Разработка технических средств и методики динамического облучения для протонной радиотерапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат наук Агапов Алексей Валерьевич

• Агапов Алексей Валерьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Агапов Алексей Валерьевич

Введение

Глава 1. Предпосылки реализации динамического метода протонной терапии

1.1 Краткая история развития протонной терапии

1.2 Физические аспекты применения адронных излучений в лучевой терапии

1.3 Радиобиологические аспекты применения адронных излучений в лучевой терапии

1.4 Ускорители для протонной терапии и способы формирования терапевтического пучка

1.5 Методики облучения, применяемые в протонной терапии

1.5.1 Пассивные методы формирования

1.5.2 Активные методы формирования

1.5.3 Недостатки активного и пассивного методов формирования

1.6 Основы метода динамического формирования

1.7 Применение динамического метода в центрах протонной и углеродной

терапии

Выводы к главе

Глава 2. Разработка и создание одномерного анализатора дозового поля

2.1 Предпосылки создания устройства для измерения дозовых распределений терапевтического протонного пучка

2.2 Конструкция анализатора и технические характеристики

2.3 Работа с анализатором при проведении измерений

2.4 Блок управления

2.5 Экспериментальная проверка

2.6 Оценка погрешности измерений относительной поглощенной дозы

полупроводниковым детектором анализатора дозового поля

Выводы к главе

Глава 3. Разработка и создание замедлителя переменной толщины

3.1 Принцип работы автоматического замедлителя и его применение в

протонной терапии

3.2 Выбор конструкции замедлителя переменной толщины

3.3 Конструкция и технические характеристики ЗПТ

3.4 Использование ЗПТ в методах протонной терапии

3.5 Блок управления ЗПТ

3.6 Экспериментальная проверка ЗПТ

Выводы к главе

Глава 4. Разработка и создание многолепесткового коллиматора

4.1 Принцип работы коллиматора в системе формирования терапевтического протонного пучка

4.2 Разработка конструкции многолепесткового коллиматора

4.2.1 Выбор материала пластин

4.2.2 Выбор формы и геометрических параметров пластин

4.2.3 Конструкция и технические характеристики

4.3 Использование МЛК в методах протонной терапии

4.4 Блок управления

4.5 Экспериментальная проверка

Выводы к главе

Глава 5. Планирование и реализация метода динамического облучения

5.1 Основные этапы подготовки и методика проведения динамического облучения

5.2 Экспериментальная проверка метода динамического облучения в процедурной кабине МТК ЛЯП ОИЯИ

5.3 Результаты эксперимента

Выводы к главе

Заключение

Список сокращений

Публикации автора по теме диссертационной работы

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технических средств и методики динамического облучения для протонной радиотерапии»

Введение

Актуальность работы. По данным Министерства Здравоохранения РФ за 2020 год смертность от онкологии в России занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний. Одним из основных методов лечения онкологических заболеваний является дистанционная лучевая терапия, при которой источник излучения находится на расстоянии от области облучения. Наряду с традиционными видами дистанционной лучевой терапии, такими как гамма-терапия и фотонная терапия в особый подкласс выделяется терапия тяжелыми заряженными частицами (протонами или ионами), источником которых являются различного типа ускорители.

Протонная и ионно-углеродная терапии вызывают у врачей-онкологов и радиотерапевтов особый интерес, так как точность подведения дозы и степень конформности облучения (т.е. максимального соответствия сформированных полей высокой дозы облучаемому объему) намного выше, чем у других видов излучения.

В целом по стране для 50 тысяч больных в год протонная терапия показана как крайне предпочтительный, а порой и единственный метод лечения. Функционирующие в России центры протонной терапии всего лишь на 1 - 2 % могут удовлетворить эти потребности.

В Медико-техническом комплексе Лаборатории ядерных проблем Объединенного института ядерных исследований (МТК ЛЯП ОИЯИ) г. Дубна впервые в России была реализована методика конформного трехмерного протонного облучения глубокозалегающих опухолей области головы и шеи, при которой дозовое распределение с точностью до миллиметров соответствует форме мишени. Стратегия развития МТК ЛЯП ОИЯИ направлена на разработку и совершенствование новых методик и аппаратуры для лучевой терапии онкологических больных, расширение круга локализаций, доступных для облучения на медицинских протонных пучках, а также повышение качества лечения, в том числе, повышение степени конформности облучения.

Повысить степень конформности протонной лучевой терапии позволяет применение современной радиотерапевтической аппаратуры, формирующих устройств, разработка и внедрение новых методик облучения, например таких, как конформное динамическое облучение.

Целью данной работы является повышение степени конформности распределения дозы в облучаемом объеме и обеспечение точности совмещения максимума дозового распределения с объемом мишени при проведении протонной лучевой терапии за счет реализации новой методики динамического облучения. Работа направлена на разработку и апробацию программно-аппаратного обеспечения для нового метода протонного динамического облучения глубокозалегающих мишеней сложной формы на базе оборудования и пучков МТК ЛЯП ОИЯИ.

Для достижения поставленной цели требуется решить следующие задачи:

1. Разработать концепцию методики динамического облучения, определить физические и технические требования для ее создания с учетом характеристик существующей системы формирования пучков в МТК.

2. Провести анализ существующих схем формирования динамическим методом в центрах протонной и углеродной терапии в мире. Определить необходимый перечень оборудования и его характеристики для реализации метода динамического облучения в МТК.

