Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ

Радиотерапия протонными пучками имеет существенные преимущества по сравнению с гамма-терапией и пучками электронов. Протоны образуют пик Брэгга, слабо рассеиваются в поперечном направлении. Протонные пучки позволяют формировать пространственные дозные распределения, область максимальной дозы которых...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2008
Автор:	Молоканов, А.Г.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2008
Назва видання:	Вопросы атомной науки и техники
Теми:	Применение ускорителей
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111532
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ / А.Г. Молоканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 146-149. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-111532
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1115322017-01-11T03:03:48Z Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ Молоканов, А.Г. Применение ускорителей Радиотерапия протонными пучками имеет существенные преимущества по сравнению с гамма-терапией и пучками электронов. Протоны образуют пик Брэгга, слабо рассеиваются в поперечном направлении. Протонные пучки позволяют формировать пространственные дозные распределения, область максимальной дозы которых наиболее близко совпадает с формой облучаемой мишени и резко спадает за ее границами. Это позволяет облучать мишени, расположенные в непосредственной близости от критических органов [1]. Описывается система формирования и транспортировки пучка, результаты измерения его параметров. Радіотерапія протонними пучками має істотні переваги в порівнянні з гамма-терапією і пучками електронів. Протони утворюють пік Брегга, слабко розсіюються в поперечному напрямку. Протонні пучки дозволяють формувати просторові дозні розподіли, область максимальної дози яких найбільш близько збігається з формою опромінюваної мішені і різко спадає за її границями. Це дозволяє опромінювати мішені, розташовані в безпосередній близькості від критичних органів. Описується система формування і транспортування пучку, результати виміру його параметрів. Radiation therapy with proton beams has a number of important advantages over conventional radiation therapy with photons and electrons based on the energy deposition processes which give a well defined range in tissue, a Bragg peak of ionization in the depth-dose distribution and slow lateral scattering. The proton beam allows the maximum dose to be confined to the treatment volume while the dose to surrounding normal tissues is minimized. Realization of these advantages requires higher precision of the proton beam dosimetry, treatment planning and patient location at the beam. The presentation describes the beam transport and forming systems, the beam characteristics measurements in the procedure room 2008 Article Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ / А.Г. Молоканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 146-149. — Бібліогр.: 7 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111532 539.12.18 ru Вопросы атомной науки и техники Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Применение ускорителей Применение ускорителей
spellingShingle	Применение ускорителей Применение ускорителей Молоканов, А.Г. Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ Вопросы атомной науки и техники
description	Радиотерапия протонными пучками имеет существенные преимущества по сравнению с гамма-терапией и пучками электронов. Протоны образуют пик Брэгга, слабо рассеиваются в поперечном направлении. Протонные пучки позволяют формировать пространственные дозные распределения, область максимальной дозы которых наиболее близко совпадает с формой облучаемой мишени и резко спадает за ее границами. Это позволяет облучать мишени, расположенные в непосредственной близости от критических органов [1]. Описывается система формирования и транспортировки пучка, результаты измерения его параметров.
format	Article
author	Молоканов, А.Г.
author_facet	Молоканов, А.Г.
author_sort	Молоканов, А.Г.
title	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ
title_short	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ
title_full	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ
title_fullStr	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ
title_full_unstemmed	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ
title_sort	формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ляп оияи
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2008
topic_facet	Применение ускорителей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/111532
citation_txt	Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ / А.Г. Молоканов // Вопросы атомной науки и техники. — 2008. — № 5. — С. 146-149. — Бібліогр.: 7 назв. — рос.
