Патент на изобретение №2334251

(54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПРОСТРАНСТВЕННОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ПОТОКА ЭНЕРГИИ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ ЛУЧА (ИМПУЛЬСНОГО И НЕПРЕРЫВНОГО) НАПРАВЛЕННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЙ ИНТЕНСИВНОСТИ И ЭНЕРГИИ ФОТОНОВ И ЛОКАЛИЗАЦИИ ОТДЕЛЬНЫХ ОРГАНОВ ПАЦИЕНТА

(57) Реферат:

Изобретение относится к области ядерной физики и позволяет измерять пространственное распределение плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности и высокой энергии фотонов. Сущность: устройство содержит размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока излучения в поток вторичных электронов, коллиматор вторичных электронов и многоэлектродную позиционно-чувствительную ионизационную камеру. Выходные сигналы камеры подаются в систему обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов, имеющую N входов. При этом коллиматор вторичных электронов расположен между конвертером фотонного излучения и многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камерой (МПЧИК), указанная камера выполнена в виде секций, каждая секция состоит из общего катода и анода, при этом анод разделен на стрипы, которые ориентированы в направлении падающего луча фотонов, а выходные сигналы стрипов считываются с помощью схемы управления и считывания, имеющей N входов для обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии. Устройство характеризуется также тем, что анодные стрипы выполнены не более 1 мм шириной, совокупность стрипов и катодов всех секций многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камеры образует двумерную матрицу, состоящую из горизонтальных строк и вертикальных столбцов, каждый элемент матрицы служит для передачи позиции исследуемого поля излучения. Технический результат: измерение пространственного распределения плотности потока энергии, а также локализация отдельных органов пациента за счет неравномерной поглощающей способности органами фотонов. 1 з.п. ф-лы, 6 ил.

Техническое решение относится к области ядерной физики (приборы для измерения ядерных излучений) и позволяет измерять пространственное распределение плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности и высокой энергии фотонов.

Предназначено преимущественно для использования в медицине, при проведении радиотерапевтических процедур.

Заявляемое устройство позволяет осуществить измерение пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии, т.е. так называемую верификацию дозного поля, а также обеспечивает возможность, при пониженной интенсивности луча фотонов, видеть отдельные органы и ткани пациента вследствие неравномерного поглощения ими фотонов, т.е. осуществлять так называемую портальную визуализацию, что значительно облегчает планирование и проведение радиотерапевтических процедур.

Подобные устройства необходимы, в частности, в онкологии при планировании и проведении радиотерапевтических процедур, а именно при облучении опухолей импульсными и непрерывными лучами высокой интенсивности фотонов высокой энергии, вырабатываемыми медицинскими радиотерапевтическими импульсными ускорителями (далее – ускорителями), а также естественными радиоактивными источниками фотонов.

Наличие такого устройства в составе радиотерапевтических комплексов – как существующих, так и вновь создаваемых – особенно актуальным становится в настоящее время, при переходе к усовершенствованным методикам доставки луча, таким как многолепестковые коллиматоры, импульсно модулированная радиационная терапия.

Без наличия и использования таких устройств в составе радиотерапевтических комплексов невозможно обеспечить гарантию качества облучения, сбережение здоровых тканей и органов от переоблучения.

Известны устройства, позволяющие тем или иным образом осуществить как верификацию дозного поля, так и портальную визуализацию.

Так, известно устройство, в котором используется детектор на основе многопроволочного позиционно чувствительного лавинного счетчика (МПЧЛС), позволяющее с достаточно высокой точностью определить положение и профиль поперечного сечения луча (импульсного и непрерывного) направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии (1). Основным недостатком данного устройства является невозможность видеть положение отдельных органов, что обусловлено сравнительно низкой контрастной чувствительностью детектора. Имеются также трудности калибровки дозного поля из-за сложного, многоступенчатого характера преобразования первичного фотонного излучения во вторичное, в данном случае – излучение осколков деления материала конвертера.

Время набора информации с достаточной статистической точностью относительно велико и может составлять, в зависимости от интенсивности луча фотонов, до единиц минут, что затрудняет использование данного устройства в системах с многолепестковым коллиматором.

Известны также устройства, позволяющие визуализировать положение отдельных органов.

К ним, в частности, относятся системы на основе матриц, состоящих из миниатюрных ионизационных камер (ИК) или полупроводниковых детекторов на основе аморфного кремния (АК).

При использовании матриц на основе ИК снимаются трудности калибровки дозного поля, однако пространственное разрешение таких устройств ограничено техническими трудностями изготовления малогабаритных ионизационных камер и весьма громоздкими схемами съема и обработки сигнала, разрешить которые удается путем разработки уникальных микросхем.

При использовании полупроводниковых детекторов из аморфного кремния возникают трудности калибровки вследствие того, что кремний не является тканеэквивалентным материалом.

Недостатком матриц на основе АК является также их недолговечность из-за сравнительно низкой радиационной стойкости, а также возможность локального выхода матриц из строя, что приводит к искажениям в измерениях поля (2).