3. Разработать и создать устройства для формирования терапевтического протонного пучка методом динамического облучения.

4. Разработать и создать прибор для дозиметрической проверки формирующих устройств и методики динамического облучения.

5. Провести дозиметрические измерения для оценки эффективности созданных формирующих устройств и новой методики динамического облучения по сравнению с применяемым в МТК стандартным методом радиотерапии.

Объектом исследования диссертационной работы являются различные системы формирования дозовых распределений терапевтического протонного пучка и их технические характеристики.

Предметом исследования являются сформированные дозовые распределения протонного пучка, полученные с использованием разработанных формирующих устройств и метода динамического облучения.

Методы исследования основаны на принципах проведения относительной и абсолютной дозиметрии с использованием полупроводниковых детекторов, ионизационных камер и радиохромных дозиметрических пленок.

Научная новизна диссертационной работы заключается в том, что впервые в России разработана методика динамического протонного облучения глубокозалегающих мишеней сложной формы, позволяющая повысить качество проводимой радиотерапии. Разработаны оригинальные конструкции и созданы устройства для формирования пучка методом динамического облучения, а также устройство для быстрой дозиметрической проверки качества сформированных полей. На одно из устройств формирования пучка получен патент РФ на изобретение.

Практическая значимость диссертационной работы состоит в том, что разработанная методика динамического облучения повышает степень конформности сформированных дозовых полей по сравнению со стандартной методикой облучения, применяемой в МТК, и позволяет увеличить доступный круг локализаций при проведении протонной терапии. Методика динамического облучения обеспечивает щадящий режим облучения здоровых тканей и критических структур в зоне облучения. Новая методика позволяет уменьшить трудозатраты и ускорить процедуру предлучевой подготовки, так как при ее реализации нет необходимости в изготовлении целого ряда индивидуальных формирующих устройств. Разработанное оборудование для формирования дозовых полей методом динамического облучения является универсальным и может быть применено для работы в области протонной терапии с использованием других методов облучения. Полученные технические характеристики спроектированных устройств обеспечивают высокую точность формирования дозовых полей в соответствии с формой мишени.

Достоверность результатов, полученных в данной диссертационной работе, подтверждается экспериментально с использованием методов абсолютной и относительной дозиметрии сформированных полей облучения. Результаты проверок показали соответствие заявленных технических характеристик разработанных устройств формирования требованиям, предъявляемым при проведении протонной терапии для обеспечения гарантии качества лечения. Экспериментальная проверка метода динамического облучения показала улучшение качества сформированных дозовых полей по сравнению со стандартным методом облучения, применяемым в МТК.

Апробация работы. Основные результаты работы были представлены на следующих конференциях и семинарах:

3rd International Summer Student School Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine. Доклад. Дубна, 01-11 июля 2005 г.

43th Particle Therapy Co-Operative Group Meeting (PTCOG53). Poster session. Мюнхен, Германия, 10-14 декабря, 2005 г.

10ая Научная конференция молодых ученых и специалистов ОИЯИ. Доклад. Дубна, 06-10 февраля 2006 г.

4th International Summer School on Nuclear Physics Methods and Accelerators in Biology and Medicine. Доклад. Прага, Чехия, 08-19 июля, 2007.

33rd Session of the Programme Advisory Committee for Condensed Matter Physics. Постер и доклад. Дубна, 27-28 января, 2011.

III Всероссийский научно-образовательный конгресс «Онкорадиология, лучевая диагностика и терапия». Доклад. Москва, 14-15 февраля 2020.

Научно-технические семинары «Медицинская физика и радиобиология» МТК ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна, 2012, 2015, 2020 гг.

Отчеты по грантам Конкурса молодых ученых и специалистов в 2011 г. (номер гранта 11-202-01), 2013 г. (номер гранта 13-202-01), 2015 г. (номер гранта 15-202-01) в ЛЯП ОИЯИ, г. Дубна.

Основные положения, выносимые на защиту, включают в себя:

1. Разработка методики протонного динамического облучения глубокозалегающих мишеней сложной формы, позволяющей формировать конформные дозовые распределения, уменьшать при этом нагрузку на близлежащие здоровые ткани и критические структуры, облучать мишень более конформно, чем применяемая стандартная методика, расширяя за счет этого круг доступных к облучению локализаций на пучке протонов в МТК ЛЯП ОИЯИ.

2. Разработка конструкции и создание прототипа многолепесткового коллиматора для задач протонной терапии, представляющего собой автоматическое устройство для дистанционного регулирования поперечного сечения терапевтического протонного пучка и позволяющего реализовывать как методику динамического облучения, так и другие методы протонной терапии. Применение многолепесткового коллиматора уменьшает время предлучевой подготовки к облучению, трудозатраты на изготовление индивидуальных формирующих коллиматоров, снижает лучевую нагрузку на персонал во время проведения процедур лучевой терапии.

3. Разработка и создание замедлителя переменной толщины, предназначенного для регулировки энергии протонного пучка в соответствии с заданной программой облучения. Замедлитель переменной толщины представляет собой автоматическое устройство, позволяющее дистанционно устанавливать на пути протонного пучка определенную толщину вещества и тем самым регулировать его остаточный пробег. Применение разработанного замедлителя в составе системы формирования пучка позволяет реализовывать как методику динамического облучения, так и другие методы протонной терапии. Применение замедлителя переменной толщины также уменьшает время предлучевой подготовки к облучению, трудозатраты на изготовление плоскопараллельных замедлителей, снижает лучевую нагрузку на персонал во время проведения процедур лучевой терапии.

