Разработка технического оснащения для проведения конформной протонной лучевой терапии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.01, кандидат технических наук Швидкий, Сергей Васильевич

• Швидкий, Сергей Васильевич
• кандидат технических наук
• 2004

Оглавление диссертации кандидат технических наук Швидкий, Сергей Васильевич

Введение

Глава 1.Характеристики различных видов ионизирующего излучения, применяемых в лучевой терапии.

- 1.1 История развития медицинской радиологии

- 1.2 Биологические основы лучевой терапии

- 1.3 Ионизирующее излучение в терапии

- 1.4 Особенности различного вида излучения выведенного в процедурные кабины медико-технического комплекса

- 1.5 Схемы формирования терапевтических пучков

- 1.6 Перспективы развития лучевой терапии

Глава 2. Многосекционная система коллиматоров и замедлителей для лучевой терапии больших глубоко залегающих локализаций сложной формы.

- 2.1 Оборудование процедурной кабины №

- 2.2 Описание устройства для симультанного сканирования

- 2.3 Разработка электронных блоков управления и верификации положения системы симультанного сканирования

- 2.4 Создание программного обеспечения для многосекционной системы коллиматоров и замедлителей

- 2.5 Результаты фантомных измерений в процедурной кабине

Глава 3. Программно - аппаратный комплекс для проведения конформной протонной терапии.

- 3.1 Оборудование процедурной кабины №

- 3.2 Разработка методики измерений и результаты количественной оценки радиационной обстановки в процедурной кабине №

- 3.3 Разработка технического оснащения и пакета программ для изготовления индивидуальных устройств формирования протонного пучка

- 3.4 Программно - аппаратный комплекс для измерения и формирования параметров протонного пучка и верификации положения пациента при радиотерапии

- 3.5 Предварительные результаты конформной протонной терапии

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка технического оснащения для проведения конформной протонной лучевой терапии»

К сожалению, смертность от онкологических заболеваний занимает второе место в мире после сердечно-сосудистых заболеваний. Это вызвано рядом факторов, отсутствием ранней диагностики опухолевого процесса, естественным старением механизма корректной регенерации клеток и многими другими факторами, часть из которых до сих пор полностью не изучены. По данным Московского научно-исследовательского онкологического института имени П.А. Герцена, в 2000 году рак был диагностирован у 448602 человек. В конце 2000 года состояло на учете около 1млн. пациентов с когда-либо установленным диагнозом злокачественного новообразования. Ежегодно от злокачественных новообразований умирает около 300 тыс. человек.

По оценке Всемирной Организации Здравоохранения, при использовании адекватных методов лечения онкологических заболеваний возможно излечение 1/3 всех больных[1].

В настоящее время для лечения онкологических заболеваний все больше и больше используется лучевая терапия. Основная задача лучевой терапии -облучить опухоль (или другую мишень) внутри тела человека летальной дозой при минимальном повреждении нормальных тканей, окружающих опухоль. Лучевая терапия самостоятельно или в комбинации с другими методами, такими как химиотерапия и хирургия, применяется в 40-75% всех случаев онкологических заболеваний, и существующие тенденции указывают на возрастание этой роли в ближайшем будущем [2].

Лучевая терапия появилась на стыке веков, после открытия в 1895 году Х-лучей Рентгеном. Окружающий нас мир обладает бесконечной палитрой полутонов, поэтому любое вредное воздействие на живой организм, при определенных условиях, может приносить благо, как впрочем, и наоборот (чем больше дерево тянется к свету, тем глубже корни уходят в землю).

На первом этапе развития в лучевой терапии использовались главным образом рентгеновские лучи с энергией до 300 кэВ. Высокая поверхностная доза, слабая проникающая способность и повышенная доза на костные ткани, присущие рентгеновским лучам киловольтного диапазона энергий, не позволяли в должной мере раскрыть достоинства зарождавшейся новой методики.

В настоящее время пучки тяжелых заряженных частиц, в частности протонов находят широкое применение в лучевой терапии. Это обусловлено, прежде всего, возможностью качественного улучшения пространственных дозных распределений по сравнению с традиционно используемыми для этих целей пучками электронов и у-квантов, что позволяет снизить лучевую нагрузку на прилегающие к мишени здоровые ткани и тем самым уменьшить риск возникновения лучевых осложнений при одновременном увеличении подводимой к мишени дозы.

