Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН

В Комплексе протонной терапии (КПТ) Института ядерных исследований РАН в качестве источника протонов используется линейный ускоритель, позволяющий получать на выходе пучки протонов с энергиями от 70 до 209 МэВ. В настоящее время введен в эксплуатацию канал транспортировки с предварительным формирова...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
Hauptverfasser:	Акулиничев, С.В., Асеев, В.Н., Васильев, В.Н., Гаврилов, Ю.К., Илич, Р.Д., Коконцев, А.А., Лазебник, Д.Б., Скоркин, В.М.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України 2010
Schlagworte:	Применение ускорителей
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17028
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, В.Н. Асеев, В.Н. Васильев, Ю.К. Гаврилов, Р.Д. Илич, А.А. Коконцев, Д.Б. Лазебник, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 117-122. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-17028
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-170282011-02-19T12:03:45Z Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН Акулиничев, С.В. Асеев, В.Н. Васильев, В.Н. Гаврилов, Ю.К. Илич, Р.Д. Коконцев, А.А. Лазебник, Д.Б. Скоркин, В.М. Применение ускорителей В Комплексе протонной терапии (КПТ) Института ядерных исследований РАН в качестве источника протонов используется линейный ускоритель, позволяющий получать на выходе пучки протонов с энергиями от 70 до 209 МэВ. В настоящее время введен в эксплуатацию канал транспортировки с предварительным формированием протонного пучка. Следующим этапом является создание системы индивидуального формирования пучка, обеспечивающей однородность профиля и равномерное распределение поглощенной дозы в мишени. Для этого необходимо оценить распределение интенсивности в сечении пучка, его энергетические и угловые характеристики. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований этих характеристик. В Комплексі протонної терапії (КПТ) Інституту ядерних досліджень РАН як джерело протонів використовується лінійний прискорювач, що дозволяє одержувати на виході пучки протонів з енергіями від 70 до 209 МеВ. В даний час введено в експлуатацію канал транспортування з попереднім формуванням протонного пучка [1]. Наступним етапом є створення системи індивідуального формування пучка, що забезпечує однорідність профілю і рівномірний розподіл поглиненої дози в мішені. Для цього необхідно оцінити розподіл інтенсивності в перетині пучка, його енергетичні і кутові характеристики. У даній роботі представлено результати експериментальних і теоретичних досліджень цих характеристик. At the Complex of proton therapy (CPT) of the Institute for nuclear researches of RAS a source of protons is the linear proton accelerator, providing protons with energies from 70 up to 209 MeV. The proton transportation channel with preliminary formation system of medical beams was tested. A system of individual beam formation, providing uniformity of a profile and uniform distribution of the absorbed dose in tumors, will be developed next. For this system design it is necessary to estimate intensity distributions, its energy and angular characteristics. Results of experimental and theoretical researches of these characteristics are presented in the present work. 2010 Article Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, В.Н. Асеев, В.Н. Васильев, Ю.К. Гаврилов, Р.Д. Илич, А.А. Коконцев, Д.Б. Лазебник, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 117-122. — Бібліогр.: 13 назв. — рос. 1562-6016 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17028 539.1.076 ru 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 Акулиничев, С.В. Асеев, В.Н. Васильев, В.Н. Гаврилов, Ю.К. Илич, Р.Д. Коконцев, А.А. Лазебник, Д.Б. Скоркин, В.М. Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
description	В Комплексе протонной терапии (КПТ) Института ядерных исследований РАН в качестве источника протонов используется линейный ускоритель, позволяющий получать на выходе пучки протонов с энергиями от 70 до 209 МэВ. В настоящее время введен в эксплуатацию канал транспортировки с предварительным формированием протонного пучка. Следующим этапом является создание системы индивидуального формирования пучка, обеспечивающей однородность профиля и равномерное распределение поглощенной дозы в мишени. Для этого необходимо оценить распределение интенсивности в сечении пучка, его энергетические и угловые характеристики. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований этих характеристик.
