Способ протонной радиографии Советский патент 1985 года по МПК G01N23/08 

Изобретение относится к исследо ванию внутренней структуры объекто с помощью проникающего излучения и может быть использовано в медицине Известен способ протонной радио графии, заключающийся в облучении объекта пучком протонов и/} синхротона, снабженного средством обди рания ускоренных отрицательных ионов водорода, в режиме сканиров ния пучка по исследуемому участку объекта, регистрации детектором п раметров части прошедшего через объект пучка и восстановлении ради графического изображения объекта Недостатком этого способа явля ются повьш1енная лучевая нагрузка объект и недостаточное пространственное разрешение. Наиболее близким к изобретению техническим решением является способ протонной радиографии, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, причем используют моноэнергетический пучок протонов с энергией, соответствующей бреэгговскому пику на выходе из объекта IjZl . Недостатком известного способа является плохое пространственное разрешение, что связано с использо ванием низкоэнергетических прото-нов, подверженных многократному кулоновскому рассеянию. При исполь зовании локальных неоднородностей плохое пространственное разрешение приводит к низкой точности исследования . Цель изобретения заключается в повышении пространственного разрешения и точности. Согласно изобретению, поставлен ная цель достигается тем, что в способе протонной радиографии, заключающемся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, коор динатно-чувствительном детектировании протонов до и после объект с помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученны сигналов и восстановлении картины 04 распределения плотности исследуемого объекта, производят дополнительное координатно-чувств-ительное детектирование протонов до и после объекта на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в режиме временного разделения отдельных протонов, энергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по которым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в последнем по средним значениям квадратов указанных углов. Сущность способа сводится к тому, что измеряют координаты (и углы) траекторий отдельных протонов, проходящих через объект. Измерение производят до и после объекта, когда уже произошло кулоновское рассеяние, что уменьшает неопределенности,возникшие из-за отключения частицы вследствие многократного кулоновского рассеяния. Эффективная толщина объекта измеряется по величине среднеквадратичного угла рассеяния. Измерение траекторий протонов перед объектом не требует формирования строго параллельного пучка протонов и позволяет улучшить как пространственное разрешение, так и точность измерения углов рассеяния, а значит и эффективных толщин объектов. В данном способе отсутствует ограничение на максимальную величину энергии используемых-протонов. Использование протонов высокой энергии позволяет получить высокое пространственное разрешение. I На чертеже представлена схема установки для осуществления способа протонной радиографии. Установка содержит два блока А и В из многонитяных пропорциональных камер 1,2 и 3,4. Каждая из камер 1-4 измеряет горизонтальную X и вертикальную V координаты протонов с точностью Bbmje 0,5 мм. Расстояние между камерами 1 и 2, а также 3 и 4 определяется из требования достижения необходимой точности измерения углов траекторий (при уве личении расстояния между камерами точность измерения углов увеличивается) , Исследуемый объект 5 устанавливают между блоком А из камер 1,2 и блоком В из камер 3,4 и подвергаю воздействию пучка протонов с энергией 1 ГэВ в режиме временного раз деления отдельных протонов. Блоки камер 1 и 2 определяют координаты частиц, падающих на объект, а блоки 3 и 4 определяют координаты частиц, прошедших через объект. По совокупности этих измерений определяются углы многократного кулоновского рас сеяния 9; частиц, прошедших через объект для участков размером 1 мм. По совокупности измеренных углов ра сеяния находится среднее значение квадрата угла рассеяния 8 по форму ле , 1 - номер частицы, прошедшей че рез образец N - полное число частицJ - номер участка. При достаточно большом N экспе риментально найденная величина Q близка к математическому ожиданию квадрата угла рассеяния которо линейно связано с искомой эффективной толщиной --(fb 21,2 МэВ; - импульс частицы, МэВ/с; ,3 - отношение скорости частицы к скорости света; t выражена в радиационных дл которые зависят от свойств рассеивающей среды и табулируются. При малых толщинах образцов формула (3) достаточно точная и может использоваться для практических целей. При больших тол1цинах образцов, когда становится существенным изменение энергии частиц при прохождении образца, можно использовать более сложную формулу «- -KllfjВ практической работе для абсолютных измерений толщин образцов известного составаудобно экспериментально определять зависимость путем проведения предварительных калибровочных измерений. Для достижения высокой статистической точности измерения эффективной толщины необходимо анализировать достаточно большое число рассеянных частиц. Действительно, экспериментально определяемое среднее значение квадрата угла С} связано с его математическим ожиданием соотношением.8в где величина ( 9) в приближении гауссова распределения углов многократного рассеяния равна .