4. Разработка и создание одномерного анализатора дозового поля, позволяющего проводить дозиметрические измерения сформированного

терапевтического протонного пучка методом динамического облучения для оценки его характеристик. Анализатор также может применяться для дозиметрического анализа дозовых полей, сформированных другими методами протонной терапии. Применение анализатора сокращает время предлучевой подготовки, а также время проведения подобных дозиметрических измерений.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, из них 5 статей в научных рецензируемых изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 4 - в материалах международных и российских научных конференций, получен один патент РФ на изобретение.

Личный вклад автора. Автором была разработана новая методика динамического облучения. Автор принимал определяющее участие в проектировании, конструировании и создании оборудования для реализации новой методики, такого как многолепестковый коллиматор, замедлитель переменной толщины, одномерный анализатор дозового поля, а также в создании электронных блоков системы управления и программного обеспечения для реализации методики динамического облучения на протонном пучке в МТК ЛЯП ОИЯИ. Все экспериментальные проверки были проведены при непосредственном участии автора.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка литературы. Объем диссертации 127 страниц, в том числе 55 рисунков и 6 таблиц. Список литературы включает 88 источников.

Глава 1

Предпосылки реализации динамического метода протонной терапии 1.1 Краткая история развития протонной терапии

За последние десятилетия лучевая терапия тяжелыми заряженными частицами достаточно широко внедряется в клиническую практику лечения онкологических заболеваний различной локализации. На сегодняшний день в мире введено в эксплуатацию около 100 протонных и ионно-углеродных центров лучевой терапии, как специализированных госпитальных, так и центров, созданных на базе ускорителей для физических исследований. Пролечено уже более 200 тыс. пациентов, накоплен достаточный клинический опыт, показавший перспективность применения тяжелых заряженных частиц в лучевой терапии [1].

Впервые пучки протонов, дейтронов и альфа-частиц после проведения ряда радиобиологических исследований были применены для облучения пациентов в 1954 г. на синхроциклотроне в Беркли [2], затем в 1956 г. в Швеции на протонном пучке 190 МэВ [3]. С 1961 г. клинические исследования проводились в Гарвардском университете на синхроциклотроне с энергией 160 МэВ [4].

Пионерами исследований в этой области в Советском Союзе стали три физических центра, в которых было создано специализированное оборудование для проведения протонной лучевой терапии: Объединенный институт ядерных исследований (ОИЯИ) в г. Дубна на базе протонного синхроциклотрона с энергией частиц 680 МэВ, Институт теоретической и экспериментальной физики в г. Москва на базе синхротрона с максимальной энергией протонов 7 ГэВ и Ленинградский институт ядерной физики в г. Гатчина на синхроциклотроне на 1 ГэВ.

Работы по формированию терапевтического протонного пучка в ОИЯИ велись с конца 1965 г. сотрудниками Лаборатории ядерных проблем (ЛЯП) под руководством Венедикта Петровича Джелепова.

Впервые в Советском Союзе такой терапевтический протонный пучок с энергией до 200 МэВ был получен на синхроциклотроне в апреле 1967 г. [5].

Пучок выводился в специализированное процедурное помещение, пристроенное к корпусу синхроциклотрона ЛЯП, где было размещено ротационное кресло для фиксации пациента, дозиметрическое, юстировочное и другое вспомогательное оборудование, предназначенное для контроля облучения пациентов.

В декабре 1967 г. на протонном пучке ЛЯП ОИЯИ был облучен первый в Советском Союзе пациент [6].

1.2 Физические аспекты применения адронных излучений в лучевой терапии

Возникший интерес к применению протонов, как вида ионизирующего излучения, в лучевой терапии объясняется физическими особенностями взаимодействия протонов с веществом среды распространения пучка, в том числе и с биологическими объектами. Наличие максимального выделения энергии в веществе в конце пробега у тяжелых заряженных частиц (так называемого пика Брэгга) позволяет точно сформировать область выделения дозы излучения на глубине расположения мишени (опухоли), при этом минимизировать облучение окружающих здоровых тканей. Тяжелые заряженные частицы (протоны, ионы гелия, углерода, отрицательные пионы и т.д.) имеют значительные преимущества в распределении дозы по сравнению с обычными традиционными видами ионизирующего излучения в лучевой терапии (Рисунок 1.1) [7]. По сути, протонная терапия является «избирательным» излучением, которое с одной стороны облучает опухолевый объем с максимальным эффектом, с другой стороны делает это с минимальным ущербом для здоровых тканей и окружающих органов, что приводит к меньшим побочным эффектам. Идеальным методом лечения рака является такое облучение, которое обеспечивает оптимальное распределение максимальной дозы в объеме опухоли, а не за его пределами. Иными словами, облучение должно быть максимально конформным.

оч га К

| 50

к

о

о &

О

о

5 10 15

Глубина проникновения в воде, см

Рисунок 1.1 - Сравнение глубинно-дозовых распределений различных видов ионизирующих излучений, применяемых в лучевой терапии

Помимо этого, при облучении так называемых, гипоксичных радиорезистентных опухолей, состоящих из обедненных кислородом клеток слабо реагирующих на облучение традиционными видами ионизирующего излучения, протоны, нейтроны, отрицательные пионы и ионы углерода обладают свойством более эффективного биологического воздействия [8].