Возрастание величины линейной передачи энергии при увеличении глубины проникновения пучка тяжелых заряженных частиц и определенный пробег в веществе, величина которого определяется их энергией, приводит к образованию максимума ионизации - пика Брэгга, форма которого определяется энергетическим распределением частиц в пучке и страгглингом. Если использовать пучок с такой энергией, чтобы пик Брэгга совпадал с облучаемой мишенью, здоровые ткани, расположенные перед ней, будут облучаться меньшими дозами, а ткани, расположенные за ней, практически не будут обучаться совсем.

Вышеперечисленные преимущества могут быть реализованы только при условии существенного улучшения точности планирования терапевтического облучения и точности расчета и изготовления формирующих компонентов, таких как замедлители переменной толщины, коллиматоры сложной формы, гребенчатые фильтры и.т.д.

В вопросе повышения эффективности радиотерапии тяжелыми заряженными частицами техническая составляющая играет огромную роль. Можно выделить несколько задач, без решения которых невозможно добиться достаточно хороших результатов в протонной лучевой терапии. К ним, безусловно, относятся задачи формирования конформного распределения дозы, то есть равномерного облучения мишени максимальной дозой, осуществления контроля за правильностью облучения, а также разработка методик корректной верификации рассчитанного пространственного распределения.

Современные требования, предъявляемые к точности совмещения дозного максимума и локализации, особенно при облучении внутричерепных мишеней, составляют около 1мм.

В вопросе повышения эффективности радиотерапии тяжелыми заряженными частицами глубоко расположенных мишеней, наряду с обеспечением адекватного планирования, важной задачей является осуществления контроля правильности облучения. Кроме того, обязательно сравнение рассчитанного программным обеспечением положения изодозного максимума в сложной гетерогенной среде и измеренного значения в фантоме, при одинаковой геометрии процесса со всеми формирующими элементами, применяемыми при проведении сеанса протонной терапии.

Целью настоящей работы является разработка, создание и исследование характеристик комплекса аппаратуры и пакета программ для обеспечения точного совмещения дозного максимума терапевтического протонного пучка с опухолевым объемом, а именно:

• Многосекционной системы коллиматоров и замедлителей для лучевой терапии больших, глубоко залегающих локализаций сложной формы.

• Методики и технического оснащения для создания и реализации трехмерного плана облучения.

• Аппаратуры и программного обеспечения, предназначенных для расчета и изготовления замедлителей сложной формы, коллиматоров, гребенчатых фильтров, используемых в сеансах протонной терапии на пучках Фазотрона ЛЯП ОИЯИ.

• Системы измерения и верификации характеристик протонного пучка в процедурной кабине, сформированного для проведения конформного облучения внутричерепных мишеней сложной формы.

Научная новизна, основные положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы состоят в следующем:

• Разработаны и созданы электронные блоки и программное обеспечение для многосекционной системы коллиматоров и замедлителей для лучевой терапии больших, глубоко залегающих опухолей сложной формы процедурной кабины №5.

• Разработана методика и создана аппаратура для предлучевой подготовки, позволяющая совмещать расположение дозного максимума и облучаемой мишени с точностью ±1 мм.

• Разработана методика изготовления замедлителей сложной формы. Входные параметры - данные с трехмерной системы планирования "TPN".

• Разработано и создано программное обеспечение для преобразования выходных данных системы планирования и расчета лекалов для изготовления болюсов.

• Разработано и создано программное обеспечение для преобразования, интерпретации и введения данных с рентгеновского компьютерного томографа, расположенного в протонной процедурной кабине в трехмерную систему планирования.

• Разработан и создан комплекс аппаратуры и проведены измерения, позволяющие определить количественную оценку радиационной обстановки в процедурной кабине.

• Разработан и создан пакет программ, позволяющий обеспечить проведение конформной лучевой терапии.

• Разработано и создано устройство для регулирования энергии протонного пучка.

Основные результаты диссертации докладывались на научно-методических семинарах ЛЯП ОИЯИ, научных семинарах Института ядерной физики (Краков, Польша), Института атомной энергии (Сверк-Варшава, Польша). Международных симпозиумах и конференциях "25th International Symposium Radiation Protection Physics" (Дрезден, Германия 1994), "Radiation Protection Dosimetry" (Париж, Франция 1996), "Particle Therapy Cooperation Group" (Цукуба, Япония 2001), "Annual ESTRO Meeting" (Прага, Чехия 2002), "Интеллектуальный мост Россия-Запад, проблемы, перспективы" (Россия, Дубна, 2002), "Лучевая диагностика и лучевая терапия в клинике XXI века" (Россия, Москва 2002), "Новые технологии в нейрохирургии", (Россия, Санкт Петербург 2004).