format	Article
author	Акулиничев, С.В. Асеев, В.Н. Васильев, В.Н. Гаврилов, Ю.К. Илич, Р.Д. Коконцев, А.А. Лазебник, Д.Б. Скоркин, В.М.
author_facet	Акулиничев, С.В. Асеев, В.Н. Васильев, В.Н. Гаврилов, Ю.К. Илич, Р.Д. Коконцев, А.А. Лазебник, Д.Б. Скоркин, В.М.
author_sort	Акулиничев, С.В.
title	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
title_short	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
title_full	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
title_fullStr	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
title_full_unstemmed	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН
title_sort	исследование терапевтического протонного пучка ияи ран
publisher	Національний науковий центр «Харківський фізико-технічний інститут» НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Применение ускорителей
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/17028
citation_txt	Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН / С.В. Акулиничев, В.Н. Асеев, В.Н. Васильев, Ю.К. Гаврилов, Р.Д. Илич, А.А. Коконцев, Д.Б. Лазебник, В.М. Скоркин // Вопросы атомной науки и техники. — 2010. — № 3. — С. 117-122. — Бібліогр.: 13 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT akuliničevsv issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT aseevvn issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT vasilʹevvn issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT gavrilovûk issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT iličrd issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT kokoncevaa issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT lazebnikdb issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran AT skorkinvm issledovanieterapevtičeskogoprotonnogopučkaiâiran
first_indexed	2025-07-02T18:19:39Z
last_indexed	2025-07-02T18:19:39Z
_version_	1836560290743844864
fulltext	____________________________________________________________ PROBLEMS OF ATOMIC SCIENCE AND TECHNOLOGY. 2010. № 3. Series: Nuclear Physics Investigations (54), p.117-122. 117 ПРИМЕНЕНИЕ УСКОРИТЕЛЕЙ УДК 539.1.076 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА ИЯИ РАН С.В. Акулиничев, В.Н. Асеев, В.Н. Васильев, Ю.К. Гаврилов, Р.Д. Илич1, А.А. Коконцев, Д.Б. Лазебник, В.М. Скоркин Институт ядерных исследований РАН, Москва, Россия; 1Институт ядерных наук ВИНЧА, Белград, Сербия и Македония В Комплексе протонной терапии (КПТ) Института ядерных исследований РАН в качестве источника протонов используется линейный ускоритель, позволяющий получать на выходе пучки протонов с энергия- ми от 70 до 209 МэВ. В настоящее время введен в эксплуатацию канал транспортировки с предварительным формированием протонного пучка [1]. Следующим этапом является создание системы индивидуального формирования пучка, обеспечивающей однородность профиля и равномерное распределение поглощенной дозы в мишени. Для этого необходимо оценить распределение интенсивности в сечении пучка, его энерге- тические и угловые характеристики. В настоящей работе представлены результаты экспериментальных и теоретических исследований этих характеристик. 1. ОБОРУДОВАНИЕ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА Схема размещения основного оборудования представлена на Рис.1. После прохождения системы транспортировки длиной около 200 м, включающей несколько поворотных магнитов, пучок выходит из вакуумного ионопровода через алюминиевую мем- брану толщиной 1 мм, находящуюся на расстоянии 13,362 м от изоцентра (точки пересечения оси пучка и оси вращения позиционера пациента). 