Формирование дозных распределений в протонной

05 октября 2015 г.
Модифицированная кривая Брэгга (МКБ)
2
 Цель данной работы состояла в разработке оптимальной, т.е.
эффективной
с
точки
зрения
задач
лучевой
терапии
и
безопасной как для пациента, так и для персонала, системы
формирования
дозного
распределения
с
параметрами,
необходимыми для протонной терапии онкоофтальмологических
заболеваний на базе ускорителя протонов Ц-80.
3

Эффективность: достижение целей лучевой терапии при прогнозируемом
превосходстве клинического результата над результатами, полученными
другими методами

Безопасность: радиационная и механическая безопасность пациента и
персонала
 Оценить
методы
формирования
и
применяющееся
оборудование в центрах протонной онкоофтальмологии в мире.
 Выбрать среду разработки и провести её тестирование.
 Разработать математическую модель системы, позволяющую
сформировать
дозные
распределения
в
параметрами,
необходимыми
для
онкоофтальмологических заболеваний.
 Провести
4
виртуальный эксперимент по
протонного пучка при его прохождении
формирования дозного распределения.
пациенте
с
лечения
трансформации
через систему
 На основе анализа альтернативных подходов к созданию
системы формирования разработать рассеивающую систему и
гребенчатый фильтр.
 Выработать рекомендации и требования к оптимальной системе
формирования и к параметрам пучка протонов на входе в зал
облучения.
 Разработать
математические
модели
и
необходимые
программные решения для расчета конструктивных параметров
узлов системы формирования дозного поля, а также
тестирования дополнительного оборудования, применяющегося
при протонной онкоофтальмологии.
 Рассчитать пространственное распределение биологической
5
дозы с учетом относительной биологической эффективности
(ОБЭ) протонов.
 Провести анализ аспектов системы контроля качества для ввода
в эксплуатацию и клинического
протонной лучевой терапии.
применения
комплекса
Особенности объекта облучения
Диаметр глазного яблока 2325 мм
Толщина сетчатки: у диска
0,4 мм, в области макулы
0,1-0,03 мм (отвечает за
80% детального зрения)
Диаметр собственно диска
зрительного нерва 1.5 мм
6
Общая ошибка в подведении дозы
должна составлять не более 5%
7
D. Schardt, et. al, 2010
8
 Полутень по уровню 20%-80%
 Дистальный спад по уровню
при максимальном диаметре
20%-90% – не более 2 мм
пучка – не более 3 мм
 Плоскостность МКБ – не хуже 2%
9
10
Материал
Позиция
пика
Брэгга,
мм
Отношение Отношение
энергии в
энергии в
пике к
пике к
энергии на энергии на
входе без
входе с
неупругих
учетом
процессов
неупругих
процессов
Уменьшение
отношения
при
включении
неупругих
процессов,
(%)
Работа
Вода
30.45
7.017
6.694
4.82
A. J.
Wroe et
al., 2005
Вода
30.5
6.39
6.03
5.97
Данная
работа
Вода
31.26
-
-
-
Janni
Вода
30.43
-
-
-
SRIM
Вода
30.45
5.09
MСNPX
Выход нейтронов на один протон
E<19,6 МэВ
E≥19,6 МэВ
Общее число
нейтронов
Данная
[1]
Данная
[1]
Данная
[1]
работа
работа
работа
0,103
0,118
0,016
0,017
0,119
0,135
11
Средняя энергия нейтронов <En>, МэВ
0-10°
40-50°
80-90°
130-140°
Данная
[1]
Данная
[1]
Данная
[1]
Данная
[1]
работа
работа
работа
работа
19.19
22.58
12.05
12.06
6.34
4.96
4.21
3.56
[1] - Agosteo, 2007
0,06
Воздух
1 мм
2 мм
3 мм
4 мм
5 мм
6 мм
7 мм
8 мм
9 мм
10 мм
11 мм
12 мм
13 мм
14 мм
15 мм
16 мм
17 мм
0,05
Доза, отн. ед.
0,04
0,03
0,02
N
SOBP ( R, d ) 
 w PP(R , d )
i
i
i 1
0,16
0,01
0,14
12
0
5
10
15
20
25
30
35
40
Глубина в воде, мм
Доза, отн. ед.
0,00
0,12
0,10
0,08
0,06
0,04
0,02
0,00
0
5
10
15
20
25
Глубина в воде, мм
30
35
40
Аналитические методы (T. Bortfeld, 1996; D. Jette, 2011)
Метод решения матричного уравнения (С.П. Мерц, 2013)
1,0
Доза, отн. ед.