По материалам диссертации опубликовано двенадцать работ.

Диссертация состоит из введения, трех глав и заключения и содержит 104 страниц машинописного текста, в том числе 37 рисунков и 3 таблицы. Список цитируемой литературы включает 69 наименований.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы экспериментальной физики», Швидкий, Сергей Васильевич

Результаты работы по протонной терапии больных в Медико-техническом комплексе ЛЯП ОИЯИ представлены в таблице 3.

Заключение

Итоги проделанной работы можно кратко сформулировать следующим образом:

1. Разработаны и изготовлены электронные блоки управления, контроля, измерения данных для многосекционной системы коллиматоров и замедлителей, расположенной в процедурной кабине № 5.

2. Разработано и создано программное обеспечение, позволяющее полностью вести дистанционное управление системой симультанного сканирования.

3. Проведены фантомные измерения глубинно-дозного распределения, сформированного системой симультанного сканирования в процедурной кабине № 5, которые подтверждают правильность работы всех электронных и программных блоков комплекса.

4. Осуществлена методика измерений количественной оценки радиационной обстановки в процедурной кабине № 1. Для этой цели был разработан и создан, специализированный электронный блок, позволяющий измерять малые токи, порядка 10"12 А.

5. Разработаны и созданы пакеты программ, позволяющие осуществлять методику конформного протонного облучения в процедурной кабине №1. Точность совмещения дозного максимума с локализацией опухоли составляет ±1 мм.

6. Проведены дозиметрические измерения, подтверждающие правильность методики облучения и всех формирующих устройств в процедурной кабине.

7. Разработано и создано устройство для регулирования энергии протонного пучка и соответствующее программное обеспечение, позволяющие ускорить этап предлучевой подготовки.

Лучевая терапия играет сегодня большую роль в лечении онкологических больных, а применение достижений физики, медицины, современных технологий позволяет реально добиться хороших результатов при ее проведении.

В заключение автор выражает благодарность кандидату технических наук Г.В. Мицыну за руководство работой. Сотрудникам Медико-технического комплекса А.В. Агапову, В.Н. Гаевскому, А.В. Иглину, А.Г Молоканову, Е.И. Лучину, Е.П. Череватенко за их творческий вклад и совместное сотрудничество в выполнении поставленных задач, а также всем соавторам по опубликованным работам.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Швидкий, Сергей Васильевич, 2004 год

1. В.И. Чиссов, Ю.А. Рахманин, В.А. Костылев Проблемы внедрения и эффектного использования лучевой терапии в онкологии. // Медицинская физика №3 2002 с.9.

2. О.В. Савченко. Состояние и перспективы применения новых клинических методов диагностики и лечения раковых заболеваний на основе использования имеющихся в ОИЯИ пучков частиц и ионов. // Сообщение ОИЯИ 2-7195, Дубна 1996г.

3. Л.Д. Линденбратен, И.П. Королюк Медицинская радиология. // Москва "Медицина" 2000.

4. R.Wilson, // Radiology, 47,487 (1946).

5. C.A.Tobias et al. Am. J. Roentgenol, 67, 1 (1952).

6. B.Larsson. The British J. of Radiology, 34, 143 (1961).

7. R.N.Kiellberg and W.H.Preston. Exerpta Med. // Int. Cong, series No 36 (1961).

8. Particles Newsletters of Proton Therapy Cooperative Group (PTCOG), No 33, January 2004.

9. J.M.Sisterson. PTCOG XX Meeting Abstracts, May 1994.

10. В.А. Костылев, А.П. Черняев, Н.А. Антипина Ионизирующее излучение в терапии. // АМФ Пресс. Москва. 2001.

11. Д.Е. Ли Действие радиации на живые клетки. // Москва. Госатомиздат, 1963.

12. В.И. Корогодин. Некоторые закономерности пострадиационных изменений покоящихся дрожжевых клеток. // Биофизика, т.З, № 6, 704-718, 1958.

13. В.И. Корогодин. Проблемы пострадиационного восстановления. // Москва, Атомиздат, 1966.

14. FaizM. Khan. The Physics of Radiation Therapy.//Second edition, 542 pages. Williams & Wilkins, 1994, USA.

15. В.И. Иванов Курс дозиметрии. // Москва. Энергоатомиздат, 1988, с.28, 37, 38.

