Устройство для формирования энергетического спектра пучка тяжелых заряженных частиц для лучевой терапии Советский патент 1988 года по МПК G21K1/00 A61N5/00 

Изобретение относится к технике формирования доэных полей пучков тя желых заряженных частиц (ТЗЧ), в ча ности, пучка протонов, применяемого для лучевой терапии в медицине и для радиобиологических исследований Глубинное дозное поле моноэнерге тического пучка протонов характеризуется наличием строго определенной глзгбнной проникновения в веществе и наличием дозного максимума-пика Крэг га - в конце пробега частиц. Благодаря этому удается производить локальные облучения опухолей, залегакхцих на различных глубинах от поверхности тела пациента, щадя окруж ющие опухоль здоровые ткани. Так как ширина пика Крэгга невелика (всего несколько миллиметров), при клиническом применении пучка пр тонов необходимо сформировать доэное распределение, которое в конце пробега должно иметь дозный максимум большой протяженности (глубинное дозное плато). Добиться такого дозного плато в конце пробега (или другой требуемой формы дозного распределения по глубине) можно с помощью подбора энергетического спект ра частиц в пз/чке протонов. Известно устройство для формирования дозного поляпротонного пучка с энергией 185 МэВ с требуемым глубинным дозным распределением. Это устройствопредставляет собой ряд параллельных вольфрамовых стержней криволинейного профиля в сечении, укрепленных в общей качающейся рамке. Профиль стержня моделируется на ЭВМ путем варьирования формы профиля до совпадения расчетного дозного поля с заданным. Недостатком этого устройства является сложность расчета и трудоемкость изготовления локального профи ля, требующая заводских условий и дорогостоящего оборудования и мате риала. Наиболее близким техническим решением является устройство для фо мирования энергетического спектра пучка тяжелых заряженных частиц для лучевой терапии, содержащее гре бенчатый фильтр, вьшолненный в виде набора стержней ступенчатого прямоугольного сечения, закрепленных в рамке, снабженной приводом для поворота вокруг оси, перпендикулярно направлению распространения пучка и проходящей параллельно линии, соединяющей центры стержней. Основой для определения профиля этих стержней является расчет их криволинейной формы, которьй выполняется путем простого графического построения непосредственно из заданной формы глубинного распредешения. Затем этот криволинейный контур заменяется ломаной линией. В соответствии с этой ломаной линией стержни гребенчатого фильтра вьтолняются ступенчато-прямоугольной формы. Недостатком известного устройства является практическая невозможность изготовить гребенчатый фильтр для формирования дазных полей, требующихся для облучения малых мишеней, так как при этом необходимы стержни ступенчатого профиля слишком малых размеров. При помощи такого устройства не удается получать дозное плато протяженностью менее 30 мм. Кроме того, из-за трудностей в изготовлении ступенчатых стержней реально достижимы шаг размещения стержней гребенчатого фильтра - не менее 45 мм, что приводит к большой неравномерности дозного распределения в поперечном сечении, которая обусловлена малым боковым рассеянием тяжелых заряженных частиц. Перепад дозы от впадины к вершине в пределах одного шага достигает 40-50% у гребенчатого фильтра, формирующего дозное плато размером 50 мм, Други { недостатком этого устройства является большая сложность в изготовлении из-за высоких требований к Точности выполнения профиля стержней, и как следствие, дороговизна и необходимость в сложном оборудовании. Кроме того, из-за неточностей при изготовлении стержней ; глубинное дозное распределение зачас.тую заметно отличается от расчетного, (неравномерность на самом дозном плато мож,ет достигать 2530%). Это приводит к необходимости производить сложную и трудоемкую доработку такого устройства. Целью настоящего изобретения является повышение точности получения глубинных, дозных распределений и повьшения технологичности при изготовлении.

Поставленная цель достигается, тем что в известном устройстве для формирования энергетического спектра пучка тяжелых заряженных частиц для лучевой терапии, содержащем гребенчатый фильтр, гребенчатый фильтр выполнен в виде рулона с кольцевыми ступенями, свернутого из ленты постоянной толщины и переменной ширины в пределах одного шага, при этом шаг кольцевых ступеней определяется из соотношения

4Н Vr,

(I),

где ЛН - шаг кольцевых ступеней рулона, Vrl - среднеквадратичный радиус многократного рассеяния тяжелых заряжённых частиц при прохождении их через минимальную толщину гребенчатого фильтра, а лента выполнена из материала с плотностью

.

в частности, лента может быть выполнена из лавсана.