00 11 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 P Рис.1. Медицинский канал КПТ ИЯИ РАН. 1 - квадрупольные линзы; 2 - коллиматор 100 мм; 3 - коллиматоры I-40, 70 мм; 4 - аварийный затвор; 5 - дипольные магниты; 6 - профилометры пучка; 7 - рабочий затвор; 8 - коллиматоры II-40, 70 мм; 9 - ионизационная камера; 10 - водный фантом За мембраной следует воздушный промежуток шириной 50 см, а далее – дополнительный вакууми- рованный участок ионопровода длиной 712 см, имеющий с двух сторон окна из каптона толщиной 0,15 мм. Далее пучок проходит в воздухе расстояние 627,5 см до изоцентра лучевой установки, включая канал в биологической защите толщиной 120 см. В разрезе ионопровода и перед защитой установ- лены ограничивающие пучок коллиматоры внут- ренним диаметром 100 мм. Дополнительные колли- маторы диаметром 40 и 70 мм, управляемые дистан- ционно, могут быть введены в пучок для уменьше- ния его диаметра в процессе облучения или измере- ний. При прохождении последнего участка ионо- провода пучок поднимается на 25 см с помощью двух корректирующих магнитов. Энергия протонов в конце основного ионопровода во время последне- го сеанса (апрель 2008 года) была равна 158,6 МэВ (часть энергии затем терялась в окнах ионопроводов и воздухе), частота импульсов – 50 Гц, длина им- пульса – 20…30 мкс. Геометрическая ось пучка оп- ределялась с помощью лазерного нивелира по гео- дезическим меткам. Измерения поглощенной дозы в воде были вы- полнены с помощью анализатора поля Wellhofer WP600, включающего водный фантом размером 600×600×300 мм, систему трехмерного перемеще- ния ионизационной камеры в нем и управления этим перемещением, две ионизационные камеры типа IC- 10 объемом 0,14 см3 – референсную и полевую (ра- бочую), двухканальный электрометр для измерения ионизационного тока камер и управляющий компь- ютер. Полевая камера устанавливалась в позиционе- ре (устройстве перемещения) для сканирования мощности дозы в различных точках внутри водного фантома, а референсная фиксировалась на боковой стенке фантома в пределах пучка протонов, но так, чтобы не затенять полевую камеру во время скани- рования. Регистрировалось отношение сигналов полевой и референсной камер, компенсируя, таким образом, существенную нестабильность интенсив- 118 ности падающего пучка. Пучок протонов проходил через боковую акриловую стенку фантома толщи- ной 10 мм, что эквивалентно 11,6 мм воды. Ось ио- низационной камеры была направлена параллельно оси пучка, сканирование глубинных доз и профилей проводилось относительно изоцентра. При установ- ке камеры в изоцентр расстояние от нее до внутрен- ней поверхности фантома составляло 10 мм, а эф- фективная точка камеры находилась, по данным фирмы-изготовителя, на расстоянии 4,1 мм от ее конца. Таким образом, в изоцентре эффективная глубина положения детектора составляла 25,7 мм воды. Позиционирование детектора в фантоме про- водилось с точностью 0,1 мм, скорость перемеще- ния при сканировании составляла 7 мм/с. Распреде- ление поглощенной дозы по глубине водного фан- тома было дополнительно исследовано с помощью алмазного детектора ДКДа-01-ИФТП. Детектор был закреплен в позиционере WP600 с помощью специ- ально изготовленного адаптера. При установке в изоцентр эффективная глубина воды до его эффек- тивной точки была равна 35,1 мм с учетом толщины стенки фантома. На передней стенке закреплялась ионизационная камера IC-10, играющая роль мони- тора пучка. С помощью позиционера алмазный де- тектор устанавливался в заданном положении на оси протонного пучка, затем одновременно в течение 30 с проводилось измерение поглощенной дозы как алмазным детектором, так и ионизационной каме- рой, и регистрировалось отношение первого значе- ния ко второму. 