Наиболее близким по сущности к заявляемому устройству является устройство, выполненное на основе детектора, названного авторами «пиксельно-сегментированная ионизационная камера» (далее – ПСИК), выбранное в качестве прототипа.

Устройство на основе ПСИК обеспечивает верификацию дозного поля в режиме реального времени, что необходимо при использовании методики облучения с помощью динамически управляемого многолепесткового коллиматора, изменяющего профиль сечения луча фотонов при непрерывном вращении излучателя луча фотонов вокруг пациента, в соответствии с профилем сечения облучаемой опухоли.

ПСИК состоит из сплошного пленочного катода и пленочного анода, который разделен на квадратные ячейки (сегменты) с размерами 7.5×7.5 мм, образующие совокупность 32×32=1024 плоскопараллельных ионизационных камер с общим катодом, которую можно рассматривать, как N×N (N – число ячеек в строке и столбце) матрицу из 1024 элементов, поскольку от каждого анода сделан токосъем к каналу предварительной обработки сигнала, размещенному в модуле, конструктивно объединенном с ПСИК. Таким образом, в данном случае для предварительной обработки сигнала необходимы N² измерительных каналов.

Материал катода – медь, служит конвертером первичного фотонного излучения в излучение вторичных электронов. Разделителем катода и анода служит пластина из плексигласа с отверстиями, стенки которых образуют стенки камер, и служащая в то же время коллиматором для вторичных электронов, снижая их рассеяние.

Геометрические размеры анодных сегментов определяют возможное позиционное разрешение ПСИК, которое не может быть лучше, чем 7.5 мм, что не позволяет с достаточной точностью видеть отдельные органы.

При попытке улучшить пространственное разрешение ПСИК путем уменьшения размеров сегмента количество измерительных каналов возрастает квадратично, значительно усложняя и удорожая устройство (3).

Задачей изобретения является создание устройства, свободного от недостатков прототипа, которое позволяет измерять пространственное распределение плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии, а техническим результатом является не только измерение пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии, но также локализация отдельных органов пациента за счет неравномерной поглощающей способности органами фотонов.

Кроме того, при верификации дозного поля обеспечивается возможность, при пониженной интенсивности луча фотонов, видеть отдельные органы и ткани пациента, а при портальной визуализации значительно облегчается планирование и проведение радиотерапевтических процедур.

Это достигается тем, что устройство для измерения пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении луча (импульсного и непрерывного) направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов и локализации отдельных органов пациента, содержащее размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока излучения в поток вторичных электронов, коллиматор вторичных электронов и многоэлектродную позиционно-чувствительную ионизационную камеру, выходные сигналы которой подаются в систему обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов, имеющую N×M входов, характеризуется тем, что коллиматор вторичных электронов расположен между конвертером фотонного излучения и многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камерой (МПЧИК), указанная камера выполнена в виде секций, каждая секция состоит из общего катода и анода, при этом анод разделен на стрипы, которые ориентированы в направлении падающего луча фотонов, а выходные сигналы стрипов считываются с помощью схемы управления и считывания, имеющей N входов для обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии.

Устройство характеризуется также тем, что анодные стрипы выполнены не более 1 мм шириной, совокупность стрипов и катодов всех секций многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камеры образует двумерную матрицу, состоящую из горизонтальных строк и вертикальных столбцов, каждый элемент матрицы служит для передачи позиции исследуемого поля излучения, а длина и ширина стрипов выбирается, исходя из требуемого пространственного разрешения и эффективности регистрации вторичных электронов.

Устройство показано на чертежах. Фиг.1 – функциональная схема заявляемого устройства. Фиг.2 – секция МПЧИК. Фиг.3 – канцелярская скрепка, стальная шайба. Фиг.4 – кость. Фиг.5 – медные полоски: ширина 1,4 и 2 мм, толщина 50 мкм. Фиг.6 – стальные шайбы: 6 мм, 7 мм, 9 мм, 10 мм.

На чертежах цифрами обозначено:

1. Направленный луч фотонов.

2. Конвертер.

3. Вторичные электроны конвертера.

4. Коллиматор вторичных электронов конвертера.

5. Сформированный коллиматором поток вторичных электронов.

6. Многоэлектродная позиционно-чувствительная ионизационная камера.

7. Анодный стрип.

8. Катод (металлизация).

9. Выводы анодов.

10. Выводы катодов.

11. Корпус МПЧИК.

12. Газ, наполняющий устройство.

13. Схема управления-считывания.

14. Компьютер.

МПЧИК состоит из ряда идентичных секций, установленных на общем основании. Каждая секция состоит из анода и катода, расположенных параллельно друг другу и вертикально относительно основания камеры. Анод разделен на отдельные полоски – стрипы, нанесенные с одинаковым шагом на пластину (показана, но не обозначена) из диэлектрика с высоким удельным сопротивлением с целью снижения утечек тока. Обратная сторона анодной пластины имеет металлизацию и является катодной пластиной следующей секции. Пластины вставляются в панель с общей магистралью, состоящей из параллельно расположенных проводников, выполненных печатным способом на пластине из диэлектрика с малыми утечками. Магистраль электрически соединяет одноименные стрипы анодных электродов всех секций и выходит на одну из сторон основания. Каждая линия магистрали подключена ко входу схемы управления-считывания. Выводы катодов выполнены на другую сторону основания, как показано на фиг.1.