16. А.Г. Молоканов. Применение гребенчатых фильтров в немоноэнергетических протонных пучках. // Сообщение ОИЯИ, 9-89-391, Дубна, 1989.

17. В.И. Иванов, В.Н. Лысцов Основы микродозиметрии. // Москва Атомиздат 1979, с.114.

18. С.П. Ярмоненко Радиобиология человека и животных. // Издательство Москва,"Высшая школа" 1977. с 368.

19. Циммер К.Г. Проблемы количественной радиологии: Пер. с английского под редакцией В.И. Корогодина. // Москва, Госатомиздат, 1967.

20. Эйдус Л.Х., Корыстов Ю.Н. Кислород в радиобиологии. // Москва, Энергоатомиздат, 1984.

21. Д.В. Ширков и др. Физика микромира. // Издательство «Советская Энциклопедия» Москва, 1980, с 321.

22. W.T. Chu, В.А. Ludewigt, T.R. Renner Instrumentation for Treatment of Cancer Using Proton and Light-Ion Beams. // Rev. Sci. Instrum., 64, 8, 1993.

23. M. Ф. Ворогушин, И. И. Финкелыитейн. Лучевая ионная терапия онкологических опухолей. // Москва, 1995.

24. Koehler A.M. and Preston W.M. Protons in Radiation Therapy. // Radiology, 1972,104, p.191.

25. M.R.Raju and J.HJett. Radiation Research, 60,473 (1974).

26. P.W.Todd et al. Cancer, 34,1 (1974).

27. S.V. Shvidkij, N. Golnik, E.P. Cherevatenko, A.Y. Serov, B.S. Sychev, M. Zielczynski. Recombination Index of Radiation Quality of Medical High Energy Neutron Beams. // Radiation Protection Dosimetry. Vol.70, Nos. p.217,1997.

28. Б.Н. Зырянов, Л.Н. Мусабаева, В.Н. Летов, В.А. Лисин. Дистанционная нейтронная терапия. // Томск: 1991.

29. Г. М. Обатуров Биофизика моделирования действия ионизирующего излучения на ДНК. // Радиобиология, 2, 1979.

30. G. Kraft, F. D. Maul. Nuclear Impact on Medicine. // Nuclear Physics News, 8,2,1198.

31. Coutrakon G. et al. A prototype beam delivery system for the proton medical accelerator at Loma Linda. // Med. Phys. 1991, V. 18, p. 1093.

32. J. Sisterson PARTICLES // Newsletter, No. 29, July 2002.

33. Г. В. Мицын, H. А. Морозов, E. M. Сыресин. Предложения по созданию специализированного синхротрона для медико — технического комплекса ЛЯП ОИЯИ. // Сообщение ОИЯИ, Р9-2003-105, Дубна, 2003.

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

35. В.А. Антюхов, С.В. Игнатьев, Н.И. Журавлев, Ли Зу Эк, А.Г. Петров, В.Т. Сидоров, А.Н. Синаев, А.А. Стахин, И.Н. Чурин. Цифровые блоки в стандарте КАМАК, разработанные для исследований на синхрциклотроне. // Сообщение ОИЯИ, 10-10576, Дубна, 1977.

36. В.А. Антюхов, Выонг Дао Ви, 3. Динель, Н.И. Журавлев, С.В.Игнатьев, Ле Зон Пхир, Нгуен Мань Занг, В.Т. Сидоров, А.Н. Синаев, А.А. Стахин, И.Н. Чурин. Цифровые блоки в стандарте КАМАК. // Сообщение ОИЯИ, 10-80650, Дубна, 1980.

37. Н.И. Журавлев, Ли Зу Эк, Нгуен Мань Шат, А.Г. Петров, В.Т. Сидоров, А.Н. Синаев, А.А. Стахин, И.Н. Чурин. Цифровые блоки в стандарте КАМАК, разработанные для исследований на синхрциклотроне. // Сообщение ОИЯИ, 10-8754, Дубна, 1975.

38. В.А. Антюхов, 3. Динель, С.В. Игнатьев, Н.И. Журавлев, А.Г. Петров, В.Т. Сидоров, А.Н. Синаев, А.А. Стахин, И.Н. Чурин. Цифровые блоки в стандарте КАМАК, разработанные для исследований на синхрциклотроне. // Сообщение ОИЯИ, 10-11636, Дубна, 1978.

39. Г.И. Пухальский, Т.Я. Новосельцева. Проектирование дискретных устройств на интегральных микросхемах. // Москва "Радио и связь" 1990.

40. В.Л. Шило Популярные цифровые микросхемы. // Москва "Радио и связь" 1989.