(sё-f, (5) Эта величина определяет абсолютную статистическую погрешность измерения эффективной толщины. Относительная статистическая погрешность измерения эффективной толщины равна /, где ut - стандартное отклонение величины t. При измерении координат частиц на входе и на выходе образцов неопределенность в отклонении траектории максимальна для середины образца (на глубине 6/2) и может быть оценена по формуле ix.-Q-e 6 где АХ - стандартное отклонение траектории от прямой линии на глубине С/2; Р - линейная толщина образца-, а - 0,2. Для однородного образца эффекивная толщина t связана с линейной олщиной и. соотношением , де Р - плотность среды; Хд - радиационная длина. Как видно из формулы (3) при увеичении импульса (энергии) 0 S уменьшается и предельное пространственное разрешение (формула 7) ул шается . Другое ограничение пространственного разрешения связано с практическими возможностями дйтектирую щих систем. Современные пропорциональные многонитяные камеры позволяют измерять координаты частиц с точностью до 0,1 мм. Максимальные толшины, которые могут исследоваться этим способом, определяются из того условия, чтоб относительная потеря энергии ь Е /Б была невелика ЬЕ/Е4;0.2, а также из условия малых потерь, частиц из-за ядерных реакций, Время облучения объекта Т опр деляется необходимой точностью измерения эффективных толщин объект и быстродействием аппаратуры, реал зующей данный способ. T N/:J М - число событий в формуле (6); 3 - интенсивность используемо го пучка протонов.. В свою очередь максимальная интенсивность пучка, при которой воз можно временное разделение отдельн событий, определяется соотношением 3 I/, где С - временное раз решение аппаратуры. Современные многонитяные камеры и электронные системы обработки информации, полученной с помощью к мер , позволяют использовать пучки с интенсивностью 10 1/с. Это означает, что, например, для обследо вания участка объекта в 1 см с пространственным разрешением 2X2 м при точности измерения эффективной длины 0,3% требуется время экс позиции Т 25 с. .Пример 1. Принципиальная схема реализации способа представлена на фиг.1. Исследуется участок головы пациента, площадью 10 см с целью обнаружения опухоли. Для эт го он облучается протонами с энер .гией 1 ГэВ. Доза, получаемая пациентом - 0,3 Р . Величина среднеквадратичного угла кулоновского рассеяния (формула (3) равна 0,6 А При размере области патологии ткани ЗЗЗ мм, изменение эффективной длины для протонов, проходящих через эту область исследуемого объекта при линейной длине объекта 10 см, составляет 0,1%, так как известно, что опухолевые образования отличаются от нормальной плотности биологической ткани приблизительно на +3%, а. участки, пораженные некрозом, на -5%. Таким образом, данный способ позволяет обнаруживать отклонения в плотности на уровне нескольких процентов. В рассмотренном выше примере не определяется положение неоднородности (опухоли) вдоль пучка. Тем не менее данным способом можно получать и трехмерную локализацию исследуемой неоднородности (опухоли) , если воспользоваться просвечиванием объекта в нескольких различных направлениях аналогично тому, как это обычно делается в томографии. Предложенный способ может эффективно использоваться для прецизионного определения расположения гипофиза. Так, точное расположение гипофиза необходимо знать перед проведением сеанса протонной терапии. Решение этой задачи с помощью рентгенографии не обеспечивает высокоточное наведение протонного пучка на гипофиз, координаты которого определяются косвенным путем по результатам рентгенографии. В предлагаемом способе такая трудность отсутствует, так как с помощью того же пучка протонов производится и протонография в протонотерапии при одной и той же фиксации головы пациента. Данньй способ характеризуется высоким разрешением и высокой точностью, которые позволяют получать количественную информацию об исследуемой ткани. Кроме того, поскольку способ, как и прототип, основан на явлении кулоновского рассеяния, где каждая частица несет полезную информацию (в отличие, например, от способа ядерного рассеяния), то необходимое время измерения составляет несколько минут, что очень важно с точки зрения удобства пациента и дийгнос71080604 8

тики, обеспечивает высокую произ-зуемых протонов. Использование

водительность. Важным преимущест-протонов более 1 ГэВ позволяет вом его перед всеми другими способа- достичь еще более высокого простми протонной радиографии являетсяранственного разрешения (выше,

отсутствие ограничения по макси-5 чем в остальных способах протонной

мальной величине энергии исполь-радиографии).

СПОСОБ ПРОТОННОЙ РАДИОГРАФИИ, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорцио. нальных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, отличающийс я тем, что, с целью повышения пространственного разрешения и точности, производят дополнительное координатно-чувствительное детектирование протонов до и после о.бъекта на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в.режиме временного разделения отдельных протонов, знергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по кото(Л рым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в исследуемом объекте по средним значениям квадратов указанных углов.