Совокупность анодных стрипов и катодов всех секций МПЧИК образует двумерную матрицу плоскопараллельных ионизационных камер, состоящую из горизонтальных строк и вертикальных столбцов. Каждый элемент матрицы передает позицию исследуемого поля излучения. Длина стрипов выбирается исходя из требуемой эффективности регистрации вторичных электронов.

Матрица имеет размерность N×M, где N – число стрипов в секции, а М – число секций. Фотонное излучение направляется вдоль анодных стрипов МПЧИК. Для простоты рассмотрения можно принять N=M, так же, как в прототипе. Следует отметить, что такая камера достаточно проста в изготовлении и стоимость ее не очень высока, поскольку при необходимости увеличить размеры активной области устройства или уменьшить ширину стрипов для повышения пространственного разрешения число каналов считывания увеличится не квадратично, как в случае прототипа, а линейно.

Считывание информации с МПЧИК производится в параллельно-последовательном режиме таким образом, что сигналы возникают одновременно в анодных стрипах той секции, на катод которой в данный момент подано напряжение смещения. При этом сигналы с анодных стрипов секции считываются последовательно. Порядок считывания сигналов с секций МПЧИК задается схемой управления-считывания.

Устройство работает следующим образом.

Луч фотонов 1, попадая в конвертер 2, выбивает из него поток вторичных электронов 3, который, пройдя через коллиматор 4, попадает в чувствительный объем МПЧИК 6, образуемый анодом, разделенным на стрипы 7, и катодом 8, вызывая ионизацию газа 12.

В процессе работы схемы управления-считывания 13 секции опрашиваются последовательно путем подачи напряжения смещения на выводы катодов 10, а с анодных стрипов 7 соответствующей секции поочередно снимается сигнал, величина которого пропорциональна потоку энергии фотонного излучения.

Информация после обработки в схеме управления-считывания поступает в компьютер 14, на дисплее которого формируется изображение пространственного распределения плотности потока энергии луча фотонов 1.

Сформированный коллиматором поток вторичных электронов 5 попадает в чувствительный объем МПЧИК.

Выводы анодов 9 представляют собой магистрали, соединяющие одноименные анодные стрипы 7 всех секций.

Испытания устройства показали возможность измерения с его помощью пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении луча направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии, т.е. производить верификацию дозного поля, а также возможность видеть проекции объектов, имеющих разную поглощающую способность, т.е. осуществлять портальную визуализацию.

Результаты испытаний устройства (визуализация осуществляется в цвете различных объектов при облучении) иллюстрируются на фиг.3 – канцелярская скрепка (стальная шайба), фиг.4 – кость, фиг.5 – медные полоски шириной 1,4 и 2 мм; фиг.6 – стальные шайбы 6 мм, 7 мм, 9 мм, 10 мм.

При этом было получено пространственное разрешение порядка 1 мм при времени набора кадра не более 1 мс.

Источники информации

1. Г.П.Тюрин. «Устройство для измерения положения и сечения луча направленного излучения высокой интенсивности, преимущественно фотонов и нейтронов», патент РФ № 2240578, 2004.

2. M.Stasi, at al. D-IMRT verification with a 2D pixel ionization chamber: dosimetric and clinical results in head and neck cancer, Phys. Med. Biol., 50(2005)4681-4694.

3. S.Amerio, at al. Dosimetric characterization of a large area pixel-segmented ionization chamber, Med. Phys. 31(2), February 2004, 414-420.

Формула изобретения

1. Устройство для измерения пространственного распределения плотности потока энергии в поперечном сечении луча (импульсного и непрерывного) направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов и локализации отдельных органов пациента, содержащее размещенные в общем корпусе, заполненном газом, конвертер потока излучения в поток вторичных электронов, коллиматор вторичных электронов и многоэлектродную позиционно-чувствительную ионизационную камеру, выходные сигналы которой подаются в систему обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности и энергии фотонов, имеющую N входов, отличающееся тем, что коллиматор вторичных электронов расположен между конвертером фотонного излучения и многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камерой, указанная камера выполнена в виде М секций, каждая секция состоит из общего катода и анода, при этом анод разделен на стрипы, которые ориентированы в направлении падающего луча фотонов, а выходные сигналы стрипов считываются с помощью схемы управления и считывания, имеющей N входов для обработки и визуализации распределения плотности потока энергии в луче направленного излучения высокой интенсивности фотонов высокой энергии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что анодные стрипы выполнены не более 1 мм шириной, совокупность стрипов и катодов всех секций многоэлектродной позиционно-чувствительной ионизационной камеры образует двумерную матрицу, состоящую из горизонтальных строк и вертикальных столбцов, каждый элемент матрицы служит для передачи позиции обследуемого поля излучения, длина и ширина стрипов выбирается исходя из требуемого пространственного разрешения и эффективности регистрации вторичных электронов.

РИСУНКИ