2. МЕТОДИКА РАСЧЕТОВ Ряд характеристик пучка был получен расчетным путем. Для этого использовалась программа моде- лирования переноса протонов методом Монте- Карло SRNA, разработанная в Институте ядерных наук ВИНЧА (Белград, Сербия), а также программа TRIM (являющаяся частью более общего пакета SRIM 2008). Программа SRNA разработана для моделирова- ния переноса протонов с энергиями от 100 кэВ до 250 МэВ в дозиметрии и радиотерапии. Моделиро- вание происходит в трехмерной геометрии, причем зоны объекта с разным элементным составом огра- ничиваются поверхностями второго порядка и плос- костями. Тормозные способности различных мате- риалов рассчитываются на основе данных доклада МКРЕ 49 [11], флуктуации потерь энергии разыгры- ваются на основе распределения Вавилова с поправ- кой Шулека на влияние электронной оболочки. Уг- лы рассеяния протонов разыгрываются из распреде- ления Мольера или Гоудсмита-Саундесона с по- правкой Бергера. Для моделирования неупругих ядерных взаимодействий использовалась модель MSDM из программы SHIELD [3, 4]. При этом счи- талось, что сложное ядро распадается с испусканием нейтронов, протонов, дейтронов, тритонов, альфа- частиц и фотонов. Их энергия и углы вылета разыг- рываются из соответствующих распределений, тя- желые частицы считаются поглощенными локально, а параметры остальных запоминаются для после- дующего моделирования их переноса в среде. Алго- ритм работы программы SRNA изложен в работах [6-8], а ее экспериментальная верификация проведе- на в работах [2, 9, 10]. Программа TRIM позволяет рассчитывать пото- ки протонов при прохождении плоскопараллельной слоистой структуры, регистрируя энергию, направ- ляющие косинусы и координаты точки выхода про- тона из последнего слоя. После соответствующей обработки массива результатов могут быть получе- ны интегральные и дифференциальные характери- стики потока протонов на выходе. При моделирова- нии переноса протонов рассматриваются только электромагнитные процессы, неупругие ядерные реакции не учитываются. Более детально методика моделирования и возможности программы TRIM описаны в работе [13] и на сайте разработчиков http://www.srim.org . 3. РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ 3.1. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ГЛУБИННЫХ ДОЗ ПРОТОННОГО ПУЧКА Глубинные дозы для каждой пары коллиматоров диаметром 40, 70 и 100 мм были измерены трижды вдоль геометрической оси протонного пучка. Сред- неквадратичное отклонение в серии составляло 1…3% для диаметра коллиматора 40 мм, 1…1,5% для коллиматора 70 мм и 1…2% для коллиматора 100 мм. Усредненные кривые, полученные для каж- дого из коллиматоров, также были близки между собой, типичное расхождение между ними состав- ляло 1…2%, увеличиваясь вблизи поверхности фан- тома до 2…3%, и находилось, таким образом, в пре- делах статистической погрешности измерений. Систематическая погрешность результатов изме- рений была обусловлена изменением эффективно- сти сбора заряда в полости ионизационной камеры и изменением чувствительности камеры в зависимо- сти от глубины и энергии протонов. Потери на ре- комбинацию заряда в ионизационной камере IC-10 для указанных выше параметров пучка были рас- считаны на основе модели Боуга [12] и составили около 1,5% при средней мощности дозы в пике Брэгга 4 Гр/мин. Эта величина рассматривалась как оценка предельного изменения отклика камеры, обусловленного этим эффектом, при ее перемеще- нии в фантоме. Поправочный коэффициент 0,QQk , определяющий чувствительность камеры в зависи- мости от остаточного пробега протонов, табулиро- ван в докладе МАГАТЭ TRS 398 [1]. В интервале остаточных пробегов от 0,5 до 20 см он изменяется от 1,041 до 1,037, причем на большей части этого интервала изменение не превышает 0,2%. Эта вели- чина мала по сравнению с другими рассмотренными выше компонентами погрешности. Отношение дозы в изоцентре на глубине 25,7 мм воды к дозе в пике Брэгга составляло 0,289, а соот- ветствующее экстраполированное значение на по- верхности фантома – 0,274, что несколько выше значений, полученных для моноэнергетических пучков соответствующих энергий. Измерения алмазным детектором