Еще одной важной физической особенностью взаимодействия протонов и других тяжелых заряженных частиц с веществом является отсутствие облучения за пиком Брэгга, т.е. положение максимальной дозы ионизирующего излучения от протонов определяется их конечным пробегом в этом веществе. Пробег частиц или глубина проникновения, на которой формируется пик Брэгга, зависит от энергии, массы и заряда частицы. Используя систему выбора энергии, можно легко подобрать пробег протонного пучка в зависимости от размера и глубины залегания мишени. Также пучки протонов имеют слабое боковое рассеяние и крутой спад дозы на границах объема облучения, что определяет качество распределения дозы в мишени.

Изменение протяженности пика Брэгга по глубине проникновения может быть осуществлено путем выбора энергий частиц в пучке в определенном

диапазоне. Модулированный протонный пучок представляет собой наложение набора пучков с возрастающей энергией и весом, что приводит к «растягиванию» суммарного пика Брэгга и обеспечивает равномерную дозу в четко определенном объеме мишени. Таким образом, наличие максимума ионизации в конце пробега, резкий спад дозы за пиком Брэгга, слабое рассеяние в веществе и высокие боковые градиенты протонного пучка позволяют в значительной степени уменьшить дозовую нагрузку на окружающие опухоль нормальные ткани по сравнению с другими видами излучений. Лучевая терапия с использованием пучков протонов является более эффективными методом при облучении глубокозалегающих опухолей большого размера, расположенных вблизи критических структур.

Важными физическими характеристиками сформированных терапевтических протонных пучков являются их средний пробег в веществе, дистальный и латеральный градиенты спада дозы на разных глубинах проникновения [9].

На Рисунке 1.2 показаны глубинно-дозовое распределение (а) и поперечный профиль (б) модифицированного пучка протонов со средней энергией 145 МэВ в водном фантоме [10]. Средний пробег пучка R82% определяется по уровню 82 % дистального спада пика Брэгга. Ширину (протяженность) модифицированного пика Брэгга оценивают по уровню 90 - 95 %. Протяженность пика Брэгга может быть подобранна в соответствии с продольным размером мишени облучения по глубине проникновения пучка. Дистальный спад дозы и латеральные боковые градиенты профиля пучка Р20-80% (так называемая пенамбра, от английского penumbra) определяются по уровню 20 - 80 % от максимальной дозы. Величина дистального спада дозы определяется главным образом значением страгглинга моноэнергетического пучка в теле пациента. Значение же латерального градиента спада дозы зависит от эмиттанса сформированного пучка, его рассеяния в воздухе, в веществе замедлителей и теле пациента, а также от системы коллимирования пучка.

Поперечный профиль в воде, см

Рисунок 1.2 - Глубинно-дозовое распределение (а) и поперечный профиль (б) модифицированного пучка протонов со средней энергией 150 МэВ в воде

Исходя из принятых рекомендаций [11], средний разброс однородности дозы в области максимума поперечного и продольного профилей не должен превышать уровня ±2,5 %. Поперечная область измерения однородности определяется как разница между значением FWHM (полная ширина на полувысоте) и суммой удвоенных значений латеральной пенамбры 2 х P20-80%.

Следует отметить, что величины описанных физических характеристик протонного пучка в значительной степени зависят от оборудования, применяемого в конкретном протонном центре, и выбранного метода облучения. В отсутствии строгих стандартов в протонной лучевой терапии, числовой предел данных параметров определяется эмпирически для каждого конкретного

терапевтического пучка и ограничивается собственными критериями и выбранной стратегией лечения в конкретном протонном центре.

1.3 Радиобиологические аспекты применения адронных излучений в лучевой

терапии

Биологическое воздействие ионизирующего излучения в первую очередь зависит от пространственного распределения ионных пар, образующихся в ткани. Величина энергии, передаваемой ионизирующим излучением на единицу его пробега, называется линейной передачей энергии (ЛПЭ) и измеряется в единицах кэВ на микрон. По сравнению с традиционными видами излучения, т.е. обычной радиотерапией, имеющей относительную биологическую эффективность (ОБЭ) равную 1, пучки протонов имеют ОБЭ от 1,1 до 1,2. Таким образом, радиобиология протонных пучков считается по существу той же, что и стандартная радиотерапия, за исключением пика Брэгга, где с увеличением ЛПЭ возрастает значение ОБЭ, что приводит к повышению летальных повреждений клеток опухоли. ОБЭ определяется как отношение дозы излучения от источника Co60 к дозе излучения частиц, производящей тот же самый биологический эффект. ОБЭ дает количественный показатель эффективности на единицу поглощенной дозы любого ионизирующего излучения. Нейтроны, протоны и альфа-частицы, ионы углерода, обладая повышенным значением ЛПЭ, производят больше биологических эффектов, чем рентген, электроны и гамма-излучение. Основное отличие протонов от стандартного в лучевой терапии гамма-излучения заключается именно в физических свойствах пучка, а не в биологических эффектах в тканях. ОБЭ протонов значительно меньше, чем у нейтронов или ионов углерода, так как они имеют меньшее значение ЛПЭ. ОБЭ не является постоянным по мере увеличения глубины проникновения и зависит главным образом от степени ионизации (поглощенной дозы) в определенном биологическом объекте облучения.

