заключающийся в том, что формируют направленный пучок моноэнергетических протонов и двумерную проекцию облучаемого объекта в плоскости, перпендикулярной пучку протонов, пучок протонов направляют к облучаемому объекту через два фильтра-поглотителя, выполненных из тканеэквивалентного материала, сканируют пучком протонов двумерную проекцию облучаемого объекта на глубину облучаемого объекта, скорость сканирования устанавливают в каждой точке на внешней поверхности облучаемого объекта с учетом интенсивности пучка протонов и диаметра пучка, обеспечивающих режим лучевой терапии, причем поперечные размеры фильтров-поглотителей выбирают равными поперечным размерам двумерной проекции облучаемого объекта, толщину первого фильтра-поглотителя и энергию протонов выбирают из условия прохождения протонов до тыльной поверхности облучаемого объекта, второй фильтр-поглотитель выполняют в виде набора пластин суммарной толщиной, равной толщине облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности, и толщиной отдельных пластин много меньше толщины облучаемого объекта от фронтальной до тыльной поверхности, пластины второго фильтра-поглотителя поочередно автоматически добавляют в зону действия пучка, изменяя толщину второго фильтра-поглотителя от нуля до толщины облучаемого объекта от тыльной до фронтальной поверхности, организуют цикл облучения, при котором каждое очередное изменение толщины второго фильтра-поглотителя от нуля до максимального значения сопровождается покадровым воздействием пучка протонов на облучаемый объект, циклы облучения повторяют до набора заданной поглощенной дозы протонного излучения в зоне облучаемого объекта.