0,8
13
0,6
0,4
0,2
0,0
0
5
10
15
20
25
30
35
Глубина в воде, мм
Резюме: для получения оптимального МКБ создана программа,
рассчитывающая взвешивающие коэффициенты на основе матричного метода
и проводящая корректировку на краях плато итерационным способом
40
14
1,0
0,8
0,8
Доза, отн. ед.
Доза, отн. ед.
1,0
0,6
0,4
0,2
0,6
0,4
0,2
0,0
5
10
15
20
25
30
35
40
0,0
-20
Глубина в воде, мм
15
Пробег в воде при энергии 60 МэВ – 28.5 мм
Дистальный спад (90%-20%) – 1.8 мм
Длина МКБ по 90% изодозе: 20.8 мм
Длина МКБ по 95% изодозе: 19.4 мм
Ширина пучка: 25 мм
Полутень (20%-80%): 1.5 мм
Эффективность пучка: 6%
-15
-10
-5
0
5
10
Расстояние от центральной оси, мм
15
20
«Узкий» пучок
«Широкий» пучок
16
η = (wide /pen) ∙ [(1-pen) / (1- wide)]
При wide =0.17 и pen =0.06 радиационный фон снижается в 3 раза
 На основе данных компьютерной
томографии (КТ) без учета поправки
 Учет поправки на ядерные реакции
введением некоторого
коэффициента
 Метод сегментации
17
18
H
C
N
O
Na
Mg
P
S
Cl
K
Ca
Fe
Zn
Плотность, г/см3
Вода
Хрусталик
11,19
–
–
88,81
–
–
–
–
–
–
–
–
–
1
9,6
19,5
5,7
64,6
0,1
–
0,1
0,3
0,1
–
–
–
–
1,07
Усредненная
мягкая ткань
(МКРЕ 33)
10,1
11,1
2,6
76,2
1,00
Мягкая ткань (МКРЕ 44)
муж.
жен.
10,5
25,6
2,7
60,2
0,1
–
0,2
0,3
0,2
0,2
–
–
–
1,03
10,6
31,5
2,4
54,7
0,1
–
0,2
0,2
0,1
0,2
–
–
–
1,02
Материал
Позиция пика
Брэгга, мм
Уменьшение
дозы Dm в пике
при учете
ядерных
реакций, %
19
Мягкая ткань
(МКРЕ)
Мягкая
ткань
(МКРЗ)
МКРЗ
МКРЕ
муж.
жен.
30,6
29,6
28,9
28,6
29
30
9,9
10,1
10,2
10,6
9,6
9,9
Вода
Хрусталик
ОБЭ 
D
D
Круги – ОБЭ для энергий меньше 100
МэВ, треугольники – больше 100 МэВ
20
In
vivo: Закрашенные
символы
–
исследование проводилось на крипте
тонкого кишечника, незакрашенные –
другие
In
vitro: Закрашенные символы –
использован материал от китайского
хомяка, незакрашенные – другие
1,4
1,2
1,0
21
0,8
Поглощенная доза
ОБЭ=1.1
ОБЭ(ЛПЭ)
1,4
1,2
0,6
0,4
Доза, Гр
Доза, Гр
1,6
Поглощенная доза
ОБЭ=1.1
ОБЭ(ЛПЭ)
0,2
1,0
0,8
0,6
0,4
0,0
0
10
20
30
Пробег в воде, мм
40
0,2
0,0
0
10
20
30
Пробег в воде, мм
40
 На базе программного комплекса Geant4 создана модель, содержащая
все необходимые элементы системы формирования, параметры
которых могут интерактивно меняться, а также дополнительные
приложения для обработки результатов виртуального эксперимента.
 Разработан вариант «широкого» пучка (с поперечным сечением на
входе в зал облучения в несколько сантиметров), который позволяет
упростить систему в сравнении с традиционным методом «узкого
пучка», и, соответственно, увеличить её надежность.
 На основе созданной программы рассчитано распределение плотности
22
потока
вторичных частиц в зале облучения и показано, что
использование «широкого пучка» уменьшает фон вторичных частиц при
сохранении приемлемых параметров дозных распределений.
 Разработан оптимизированный итерационный матричный метод для
создания модулятора энергетического спектра пучка, формирующего
МКБ, на основе набора кривых Брэгга, которые получены прямым
измерением на конкретной установке, что позволяет учитывать
индивидуальные особенности пучка и системы формирования и делает
метод универсальным.
 На
основании проведенного расчета прохождения пучка в
тканеэквивалентных материалах предложены мероприятия по
введению
в
эксплуатацию
системы
дозно-анатомического
планирования.
23
 Проведён переход от поглощенной к биологической дозе и показано,
что имеющиеся на сегодня данные не являются достаточно точными
для применения в клинической практике. В тоже время высокие
значения ОБЭ протонов в дистальной части МКБ могут приводить к
переоблучению расположенных за объемом облучения критических
структур.
24