Высокое значение ОБЭ является следствием высокого значения ЛПЭ конкретного вида ионизирующего излучения, так как большее количество актов

ионизации на единицу пути приводит к более высокой вероятности появления тотальных повреждений ДНК опухолевых клеток и, как следствие, является более эффективным для борьбы с опухолями.

1.4 Ускорители для протонной терапии и способы формирования

терапевтического пучка

Для получения терапевтического пучка протонов обычно применяют ускорители заряженных частиц двух типов - циклотроны и синхротроны [12].

Главной отличительной особенностью синхротрона перед циклотроном является способ вывода пучка из ускорителя. В синхротроне пучок может выводиться после нескольких циклов ускорения с необходимой для лучевой терапии энергией, тогда как в циклотроне энергия пучка на выходе всегда постоянна и не может быть изменена непосредственно ускорителем. В связи с этим, при использовании в лучевой терапии циклотрона для выбора энергии применяют так называемые энергетические деградеры (от английского energy degrader) различного типа (барабанные, клиновидные и т.п.) [13], позволяющие достаточно быстро (до 15 МэВ/с) снизить энергию пучка до требуемого значения. Следует отметить, что использование таких замедлителей приводит к некоторому ухудшению качества пучка (ухудшение моноэнергетичности, загрязнение вторичными частицами и т.д.) которое компенсируется дополнительными коллиматорами и системами магнитного анализа, что в конечном итоге ведет к снижению его интенсивности. При использовании синхротрона скорость изменения энергии при выводе несколько ниже (около 4 МэВ/с), однако наличие замедлителя на выходе из ускорителя не требуется, что не вносит существенных искажений в качество выводимого пучка. Интенсивность полученного пучка синхротрона обычно ниже, чем интенсивность пучка циклотрона. Для медицинских протонных ускорителей без сверхпроводящих магнитов интенсивность выведенного пучка циклотрона обычно составляет около 1000 нА, а синхротрона - около 15 нА [14].

Суммируя мировой опыт разработки и изготовления специализированных центров протонной терапии можно заключить, что простота управления, высокая интенсивность выводимого пучка, надежность и малый размер делают циклотроны более предпочтительными для применения в медицинских целях.

В МТК ЛЯП ОИЯИ для получения терапевтического протонного пучка используется циклический ускоритель фазотрон (разновидность циклотрона) с энергией протонов на выходе из ускорительной камеры около 660 МэВ. Эта энергия существенно выше требуемой энергии для радиотерапии, которая составляет около 250 МэВ максимум. В связи с этим, выведенный из ускорителя моноэнергетический протонный пучок тормозится до необходимой энергии специальным устройством - барабанным углеродным замедлителем, расположенным в ускорительном зале. В процессе замедления пучок теряет моноэнергетичность, загрязняется вторичными частицами, которые образуются в результате ядерных взаимодействий, фазовый объем пучка при этом увеличивается [15].

Для выравнивания энергетического спектра после замедления применяется метод магнитного анализа и компенсации. Замедленный протонный пучок, пройдя через ряд поворотных электромагнитов и коллиматорную систему, очищается от вторичных частиц и протонов с энергиями, существенно отличающимися от средней энергии пучка. Принцип работы метода магнитного анализа объясняется тем, что в магнитном поле поворотного электромагнита протоны с более высоким импульсом отклоняются на меньший угол, чем протоны с более низким импульсом. Для формирования пучка с более крутым спадом дозы за пиком Брэгга на пути протонного пучка, после прохождения анализирующей магнитной системы, устанавливается 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 частиц в пучке выравниваются, в результате чего пик Брэгга становится более острым и область спада дозы за ним уменьшается [15].

Полученный таким образом пучок имеет мощность дозы в пике около 1,2 Гр/мин на 1 мкА тока выведенного пучка, что является приемлемым для проведения протонной лучевой терапии.

1.5 Методики облучения, применяемые в протонной терапии

На сегодняшний день в практике протонной лучевой терапии существуют два основных метода формирования терапевтического дозового распределения: пассивный (или метод рассеяния) и активный (метод сканирования тонким «карандашным» пучком). Рассмотрим эти методы более подробно.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Агапов Алексей Валерьевич, 2021 год

Список литературы

1. Statistics of patients treated in particle therapy facilities worldwide. URL: https://www.ptcog.ch/index.php/patient-statistics (дата обращения: 01.07.20).

2. Tobias C.A., Anger H.O., Lawrence J.H. Radiological use of high energy deuterons and alpha particles // Am J Roentgenol Radium Ther Nucl Med, №. 67 (1), 1952. P. 1-27.

3. Larsson B. Pre-therapeutic physical experiments with high energy protons // Brit J Radiol, №. 34, 1961. P. 143-151.

4. Kjellberg R.N., Preston W.M. The use of a Bragg peak of a proton beam for intracerebral lesions // Proceedings of the Second International Congress of Neurological Surgeons, Washington DC, 1961. P. 14-20.

5. Джелепов В.П., Комаров В.И., Савченко О.В. Формирование пучка протонов с энергией 100-200 МэВ. Сообщение ОИЯИ 16-3491. Дубна, 1967.

6. Саламов Р.Ф. Подготовка и проведение процедур облучения онкологических больных на протонном медицинском пучке ЛЯП ОИЯИ. Медицинский протонный пучок ЛЯП ОИЯИ / Под ред. Рудермана А.И. и Вайнберга М.Ш. Сообщение ОИЯИ Р-5646. Дубна, 1971. С. 25-32.