проводились в дискретном наборе точек по 3-8 раз на точку, затем 119 рассчитывалось среднее значение отношения доз детектора и референсной ионизационной камеры и среднеквадратичное отклонение. В области пика Брэгга измерение кривой глубинной дозы проводи- лось с шагом 1 мм, при этом погрешность позицио- нирования детектора составляла 0,1 мм. Рис.2. Глубинные распределения дозы для коллима- торов 100 мм, измеренные ионизационной камерой IC-10, алмазным детектором и рассчитанные по программе SRNA Результаты измерений показаны на Рис.2 нало- женными на кривую Брэгга, полученную с помощью ионизационной камеры IC-10. Среднеквадратичное отклонение составляло в разных точках от 0,4 до 7,8% (приведено на графике), в среднем – 2,8%. Ре- зультаты показывают, что во всех точках значения дозы, измеренные ионизационной камерой и алмаз- ным детектором, близки между собой, положение и форма пика Брэгга в этих двух наборах данных так- же хорошо согласуются. Изменение чувствительно- сти алмазного детектора в зависимости от энергии протонов было оценено по отношению их тормоз- ных способностей в углероде и воде и не превышало 0,1% во всем рабочем диапазоне энергий. Распределение поглощенной дозы на оси пучка было исследовано также с помощью программы SRNA путем моделирования переноса протонов ме- тодом Монте-Карло через систему транспортировки пучка, а затем в водном фантоме. Для этого водный фантом был разделен на элементы объема – вокселы – размером 5×5×5 мм, в которых рассчитывалось энерговыделение как первичных протонов, так и вторичных частиц, образовавшихся в результате неупругих ядерных реакций. Общее число падающих протонов было равно 107 на один вариант расчета, при этом среднеквад- ратичное отклонение составляло от 0,5% в пике Брэгга до 1% в области плато. Результаты модели- рования представлены на Рис.2, нормировка к экс- периментальным данным осуществлялась по значе- нию дозы в изоцентре на глубине 26,7 мм. Расчет- ные и экспериментальные данные находятся в хо- рошем согласии с учетом усреднения расчетных значений дозы по вокселу сравнительно большого размера – 5 мм. 3.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДОЗЫ Распределения поглощенной дозы на уровне пи- ка Брэгга были измерены с помощью ионизацион- ной камеры IC-10 и рассчитаны методом Монте- Карло с помощью программы SRNA. Моделирова- ние переноса протонов проведено в водном фантоме при размере воксела 5 мм. нормировка к измерен- ным значениям выполнена по значению дозы на оси пучка. Горизонтальные распределения представле- ны на Рис.3, вертикальные (только для коллимато- ров 70 и 100 мм) – на Рис.4. Рис.3. Горизонтальные экспериментальные и рас- четные распределения дозы на уровне пика Брэгга Рис.4. Вертикальные распределения дозы, измерен- ные камерой IC-10 и рассчитанные методом Монте-Карло по программе SRNA Расчетная и измеренная ширина профилей на половине высоты слабо зависит от глубины (пучок почти параллельный) и представлена в таблице. Ширина распределений поглощенной дозы на половине высоты в воде, мм Расчетные и экспериментальные значения шири- ны пучка на полувысоте находятся в хорошем со- гласии друг с другом. Однако для коллиматора 70 мм и, в еще большей степени – для 100 мм, на- блюдается существенная асимметрия пучка, воз- можно, обусловленная рассеянием на конструктив- ных элементах системы его транспортировки, не учитываемых при моделировании, либо влиянием систем магнитной фокусировки. Тип профиля Диаметр коллиматора, мм Измерение Расчет SRNA 40 48 54 70 79 87 Горизон- тальный 100 127 125 70 84 87 Вертикаль- ный 100 132 125 120 Центр распределения при диаметре коллиматора 40 мм смещен вправо (вид со стороны протонного пучка) на 5…6 мм. Значимого изменения величины этого смещения с глубиной обнаружено не было. Для коллиматора диаметром 70 