41. S.V. Shvidkij, M.Zielczynski, N.Golnik. Continuous registration of saturation curves of ionization chambers. // 25th International Symposium Radiation Protection Physics. Dresden. 1994.

42. M.Zielczynski, N.Golnik, Z.Rusinowski. A computer controlled ambient dose equivalent meter based on a recombination chamber. // Nucl. Inst. And Method, A 370 563-567 1996.

43. M. Zielczynski, N.GoInik. Recombination index of radiation quality measuring and application. // Radiation Protection Dosimetry. Vol.52,1-4, 35-38 1994.

44. M. Zielczynski, N. Golnik, S.V. Shvidkij. Recombination chamber and measuring system with sensitivity sufficient for in flight and low-level dosimetry. // Nucleonica vol. 41N 2p. 1995.

45. B.C. Владимиров. Уравнения математической физики. Москва. // Наука. с.270. 1981.

46. С.В. Швидкий, Н. Гольник, М. Зельчинский. Программно- аппаратное обеспечение регистрации вольт- амперных характеристик ионизационных камер при непрерывном изменении напряжения. // Сообщение ОИЯИ, Р10-93-410, Дубна, 1993.

47. С.А. Кутузов. Устройство для автоматизированного измерения дозных полей. // Сообщение ОИЯИ, Р10-194, Дубна, 1989.

48. М. Зельчинский, Н. Гольник, В.Н. Гаевский, В.П. Зорин, А.Г. Молоканов, С.В. Швидкий, Е.П. Череватенко. Амбиентная эквивалентная доза в кабине для лучевой терапии протонами с энергией 200 Мэв. // Сообщение ОИЯИ Р16-98-346, Дубна, 1998.

49. M. Zielczynski, N. Golnik, M. Makarewicz, A.H. Sullivan. Definition of radiation quality by initial recombination of ions. H In: 7 Symposium on microdosimetry, EUR 7147, Hartfiel, Luxembourg: CEC, 853-862,1981.

50. N. Golnik, M. Zielczynski. Determination of quality factor in mixed radiation fields using recombination chamber. // Radiation Protected dosimetry, 44,57-60 (1992).

51. N. Golnik, M. Zielczynski. The concept of RIQ and its adaptation to recent recommendations of ICRP for external neutron fields. // Nukleonika, vol 412, 119-126,1996.

52. Ю. Тихомиров. Программирование трехмерной графики. // Издательство BHV- Санкт-Петербург. 1998.

53. М. Краснов. OpenGL графика в проектах Delphi. // Издательство BHV -Санкт Петербург. 2000.

54. V.N. Gaevsky, Ye.I. Luchin, A.G. Molokanov, G.V. Mytsin, S.V. Shvidkij, D.W. Miller, P. Cernohuby, L. Frencl, F. Trebicky. The Dose Distribution Measurements of Clinical Proton Beams //21 Annual ESTRO Meeting 17-21 September, p.204, 2002.

55. JI. Аммерал. Принципы программирования в машинной графике. Перевод с английского. Л Москва. 1992.

56. Н. Тюкачев, Ю. Свиридов. Delphi 5 создание мультимедийных приложений. // Издательский дом "Питер". 2001.

57. Stopping Powers and Ranges for Proton and Alpha Particles // ICRP REPORT 49 issued: 15 May 1993.

58. A.B. Агапов, Г.В. Мицын, А.Г. Молоканов, C.B. Швидкий. Устройство для регулировки энергии протонного пучка при радиотерапии. // Сообщение ОИЯИ Р13-2004-88, Дубна, 2004.

59. Лучин Е.И., Будяшов Ю.Г., Васильев С.А., Гаевский В.Н., Гулидов И.А., Иглин А.В. Крылов В.В., Мицын Г.В., Молоканов А.Г., Цейтлина М.А., Череватенко Е.П., Швидкий С.В.Протонная Трехмерно-Конформная

60. Радиохирургия" Артериовеиозных Мальформаций Головного Мозга. // VII Международный симпозиум"Новые технологии в нейрохирургии",27-29 Мая 2004г. Санкт Петербург.

61. А.В.Агапов, В.Н. Гаевский, И.А.Гулидов, А.В. Иглин, Е.И. Лучин, Г.В. Мицын, А.Г. Молоканов, М.А. Цейтлина, Е.П. Череватенко, С.В. Швидкий Методика трехмерной конформной протонной лучевой терапии. // Письма в ЭЧАЯ 2004.