7. Костылев В.А., Наркевич Б.Я. Медицинская физика. М.: Медицина, 2008. 464 c.

8. Эйдус Л.Х., Корыстов Ю.Н. Кислород в радиобиологии. М.: Энергоатомиздат, 1984. 177 c.

9. Nagappan В., Patel N.P., Kumar A. et al. Physical and Clinical Aspects of Proton Beam Therapy // Radiation Oncology, № 11(2), 2001. Р. 85-91.

10. Farr J.B., Mascia A.E., Hsi W.C. et al. Clinical characterization of a proton beam continuous uniform scanning system with dose layer stacking // Medical Physics, № 3(11), 2008. Р. 4945-4954.

11. Chu W.T., Staples J.W, Ludewigt B.A., Renner T.R. et al. Performance specifications for a proton medical facility. Lawrence Berkeley Laboratory, Technical Report LBL No.33749, 1993.

12. Черняев А.П., Клёнов Г.И., Бушманов А.Ю., Пряничников А.А., Белихин М.А, Лыкова Е.Н. Ускорители протонов в лучевой терапии // Медицинская радиология и радиационная безопасность, Том 64, № 2, 2019. С. 11-22.

13. Khan F.M. The Physics of Radiation Therapy. Philadelphia: Lippincott Williams & Wilkins, USA, 2010. 170 p.

14. Сыресин Е.М. Ускорительная техника и ее применение в медицине // Сцинтилляционные материалы. Инженерия, устройства, применение. Сборник статей. Харьков: ИСМА, 2009. 332 с.

15. Молоканов А.Г. Формирование радиотерапевтического протонного пучка фазотрона ЛЯП ОИЯИ // Вопросы атомной науки и техники, №. 5, 2008. С. 146-149.

16. Сыресин Е.М. Протонная и ионная терапия. Дубна: ОИЯИ, 2015. 156 с

17. Kumada H. Beam Delivery System for Proton Radiotherapy. Proton Beam Radiotherapy. Physics and Biology / Editors: Tsuboi K., Sakae T., Gerelchuluun A. Springer, Singapore, 2020. P. 100-101.

18. Wieszczycka W., Scharf W.H. Proton Therapy Accelerators. Poland: Warsaw University of Technology, 2001. 344 p.

19. Moyers M. Basics of Proton Therapy. Part 2 - Beam Shaping and Nozzles // Proceeding of the 43th Particle Therapy Co-Operative Group Meeting (PTCOG43), Munich, Germany, December 2005.

20. Minohara S., Fukuda S., Kanematsu N., Takei Y. et al. Recent Innovations in Carbon-Ion Radiotherapy // J Radiat Res, № 51, 2010. Р. 385-392.

21. Takei H. Physical Characteristics of Proton Beams / Proton Beam Radiotherapy. Physics and Biology. Editors: Tsuboi K., Sakae T., Gerelchuluun A. Springer, Singapore, 2020, P. 50.

22. Бекман И.Н. Ядерная медицина: физические и химические основы: учебник для бакалавриата и магистратуры. М.: Юрайт, 2017. 213 c.

23. Depuydt T. Proton therapy technology evolution in the clinic: impact on radiation protection // Ann ICRP, № 47, 2018. P. 177-186.

24. Будяшов Ю.Г., Карпунин В.О., Колонуто П.Е., Мицын Г.В., Молоканов А.Г.,

Швидкий С.В. Система контроля параметров протонного пучка при радиотерапии // Письма в ЭЧАЯ, Том 3, № 1, 2006. C. 101-110.

25. Safai S., Bortfeld T., Engelsman M. Comparison between the lateral penumbra of a collimated double-scattered beam and uncollimated scanning beam in proton radiotherapy // Phys Med Biol, №. 53(6), 2008. P. 1729-1750.

26. Dowdell S.J., Clasie B., Depauw N. et al. Monte Carlo study of the potential reduction in out-of-field dose using a patient-specific aperture in pencil beam scanning proton therapy // Phys Med Biol. 2012, № 57. P. 2829-2842.

27. Hyer D.E., Hill P.M., Wang D. et al. A dynamic collimation system for penumbra reduction in spot-scanning proton therapy: proof of concept // Medical Physics, № 41(9), 2014.

28. Futami Y., Kanai T., Fujita M. et al. Broad-beam three-dimensional irradiation system for heavy-ion radiotherapy at HIMAC // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., А. 430, 1999. Р. 143-153.

29. Kanai T., Endo M., Minohara S. et al. Bio-physical characteristic of HIMAC clinical irradiation system for a heavy-ion radiation therapy // Int J Radiat Oncol Biol Phys, № 44, 1999. Р. 201-210.

30. Yonai S., Kanematsu N., Komori M., et al. Evaluation of beam wobbling methods for heavy-ion radiotherapy // Medical Physics, №35, 2008. Р. 927-938.

31. Torikoshi M., Minohara S., Kanematsu N. et al. Irradiation System for HIMAC // Journal of Radiation Research, № 48, 2007. Р. 15-25.

32. Kanai T., Kanematsu N., Minohara S. et al. Commissioning of a Conformal Irradiation System for Heavy-Ion Radiotherapy Using a Layer-Stacking Method // Medical Physics, № 33(8), 2006. Р. 2989-2997.

33. Kanematsu N., Furukawa T., Hara et al. New technologies for carbon-ion radiotherapy - Developments at the National Institute of Radiological Sciences // Japan Radiation Physics and Chemistry, №. 162, 2019. P.90-95.