мм было оценено влияние дальнего (первого по ходу пучка и установленного в разрезе ионопровода) коллиматора. Оказалось, что профили с введенным и выведенным дальним колли- матором практически идентичны, это косвенно сви- детельствует, что диаметр пучка в воздушном про- межутке между ионопроводами меньше 70 мм. Вертикальные распределения были измерены для коллиматоров 70 и 100 мм (см. Рис.4). В связи с конструкцией и особенностями нестандартного применения фантома WP600 ход детектора в верти- кальном направлении был ограничен уровнем воды в фантоме и составлял 28 см. Распределение дозы для коллиматора 70 мм бы- ло близко к симметричному, его максимум интен- сивности был смещен на 9,7 мм выше геометриче- ской оси пучка. Форма профиля находится в хоро- шем согласии с результатами моделирования мето- дом Монте-Карло с помощью программы SRNA. Для коллиматора 100 мм вертикальный профиль асимметричен в верхнем направлении (приблизи- тельно на 26 мм), а максимум расположен на 4,7 мм выше геометрической оси протонного пучка. Сов- падение с данными SRNA достигается лишь для одной половины профиля, не содержащей асиммет- ричных искажений. 3.3. ОЦЕНКА ПРОБЕГА И ЭНЕРГИИ ПРОТОНОВ Анализ точного положения пика Брэгга и его спада представлен на Рис.5 для трех диаметров кол- лиматора. При диаметре 40 мм глубина максимума пика Брэгга была равна 160,7 мм от поверхности воды (с внесенной поправкой на толщину стенки фантома), а 80% уровень спада пика Брэгга, соот- ветствующий пробегу протонов в приближении не- прерывного замедления (CSDA Range), составил 163,1 мм от поверхности. Разброс между кривыми соответствует погрешности позиционирования, т.е. ~ 0,1…0,2 мм. Рис.5. Анализ положения пика Брэгга в воде Для коллиматора диаметром 70 мм максимум пика Брэгга находился на глубине 160,5 мм от по- верхности, уровень 80% пика Брэгга – на глубине 163,1 мм от поверхности. Разброс между рядами данных несколько больше и составляет ~0,3 мм. Наконец, для коллиматора 100 мм смещение пи- ка Брэгга составляло 160,2 мм от поверхности воды, а величина пробега протонов – 162,7 мм от поверх- ности воды. Разброс между рядами данных для это- го коллиматора оказался существенно больше, чем в предыдущих случаях, и составил около 1 мм. Потенциально некоторую систематическую по- грешность в положение пика Брэгга может давать неопределенность положения эффективной точки камеры. В соответствии с документацией фирмы- изготовителя она сдвинута по оси камеры на 4,1 мм от ее конца. Однако определение эффективной точ- ки проводилось изготовителем для конвенциального излучения – фотонов и электронов. Для протонных пучков эта точка потенциально может быть не- сколько смещена. Для полного анализа этого вопро- са необходимо моделирование отклика камеры ме- тодом Монте-Карло. В предположении, что эффективная точка каме- ры IC-10 находится в указанном изготовителем по- ложении для всех типов частиц, пробег протонов составляет 163 мм. Если основываться на соотноше- ниях пробег-энергия из доклада МКРЕ 49 [11], это соответствует энергии падающих протонов 153,0 МэВ. Погрешность пробега ±0,5 мм соответ- ствует погрешности оценки энергии ±0,3 МэВ (без учета неопределенности положения эффективной точки камеры). Результаты, полученные с помощью алмазного детектора (см. Рис.5), имеющего сущест- венно лучшее пространственное разрешение по глу- бине, полностью согласуются с результатами каме- ры IC-10 – отклонение в оценке пробега не более 0,3 мм. Это подтверждает корректность оценки по- ложения эффективной точки камеры, а также оценку погрешности средней энергии пучка ±0,3 МэВ. 3.4. РАСЧЕТНЫЕ ОЦЕНКИ ПАРАМЕТРОВ ПУЧКА ПРОТОНОВ Распределение энергии протонов при входе пуч- ка в водный фантом было получено также на основе моделирования переноса пучка методом Монте- Карло с помощью двух программ – SRNA и TRIM. После прохождения окон ионопроводов и возду- ха средняя энергия пучка составила 153,32 МэВ по результатам моделирования программы SRNA и 153,3 МэВ по результатам программы TRIM. Эти значения находятся в хорошем согласии с оценкой средней энергии протонов, сделанной на основе из- мерений глубинной дозы в воде и приведенной вы- ше. Среднеквадратичное отклонение энергии про- тонного пучка Eσ по результатам моделирования с помощью программы SRNA было равно 0,61 МэВ, по результатам программы TRIM – 0,35 МэВ. Энергетические спектры протонов, рассчитанные с помощью программ SRNA и TRIM, представлены на Рис.6. Результаты, рассчитанные для диаметров коллиматоров 40, 70 и 100 мм практически иден- тичны (в пределах статистической погрешности мо- делирования), поэтому на рисунке приведены дан- ные только для коллиматора диаметром 100 мм. Формы спектров, рассчитанных обеими программа- ми, близки друг к другу. 121 Рис.6. Энергетический спектр протонов при падении пучка на водный фантом Угловое распределение протонов в области изо- центра близко к нормальному. Наиболее вероятный угол отклонения от оси равен 0,25 град, средний – 0,42 град. При таких углах увеличение полуширины пучка за счет его геометрического расхождения со- ставляет около 1 мм, что качественно согласуется с результатами измерений профилей, но находится ниже погрешностей, связанных с пространственным разрешением камеры и уширением пучка за счет многократного рассеяния. Наконец, на Рис.7 представлена проекция фазо- вого пространства протонов в вертикальном направ- лении (в горизонтальном направлении результаты близки с точностью до статистики в связи с осевой симметрией задачи). В основном угловое распреде- ление протонов находится в пределах угла ±15 мрад, а пространственное распределение в изоцентре – в пределах ±100 мм. Рис.7. Вертикальная проекция фазового простран- ства протонов в изоцентре ВЫВОДЫ 1. Измерены распределения глубинной дозы про- тонного пучка ИЯИ в водном фантоме с помощью ионизационной камеры IC-10 и алмазного детекто- ра. Положение и форма пика Брэгга, полученные разными детекторами, согласуются между собой в пределах 0,5 мм. 2. Пробег протонов, оцененный по 80% уровню на спаде пика Брэгга, составил 163±0,5 мм, а сред- няя энергия пучка, оцененная из результатов изме- рений, была равна 153,0±0,3 МэВ. 3. Проведено моделирование переноса протонно- го пучка до процедурного помещения методом Монте-Карло с помощью программ SRNA и TRIM, определены энергетические характеристики прото- нов в изоцентре. Средняя энергия пучка, рассчитан- ная обеими программами, была равна 153,3 МэВ, что хорошо согласуется с экспериментальной оцен- кой. 4. Горизонтальные и вертикальные распределе- ния дозы слабо зависели от глубины в водном фан- томе. Наблюдалась некоторая асимметрия профи- лей, полученных с коллиматорами 70 и 100 мм, ве- роятно, связанная с факторами, не учитываемыми теоретической моделью. Максимум профиля смещен относительно геометрической оси протонного пучка на 5…10 мм, что требует более тщательной центров- ки пучка с помощью отклоняющих магнитов. 5. Ширина распределений дозы (а для верти- кальных профилей – и форма), рассчитанная с по- мощью программы SRNA, находится в хорошем согласии с результатами измерений. ЛИТЕРАТУРA 1. Absorbed dose determination in external beam ra- diotherapy: An international code of practice for do- simetry based on standards of absorbed dose to wa- ter. Vienna: IAEA TRS 398, 2000. 2. J.J. Beebe-Wang, F.A. Dilmanion, S.G. Peggs, D.J. Schlyer, et al. Feasibility of positron emission tomography of dose distribution in proton-beam cancer therapy // Proc. of EPAC. Paris, 2002, р.2721-2724. 3. A.S. Botvina, et al. MSDM - Multy Stage Dynami- cal Model // International Codes and Model Inter- comparison for Intermediate Energy Activation Yields. Paris, France, 1997, р.307-312. 