series	Вопросы атомной науки и техники
work_keys_str_mv	AT molokanovag formirovanieradioterapevtičeskogoprotonnogopučkafazotronalâpoiâi
first_indexed	2025-07-08T02:17:58Z
last_indexed	2025-07-08T02:17:58Z
_version_	1837043368706703360
fulltext	УДК 539.12…18 ФОРМИРОВАНИЕ РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА ФАЗОТРОНА ЛЯП ОИЯИ А.Г. Молоканов Объединенный институт ядерных исследований, Дубна, Россия E-mail: Molok@jinr.ru Радиотерапия протонными пучками имеет существенные преимущества по сравнению с гамма-терапией и пучками электронов. Протоны образуют пик Брэгга, слабо рассеиваются в поперечном направлении. Про- тонные пучки позволяют формировать пространственные дозные распределения, область максимальной дозы которых наиболее близко совпадает с формой облучаемой мишени и резко спадает за ее границами. Это позволяет облучать мишени, расположенные в непосредственной близости от критических органов [1]. Описывается система формирования и транспортировки пучка, результаты измерения его параметров. СИСТЕМА ТРАНСПОРТИРОВКИ И ФОРМИРОВАНИЯ ПУЧКА Особенностью формирования клинического про- тонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ является за- медление выведенного первичного пучка с энергией 660 МэВ до требуемой для проведения радио- терапии средней энергии 70…250 МэВ. В процессе замедления пучок загрязняется вторичными части- цами, образующимися в результате ядерных взаимо- действий, фазовый объем пучка при этом увеличи- вается. Поэтому при формировании пучка для луче- вой терапии применяется магнитный анализ, в ре- зультате которого пучок очищается от вторичных частиц и протонов с энергиями, существенно отли- чающимися от средней энергии и искажающими глубинное дозное распределение. Однако простое удаление из пучка всех протонов, не попадающих в узкий диапазон энергии, приводит к уменьшению количества протонов в пучке, снижению мощности дозы в кабине и увеличению времени облучения па- циентов. Схема канала для формирования и транспорти- ровки протонного пучка в две процедурные кабины представлена на Рис.1. Выведенный из камеры фазо- трона протонный пучок фокусируется на вход угле- родного замедлителя, в котором энергия пучка уменьшается до необходимой средней энергии. Пу- чок анализируется системой из трех магнитов СП- 37, СП-10 и СП-57, которые отклоняют пучок на углы 320, 9,50 и 14,50, соответственно. Разрешение анализирующей магнитной системы зависит от ши- рины коллиматоров на выходе углеродного замедли- теля К1 и за системой магнитов. Рис.1. Схема канала для формирования замедленных протонных пучков Дублет квадрупольных линз Д3, расположенный на выходе коллиматора из защитной стены, фокуси- рует протонный пучок в точке на расстоянии около 150 см за поворотным магнитом СП-57, где распола- гается автоматизированная коллиматорная система АКС. Два дублета квадрупольных линз МЛ-10 и пять триплетов (Т1-Т5) служат для транспортировки пучка в процедурные помещения и компенсации линейной дисперсии в кабине облучения. Магнит СП-56 ис- пользуется для разводки пучка в кабины облучения №1 и №2. Поперечное сечение протонных пучков в каждой из процедурных кабин формируется с ис- пользованием системы основных и индивидуальных коллиматоров, устанавливаемых непосредственно перед облучаемым объектом. Транспортировка пучка осуществляется внутри вакуумного канала. Замедленный протонный пучок после прохожде- ния через систему трех поворотных магнитов приоб- ретает линейную дисперсию, траектории частиц с различными энергиями пространственно разделяют- ся, при этом средняя энергия протонов зависит от величины отклонения от оси пучка в горизонталь- ной плоскости [2]. Это объясняется тем, что в маг- нитном поле протоны с более высоким импульсом отклоняются на меньший угол, чем протоны с более низким импульсом. На Рис.2 приведены результаты измерений пробе- га протонов в зависимости от отклонения от оси пуч- ка в горизонтальной плоскости после прохождения анализирующей магнитной системы. Эти измерения показывают, что за системой поворотных магнитов наблюдается зависимость импульса и пробега прото- нов от величины отклонения от оси пучка. ____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5. Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.146-149. 