34. Kamada T., Tsujii H., Blakely E.A. et al. Carbon ion radiotherapy in Japan: an assessment of 20 years of clinical experience // Lancet Oncology, № 16(2), 2015. P. 93-100.

35. Официальный сайт компании Mitsubishi Electric. URL: https: //www. mitsubishielectric.com.

36. Develops multi-function irradiation nozzle for proton-type particle therapy systems. Public release №2906 of Mitsubishi Electric Corporation public relations division, 2015.

37. Takaaki I. Multi-leaf collimator, particle beam therapy system, and treatment planning apparatus. US Patent № 20130056646A1. Mitsubishi Electric Corp., 2010.

38. Tsuyama Chuo Proton Beam Center Treats First Patients with RayStation. Imaging Technology News. URL: https://www.itnonline.com/content/tsuyama-chuo-proton-beam-center-treats-first-patients-raystation (дата обращения 07.2020)

39. Официальный сайт компании Hitachi. URL: https://www.hitachi.com

40. Toshito T., Omachi C., Kibe Y. et al. A proton therapy system in Nagoya Proton Therapy Center // Australas Phys Eng Sci Med., № 39(3), 2016. Р. 645-654.

41. Yasui K., Toshito T., Omachi C. et al. Evaluation of dosimetric advantages of using patient-specific aperture system with intensity-modulated proton therapy for the shallow depth tumor // J Appl Clin Med Phys, № 19(1), 2018. Р. 132-137.

42. Sasaki M., Yoshikazu M., Tameshige Y. Preparation of the layer-stacking conformal irradiation system in Fukui Prefectural Hospital, Proton Therapy Center // Proceeding of the 107th Scientific Meeting of the Japan Society of Medical Physics (JSMP), Yokohama, Kanagawa, Japan, № 34 (1), 2014. Р. 63.

43. Sakamoto Y., Maeda Y., Yamada Y. et al. A robust optimization method for weighted-layer-stacking proton beam therapy // Phys Med Biol., № 65(19), 2020. P. 195009.

44. Hitachi's Advanced Proton Beam Therapy System "PROBEAT-V" Begins Treatments at Mayo Clinic in Rochester, M.N. News releases of Hitachi Ltd, 2015.

45. Hitachi's First Proton Therapy System in Europe Opens at Clinica Universidad de Navarra in Spain. News releases of Hitachi Ltd, 2020.

46. Официальный сайт компании Sumitomo Heavy Industries. URL: https://www.shi.co.jp

47. Официальный сайт компании Samsung Medical Center. URL: http : //www.samsunghospital .com/home/proton/en/main/index.do.

48. Chung K., Han Y., Kim J. et al. The first private-hospital based proton therapy center in Korea; status of the Proton Therapy Center at Samsung Medical Center // Radiat Oncol J., № 33(4), 2015. Р. 337-343.

49. Kim D.H., Park S., Jo K. et al. Investigations of line scanning proton therapy with dynamic multi-leaf collimator // Phys Med., № 55, 2018. Р. 47-55.

50. Lee С.-С., Wu С.-J., Huang H.-C., Wu S.-W. Dose impact of a brass aperture on low dose tails for a proton wobbling nozzle with a multileaf collimator - A Monte Carlo study // Radiation Physics and Chemistry, № 167, 2020. P. 108367

51. Yeh C.Y. Two Years Proton Therapy Experience on Machine Parameters in Operation at Chang Gung Memorial Hospital Proton Center // Proceedings of the 57th Annual Meeting of the Particle Therapy Cooperative Group Meeting (PTCOG57), Cincinnati, Ohio, USA, 2018.

52. Azuma Y., Tateoka K. Performance evaluation of line scanning method in proton therapy // Journal of Physics: Conference Series. Proceedings of the 18th Asia-Oceania Congress of Medical Physics (AOCMP) & 16th South-East Asia Congress of Medical Physics (SEACOMP). Bangsar South, Kuala Lumpur, № 1248, 2018. P. 012-038.

53. Kohno R., Hotta K., Dohmae T. et al. Development of Continuous Line Scanning System Prototype for Proton Beam Therapy // Int J Part Ther., № 3(4), 2017. P. 429-438.

54. Winterhalter C., Meier G., Oxley D. et al. Application of a thin, energy-layer specific multi-leaf collimator for proton pencil beam scanning // Radiotherapy and Oncology: ESTRO 38, № 133, 2019. P. 500.

55. Bues M., Newhauser W.D., Titt U., Smith A.R. Therapeutic step and shoot proton beam spot-scanning with a multi-leaf collimator: a Monte Carlo study // Radiat Prot Dosimetry, № 115(1-4), 2005. P.164-169.

56. Winterhalter C., Meier G., Oxley D. et al. Contour scanning, multi-leaf collimation and the combination thereof for proton pencil beam scanning // Phys Med Biol., №

64(1), 2018. P. 015002.

57. Агапов А.В. и др. Методика трехмерной протонной лучевой терапии // Письма в ЭЧАЯ, Том 2, № 6, 2005. С. 80-86.

58. Fraas F. et al. Quality Assurance for Clinical Radiotherapy Treatment Planning. Report of AARM Radiation Therapy Committee Task Group №53 USA: Medical Physics, № 25, 1998. Р. 1773-1829.