4. A.V. Dementyev, N.M. Sobolevsky. SHIELD, a Monte-Carlo hadron transport code // Proc. of a Specialists' Meeting “Intermediate Energy Nuclear Data: Models and Codes”. Issy-les-Moulineaux, France, 1994, р.237-258. 5. M.I. Grachev, E.V. Ponomareva, L.V. Kravchuk, V.M. Scorkin, et al. System of preliminary forma- tion of the beam for the channel of proton therapy // XXI Russian Accelerator Conference. Zvenigorod, 2008, р.352-354. 6. R.D. Ilic, D. Lalic, L.J. Stankovic. SRNA Monte- Carlo codes for proton transport simulation in com- bined and voxelized geometries // Nuclear Techno- logy & Radiation Protection. 2002, v.XVII, №1-2, р.27-36. 7. R.D. Ilic, V. Spasic-Jokic, P. Belicev, M. Dragovic. The Monte-Carlo SRNA code as the engine in ISTAR proton dose planning software for TESLA accelerator installation // Nuclear Technology & Ra- diation Protection. 2004, v.XIX, №2, р.30-35. 8. R.D. Ilic, V. Spasic-Jokic, P. Belicev, M. Dragovic. The Monte-Carlo SRNA-VOX code for 3D proton dose distribution in voxelized geometry using CT data // Phys. Med. Biol. 2005, v.50, р.1011-1017. 9. R.D. Ilic, M.P. Pesic, R. Pavlovic, D. Mostracci. Distribution of proron absorbed dose in human eye simulated by SRNA-2KG computer code, QUADOS – Quality Assurance of Computational Tools for Do- simetry // Intercomparison of usage of computa- 122 tional codes in radiation dosimetry, Bologna – Italy International Workshop Proceedings. July 14-16, 2003, р.163-166. 10. E.A. Mascia, N. Schreuder, V. Anferov. Character- izing on proton therapy beam using multi-layer Faraday cup. Indiana University Cyclotron Facility, Internal Report, August 2001. 11. Stopping powers and ranges for protons and alpha particles: ICRU Report 49. ICRU, Bethesda, 1993. 12. The dosimetry of pulsed radiation: ICRU Report 34. ICRU, Bethesda, 1982. 13. J.F. Ziegler, J.P. Biersack, M.D. Ziegler. SRIM: The Stopping and Range of Ions in Matter, 2008. Статья поступила в редакцию 07.09.2009 г. THE STUDY OF THE THERAPEUTIC PROTON BEAM OF INR RAS S.V. Akulinichev, V.N. Aseev, V.N. Vasiliev, Yu.K. Gavrilov, R.D. Ilic, A.A. Kokoncev, D.B. Lazebnik, V.M. Skorkin At the Complex of proton therapy (CPT) of the Institute for nuclear researches of RAS a source of protons is the linear proton accelerator, providing protons with energies from 70 up to 209 MeV. The proton transportation chan- nel with preliminary formation system of medical beams was tested. A system of individual beam formation, provid- ing uniformity of a profile and uniform distribution of the absorbed dose in tumors, will be developed next. For this system design it is necessary to estimate intensity distributions, its energy and angular characteristics. Results of experimental and theoretical researches of these characteristics are presented in the present work. ДОСЛІДЖЕННЯ МЕДИЧНОГО ПРОТОННОГО ПУЧКА ІЯД РАН С.В. Акулінічев, В.Н. Асєєв, В.Н. Васильєв, Ю.К. Гаврилов, Р.Д. Іліч, А.А. Коконцев, Д.Б. Лазебник, В.М. Скоркін В Комплексі протонної терапії (КПТ) Інституту ядерних досліджень РАН як джерело протонів викорис- товується лінійний прискорювач, що дозволяє одержувати на виході пучки протонів з енергіями від 70 до 209 МеВ. В даний час введено в експлуатацію канал транспортування з попереднім формуванням протонно- го пучка [1]. Наступним етапом є створення системи індивідуального формування пучка, що забезпечує од- норідність профілю і рівномірний розподіл поглиненої дози в мішені. Для цього необхідно оцінити розподіл інтенсивності в перетині пучка, його енергетичні і кутові характеристики. У даній роботі представлено ре- зультати експериментальних і теоретичних досліджень цих характеристик.

Исследование терапевтического протонного пучка ИЯИ РАН

Institution

Ähnliche Einträge