Выбор числа в вышеуказанном неравенстве объясняется следующими соображениями. Материал ленты должен иметь следующие качества-:

а)достаточно малую плотность для получения больших различий в размере ступеней гребенчатого фильтра;

б)прочность для обесцечения плотной намотки фильтра-,

в)технологичность. Наиболее плотным материалом,

удовлетворяющим этим требованиям является алюминий (рл. 2,7 г/см). Следующие подходящие по прочности и технологичности материалы - сталь и медь, но они обладают слишком большой плотностью. Что заметно повьдиает требования к точности изготовления ступеней гребенчатого фильтра, неоправдано усложняет и увеличивает стоимость его изготовления,

Благодаря предложенному конструктивному решению удается изготовить кольцевой гребенчатый фильтр для формирования дозных полей, необходимых для облучения мишеней с произвольной площадью сечения и размером дозного Плато в конце пробега вплоть до 4-5 мм и имеющих однородное дозное распределение в поперечном сечении даже на малых глубинах дозного распределения. При этом удается достигать более высокой точности в изготовлении ступеней гребенчатого фильтра, а значит и более точного глубинного дозного распределения, резко снизить стоимость и улучшить технологию изготовления, так как не требуется сложного оборудования. При изготовлении предлагаемого кольцевого гребенчатого фильтра используется мягкая тонкая лента, плотность материала которой близка к плотности мягких тканей человека (например лавсан), Плотно скрученный рулон обладает необходимой жесткостью для надежного размещения в металлическом держателе, который может легко устанавливаться и ориентироваться на оси пучка тяжелых заряженньсх частиц.

На фиг, 1 изобрежен кольцевой гребенчатьш фильтр в сборе. На фиг, 2 представлена конфигурация ленты на развернутой части рулона. На фиг, 3 представлен график распределения поглощенной дозы по глубине, который поясняет принцип расчета устройства.

Кольцевой гребенчатый фильтр 1 помещается в металлический держатель 2 (фиг. 1),

: Устройство рассчитывается следующим образом: на фиг, 3 приведена кривая глубинного дозного распределения пучка частиц, имеющая плато в конце пробега. Эта кривая представляет собой суперпозицию кривая Брэгга мо ноэнергетических протонньк пучков, (В данном случае четырех фиксированных энергий). Так как каждой энергии частиц соответствует определенный пробег, разница в пробеге частиц в ткани двух соседних энергий обозначена как At. Доля (масса) частиц

каждого сорта в пучке, необходимая для получения требуемой формы глубинного дозного распределения, обозначена как W|, Wj и т.д. Зная форму . кривой Брэгга для исходного (с наибольшим пробегом);пучка, легко путем графического последовательного сложения кривых, определить требуемое число градаций значений энергий частиц и долю этих частиц и каждои градации. При этом необходимо учитывать и требуемую однородность дозы на плато, так как с увеличением числа градаций энергии (при формировании, например одного и того же размера плато), однородность на этом плато улучшается. Формирование рассчитанного спектра частиц с учетом доли этих частиц в пучке реализуется с помощью кольце вого гребенчатого фильтра с чередуимцимися кольцевыми ступенями (фиг, Каждой ступени однозначно соответствует определенная энергия частиц. Шаг такого гребенчатого фильтра ( ЗН) имеет постоянную величину и со держит в себе все необходимые ступени. Площади поперечного сечения колец ступеней шага определяют необходим то долю частиц каждой энергии в пучке. Размер шага определяет неоднородность получаемого дозного распределения в поперечном сечении. Чем меньше шаг, тем более однородное поле получается благодаря лучшему перемешяван1-по частиц с разными энергиями за счет многократного углового рассеяния как в самом фильтре, так и в MiimeHH.B зависимости от необходимого числа ступеней в шаге и допустимого размера шага выбирается толщина ленты ,из которой будет свер7 нут рулон. На фиг. 2 приведен участок разве нутой ленты. Разница в ширине соседних ступеней ленты обозначена как ЛЬ, Значение дЬ. пропорционально отношению , где рд- плотнос материала ленты. Таким образом, чем меньше плотность материала ленты, тем больше зн чение лЬ, а значит тем легче выдержать эти величины при изготовлении. При расчете формы ленты необходимо 5,гчитывать, чтодлина шага ,H длина каждой ступени в шаге 1 (фиг.2) зависит от номера шага i j т.е, как далеко находится.этот шаг оси свернутого рулона. Индекс i обозначает номер ступени в шаге. Т как при изготовлении кольцевого гре бенчатого фильтра исполЕ.зуется лента постоянной толщины, д/1ина ступе ни ленты в казкдом шаге определяет долго частиц соответствзпощей энергии и формируемом спектре пучка. Общая дл{«1з ленты определяется ее толщиной и требуемым размером диаметра рулона. Зная форму кривой Брэгга для исходного монохроматического пучка протонов (с наибольшим пробегом), путем графического последовательног сложения этих кривых определяем требуемое число градаций значений энергий частиц и долю (масса) этих частиц в каждой градации. Таким образом, определен дискретный спектр протонов, необходимый для создания требуемого дозного распределения. Эти параметры для гребенчатого фильтра с дозным максимумом от 5,0 до 11,8 мм в качестве примера приведены в таблице. Для расчета гребенчатого фильтра кроме числа градаций и долей частиц WI необходимо задаться следующими параметрами: ЗН - шаг гребенчатого фильтра, D -толщина ленты, из которой свертывается гребенчатый фильтр, f - плотность ленты, максимальньй радиус гребенчатого фильтра. В данном случае эти величины были Н 1,5 мм, D - 0,08 1,41 г/см (лавсан), Кд,йкс 15 мм, Предположим, что начальный радиус щагаК1 1,5 тогда конечный радиус шага R и площадь шага S Ri R-, + йК 3,0 мм S f () 21,206 мм Конечные радиусы колец ступеней в шаге: El.j.o-7 fiR 7 Я7 TH,OD.(l - Z,3/, Rg 2,77, Rff 2,89,; R- R 40 2 Л Т j,u a текущие длины ленты к концу ступеней шага L, - 218,7 L, 259,3, LJ 301,3, L 328,0, Ly 353,4 вычислим теперь ширину ступеней гребенчатого фильтра, Берем за .исходную ширину (соответствующую градацию с наибольшей остаточной энергией протонов) h 1 5,0 мм. Тогда вычисление ширины остальных ступеней производится по формулеh- -h, (t,-t,-)/|. , h, (t,-t.)/f 5,0+(П,8-10,3)/ /1,41 6,i; hj 7;з; h4 8,6;