146 mailto:Molok@jinr.ru Пробег 21 22 23 24 25 26 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 Y, мм Пр об ег , г /с м 2 Пробег Рис.2. Пробег протонов за анализирующей магнит- ной системой в зависимости от отклонения от оси пучка в горизонтальной плоскости (Y) Пробег протонов, прошедших через анализирую- щую магнитную систему, может быть аппрокси- мирован линейной зависимостью от горизонтальной координаты пучка. Эта разница пробегов может быть устранена с помощью компенсирующего кли- на, устанавливаемого в области линейной дисперсии протонного пучка, который уравнивает остаточную энергию протонов в различных частях пучка, в ре- зультате этой компенсации разницы пробегов про- тонов в пучке улучшается форма глубинного дозно- го распределения. Для формирования пучка с более крутым спадом дозы за пиком Брэгга в области линейной дисперсии протонного пучка установлен замедлитель, выполненный в виде клина из оргстекла. Толщина замедлителя максимальна в области прохождения высокоэнергетичных протонов и спадает до нуля там, где проходят частицы с минимальной энергией. При правильном выборе параметров клина энергии протонов выравниваются, в результате чего пик Брэгга становится более острым и область спада дозы за ним уменьшается. Параметры клина были определены на основе результатов проведенных измерений энергий и пробегов протонов, прошедших на различных расстояниях от оси пучка. Подобный метод использовался при формировании пучка пи-мезонов в LAMPF, Лос- Аламос, США [3,4]. В результате такого неоднородного замедления происходит компенсация разницы в энергии протонного пучка, энергия протонов в различных частях пучка выравнивается. Разброс пробегов протонов в пучке значительно уменьшается и пик Брэгга становится более острым, область спада дозы за пиком Брэгга уменьшается. Глубинное дозное распределение сформирован- ного таким способом пучка представлено на Рис.3. Как видно из рисунка, крутизна спада дозы за пиком Брэгга зависит от ширины щелевого коллиматора К1. Оптимальным для клинического пучка является коллиматор шириной 2 см. На этом же рисунке при- ведена кривая Брэгга для пучка, сформированного без использования компенсирующего клина. Из сравнения этих распределений следует, что спад дозы от 80 до 20% при использовании клина умень- шается с 11 до 7 мм. При этом мощность дозы протонного пучка в пике Брэгга также возрастает и становится равной 1,2 Гр/мин на 1 мкА выведенного пучка. Рис.3. Глубинные дозные распределения пучка при различных ширинах коллиматора с компенсирую- щим клином и без клина ГРЕБЕНЧАТЫЕ ФИЛЬТРЫ ДЛЯ МОДИФИКАЦИИ ГЛУБИННЫХ ДОЗНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ При облучении пациентов на протонном пучке для равномерного облучения мишени требуется преобразовать острый пик Брэгга в глубинное доз- ное распределение с плоской вершиной протяжен- ностью 2…5 см в соответствии с размерами облуча- емой мишени. Наиболее простым и удобным устройством для этого является гребенчатый фильтр. Гребенчатый фильтр – это устанавливаемый на пути пучка тяжелых заряженных частиц замедли- тель, толщина которого изменяется в поперечном сечении пучка по определенному закону. Частицы, проходя через различные участки гребенчатого фильтра (различную толщину вещества гребенчато- го фильтра) и теряя при этом часть первоначальной энергии, образуют набор пиков Брэгга с уменьшен- ным пробегом. С помощью рассеивателя пучок перемешивается и в результате суммирования этих сдвинутых пиков с незамедленной частью пучка формируется модифицированное дозное распреде- ление. Конфигурация гребенчатого фильтра должна быть рассчитана таким образом, чтобы прошедшие через него протоны при смешивании образовывали требуемое глубинное дозное распределение (плос- кую вершину с постоянной мощностью дозы задан- ной протяженности и крутой спад дозы за ней). Ко- личество шагов гребенчатого фильтра определяется требованиями к протяженности плоской вершины глубинного дозного распределения и его однородно- сти. Шаг гребенчатого фильтра T и толщина рассеи- вателя должны обеспечить равномерное смешива- ние в поперечном сечении дозного поля протонов, прошедших различные толщины вещества в этом гребенчатом фильтре. В ЛЯП ОИЯИ применяется линейно-ступенчатая конструкция гребенчатого фильтра [5], схема по- перечного сечения которого приведена на Рис.4. Гребенчатый фильтр набирается из пластин, количе- ____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5. Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.146-149. 147 ство, материал и размеры которых определяются в зависимости от формы глубинного дозного распре- деления исходного пучка и требуемой протяженно- сти плоского максимума формируемого дозного рас- пределения. Рис.4. Схема поперечного сечения гребенчатого фильтра В таком гребенчатом фильтре преобразование глубинного дозного распределения происходит в ре- зультате суммирования имеющейся исходной кривой Брэгга с рядом таких же кривых Брэгга, смещенных относительно исходной на толщину ti и с относитель- ными интенсивностями ρi= ∆xi/T, где ∆xi – толщина i-й пластины, а T-шаг гребенчатого фильтра. На Рис.5 изображен набор модифицированных глубин- ных дозных распределений протонного пучка, сфор- мированных с помощью четырех гребенчатых фильтров, которые используются для радиотерапии пациентов. Выбор гребенчатого фильтра определя- ется размерами облучаемой мишени. Рис.5. Пик Брэгга протонного пучка и модифициро- ванные дозные распределения, сформированные с четырьмя гребенчатыми фильтрами ФОРМИРОВАНИЕ ПУЧКА В КАБИНЕ ОБЛУЧЕНИЯ Пучок входит в кабину из вакуумного канала и пересекает ионизационные мониторные камеры и многопроволочные профилометры, которые контро- лируют отпускаемую при облучении дозу и гори- зонтальный и вертикальный профили пучка. Далее по ходу пучка располагается массивный коллиматор К1, обрезающий периферическую часть пучка и фон от протонов, рассеянных на стенках вакуумного ка- нала транспортировки пучка (Рис.6). На выходе кол- лиматора К1 устанавливается один из сменных гре- бенчатых фильтров. Промежуточный коллима-тор К2 обрезает протоны, рассеявшиеся в системе мони- торирования пучка, коллиматоре К1 и в гребенчатом фильтре. Формирующий коллиматор ФК, форма ко- торого вычисляется для каждого поля облучения па- циента программой планирования облучения, распо- лагается перед пациентом и формирует поперечное сечение пучка, соответствующее форме облучаемой мишени. Рис.6. Схема формирования и измерения протонного пучка в кабине №1 Изучалось влияние размеров и материала колли- маторов на форму глубинного дозного распределе- ния. При прохождении пучка через коллиматоры рассеяние протонов в стенках коллиматора приво- дит к появлению неоднородности профиля пучка, так называемый коллиматорный эффект [6,7]. Воз- растание дозы на границе апертуры коллиматора обусловлено частицами, рассеянными в стенках кол- лиматора и имеющими энергию ниже, чем в основ- ном пучке. Неоднородность профиля пучка увели- чивается с ростом заряда ядра материала коллимато- ра Z. Особенно заметно этот эффект проявляется при использовании узких коллиматоров. Измерения глубинных дозных распределений вдоль оси пучка проводились в водяном фантоме миниатюр- ным Si-детектором. На Рис.7 приведены результаты из- мерений для натурального и модифицированного пуч- ков за коллиматорами из меди и из сплава Вуда (Cer- robend-Pb-25%, Sn-12.5%, Bi-50% и Cd-12.5%). ____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5. Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.146-149 148 Рис.7. Глубинные дозные распределения протонного пучка для различных диаметров коллиматоров Форма глубинного дозного распределения в обла- сти пика Брэгга практически не изменяется для кол- лиматоров диаметром более 2 см. Сплав Вуда дает за- метный вклад на малых глубинах уже для коллимато- ров диаметром менее 3 см. Для коллиматоров диа- метром около 1 см и менее наблюдается заметное ис- кажение формы кривой Брэгга, особенно для колли- маторов из материала с высоким атомным номером Z-сплава Вуда. Эти измерения формы пика Брэгга необходимо учитывать при планировании облучения пациентов и выборе материала коллиматора, особен- но для малых мишеней размерами менее 2 см. ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ С помощью компенсирующего клина, установ- ленного в области линейной дисперсии протонного пучка, уравнивающего остаточную энергию протонов в различных частях пучка, улучшена форма глубинного дозного распределения – область спада дозы за пиком Брэгга уменьшена в 1,5 раза. Рассчитан и изготовлен набор гребенчатых фильтров, модифицирующих пик Брэгга в глубинное дозное распределение с плоской верши- ной различной протяженности. При облучении пациентов гребенчатый фильтр выбирается в зависимости от размера облучаемой мишени. Изучено влияние размеров и материала кол- лиматоров на форму глубинного дозного распре- деления. Показано, что при малых размерах апертур коллиматоров глубинное дозное распределение искажается, на малых толщинах наблюдается заметный вклад частиц, рассеивающихся в стенках коллиматора, особенно в коллиматорах из материала с высоким атомным номером Z. ЛИТЕРАТУРА 1. А.В. Агапов и др. Методика трехмерной кон- формной протонной лучевой терапии // Письма в ЭЧАЯ. 2005, т.2, №6 (129), с.80-86. 2. А.Г. Молоканов Формирование глубинного доз- ного распределения радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ // ОИЯИ, Р18-2007-90, Дубна, 2007. 3. M.A. Paciotti, et al. Tuning of the first section of the biomedical channel at LAMPF // IEEE Trans. on Nuclear Science. 1975, v.NS-22, №3. 4. E.A. Knapp. Physical Properties of Charged Parti- cle Beams for Use in Radiotherapy // Proc. оf Int. Workshop. Key Biscagne, USA, 1975. 5. А.Г. Молоканов. Применение гребенчатых фильтров в немоноэнергетических протонных пучках // ОИЯИ, 9-89-391, Дубна, 1989. 6. M. Rajcan, M. Pavlovic. Track – a Monte Carlo computer code to assist design of scattering and collimating systems for proton therapy beams // Rep. Pract. Oncol. Radiother. 2004, 9/6, p.235-241. 7. M. Rajcan, A.G. Molokanov, M. Mumot. Simula- tions of proton beam depth dose distributions // JINR. E18-2007-91, Dubna, 2007. Статья поступила в редакцию 11.10.2007 г. PROTON BEAM FOR RADIATION THERAPY AT THE JINR, DUBNA, PHASOTRON А.G. Molokanov Radiation therapy with proton beams has a number of important advantages over conventional radiation therapy with photons and electrons based on the energy deposition processes which give a well defined range in tissue, a Bragg peak of ionization in the depth-dose distribution and slow lateral scattering. The proton beam allows the maximum dose to be confined to the treat- ment volume while the dose to surrounding normal tissues is minimized. Realization of these advantages requires higher preci- sion of the proton beam dosimetry, treatment planning and patient location at the beam. The presentation describes the beam transport and forming systems, the beam characteristics measurements in the procedure room ФОРМУВАННЯ РАДІОТЕРАПЕВТИЧНОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА ФАЗОТРОНА ЛЯП ОІЯД А.Г. Молоканов Радіотерапія протонними пучками має істотні переваги в порівнянні з гамма-терапією і пучками електронів. Протони утворюють пік Брегга, слабко розсіюються в поперечному напрямку. Протонні пучки дозволяють формувати просторові дозні розподіли, область максимальної дози яких найбільш близько збігається з формою опромінюваної мішені і різко спадає за її границями. Це дозволяє опромінювати мішені, розташовані в безпосередній близькості від критичних органів. Описується система формування і транспортування пучку, результати виміру його параметрів. ____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2008. № 5. Series: Nuclear Physics Investigations (50), p.146-149. 149 Особенностью формирования клинического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ является замедление выведенного первичного пучка с энергией 660 МэВ до требуемой для проведения радиотерапии средней энергии 70…250 МэВ. В процессе замедления пучок загрязняется вторичными частицами, образующимися в результате ядерных взаимодействий, фазовый объем пучка при этом увеличивается. Поэтому при формировании пучка для лучевой терапии применяется магнитный анализ, в результате которого пучок очищается от вторичных частиц и протонов с энергиями, существенно отличающимися от средней энергии и искажающими глубинное дозное распределение. Однако простое удаление из пучка всех протонов, не попадающих в узкий диапазон энергии, приводит к уменьшению количества протонов в пучке, снижению мощности дозы в кабине и увеличению времени облучения пациентов. Рис.1. Схема канала для формирования замедленных протонных пучков Рис.5. Пик Брэгга протонного пучка и модифицированные дозные распределения, сформированные с четырьмя гребенчатыми фильтрами

Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ

Репозитарії

Схожі ресурси