59. Официальный сайт компании Microsoft. URL: https://www.microsoft.com/

60. Официальный сайт компании OriginLab. URL: https://www.originlab.com/

61. Официальный сайт Института Физико-Технических Проблем Федерального Агентства по атомной энергии. URL: https://iftp.ru

62. Keys R.A., Purdy J.A. Performance evaluation and acceptance testing of a Radiation field analyzer // Medical Physics, № 11, 1994. P. 403.

63. Антюхов В.А., Журавлев Н.И., Игнатьев С.В., Крайпе Г., Малышев А.В., Опалек Т., Сидоров В.Т., Синаев А.Н., Стахин А.А., Чурин И.Н. Цифровые блоки в стандарте КАМАК. Сообщение ОИЯИ 10-90-589. Дубна, 1990.

64. Абазов В.М. и др. Аппаратура на линии с ЭВМ для сканирующего ротационного облучения на пучках тяжелых заряженных частиц. Сообщение ОИЯИ 18-80-156. Дубна, 1980.

65. Официальный сайт PTW The Dosimetry Company. URL: https://www.ptwdosimetry.com/en/

66. Mather R., Segre E. Range Energy Relation for 340 MeV protons // Phys. Rev., № 84(2), 1951. P. 191-193.

67. Методы и приборы для измерения ядерных и других радиоактивных материалов. Учебное пособие под ред. Бойко В.И., Силаев М.Е. Томск: ТПУ, 2011. 355 с.

68. Акимов Ю.К. Полупроводниковые детекторы ядерных излучений. Дубна: ОИЯИ, 2009. 278 с.

69. Практикум по ядерной физике. Учебное пособие под редакцией Сергеева В.О. Санкт-Петербург: СПбГУ, 2006. 184 с.

70. Мурзина Е.А. Взаимодействие излучения высокой энергии с веществом.

Учебное пособие. М.: МГУ им. М.В. Ломоносова, 2007. 97 с.

71. Nakamura K. et al. Passage of particles through matter (Particle Data Group) // J Phys G Nucl Part Phys, № 37, 2010. P. 075021.

72. Babu S.R., Badiger N.M. Measurement of Energy Loss Straggling of Relativistic Electrons in Thin Aluminum Foils // Acta Physica Polonica, № 129, 2016. Р. 1118-1123.

73. Cавельева А.И., Фетисов И.Н. Обработка результатов измерения при проведении физического эксперимента. Методические указания под ред. Ерковича С.П. М.: МГТУ, 1990. 32 с.

74. Официальный сайт компании ТНК. URL: https://www.thk.com

75. Официальный сайт компании Kubler. URL: https://www.kuebler.com/

76. Brenner D.J., Hall E.J. Secondary neutrons in clinical proton radiotherapy: a charged issue // Radiother Oncol., № 86(2), 2008. Р. 165-170.

77. Moskvin V., Cheng C.W., Das I.J. Pitfalls of tungsten multileaf collimator in proton beam therapy // Medical Physics, № 38(12), 2011. Р. 6395-6406.

78. Sardar D., Salimi E. Monte Carlo simulation for evaluation of dose distribution in proton therapy // Romanian Reports in Physics, № 66(1), 2014. Р. 148-156.

79. Han S.-E., Cho G., Lee S.B. An Assessment of the Secondary Neutron Dose in the Passive Scattering Proton Beam Facility of the National Cancer Center // Nuclear Engineering and Technology, № 49, 2017. Р. 801-809.

80. Daartz J., Bangert M., Bussiere M.R., Engelsman M., Kooy H.M. Characterization of a mini-multileaf collimator in a proton beamline // Medical Physics, № 36(5), 2009. Р.1886-1894.

81. McKenna W.G. Development of a Multileaf Collimator for Proton Radiotherapy. The University of Pennsylvania Philadelphia, PA 19104-6205. Annual report. 2005

82. Brenner D.J., Elliston C.D., Hall E.J., Paganetti H. Reduction of the secondary neutron dose in passively scattered proton radiotherapy, using an optimized pre-collimator/collimator // Phys Med Biol, №54, 2009. Р. 6065-6078.

83. Agapov A., Mumot M. Modeling of Dose Distribution for Proton Beam Delivering System with the use of Multi-Particle Transport Code "Fluka" // Nuclear Physics

Methods and Accelerators in Biology and Medicine. Editors: Granja C., Leroy C., Stekl I. AIP Conference Proceedings, American Institute of Physics, USA, Vol. 958, 2007. P. 294-297.

84. Официальный сайт CafChromic. URL: http://www.gafchromic.com/

85. Молоканов А.Г. Применение гребенчатых фильтров в немоноэнергетических протонных пучках. Препринт ОИЯИ 9-89-391. Дубна, 1989.

86. Agapov A.V., D. M. Borowicz D. M., Mitsyn G. V., Shipulin K. N. Verification of Homemade TPS Using Radiochromic Films // Int J Part Ther.: PTCOG55, Prague, Czech Rep., № 3(1), 2016. P. 271-276.

87. Климанов В.А., Самойлов А.С., Удалов Ю.Д. Физика планирования протонной лучевой терапии // Медицинская радиология и радиационная безопасность, Том. 64, № 2, 2019. С. 23-32.

88. Borowicz D., Malicki J., Mytsin G., Shipulin K. Dose distribution at the Bragg peak: Dose measurements using EBT and RTQA gafchromic film set at two positions to the central beam axis // Medical Physics, № 44, 2017. P. 1538-1544.