hj - 9,8.

Аналогичным образом рассчитьтается весь гребенчатый фильтр. Точное введение образованного дозного максимума на нужную глубину достигается использованием тонких тормозителей требуемой толщины.

Благодаря малой толщине ленте уда ется изготовить кольцевые гребенчаты фильтры, обеспечивающие дозное глубинное плато размером до 20 мм (число ступеней в шаге - 10), залегающее на глубине 30 мм, и при этом неравномерность дозного распределения в поперечном сечении пучка не превьшает 10 даже на начальном участке гребенчатого плато.

Требования к точности изготовлеНИН ленты на порядок ниже, чем требования, предъявляемые к точности изготовления существующих стержнеНомер градации

Доля частиц W- отн,ед. Пробег t., ткани, мм

вых гребенчатых фильтров. Это объясняется следующими причинами

а)так как плотность материала гребенчатого фильтра много меньше плотности металла стержня, то он обладает меньшей тормозной способностью, и поэтому точность размера по ширине ленты мало влияет на пробег протонов, проходящих через эту ступень, и может достигать 0,1-0,2 мм,

б)неточность в 0,5-1,0 мм по длине ступени слабо влияет на поперечнь размер этой ступени в свернутом состоянии, так как длина даже минимальной ступени составляет около 5 мм,

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет повысить точность при формировании требуемых глубинных дозных распределений пучков ТЗЧ, легко рассчитывается, и просто и дешевле в изготовлении.

1 0,31

0,31 0,2 0,2 11,8 10,3 8,5 6,7 5,0 IZIZIEZIIIini

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ЭНЕРгаТИЧЕСКОГО СПЕКТРА ПУЧКА ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ ДЛЯ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ, содержащее гре бенчатый фильтр, отличающееся тем, что, с целью повышения точности получения глубинных дозных распределений и повышения технологичности при изготовлении, гребенчатый фильтр выполнен в виде рулона с кольцевыми ступенями, свернутого из ленты постоянной толщины и переменной ширины в пределах одного шага, при этом шаг кольцевых ступеней определяется из соотношения Н М1), V. где /JH - шаг кольцевых ступеней рулона, -/Fj - среднеквадратичный радиус многократного рассеяния тяжелых заряженных частиц при прохождении их через минимальную толщину гребенчатого фильтра, а лента выполнена из материала с плотностью ,7. 2. Устройство по п, 1,.о т л ичающееся тем, что лента выполнена из лавсана. О1 оо о Ой

1 2 3 5 6 7 8 9, fiM Фиг.З