Разработка и создание рентгеновского, протонного и позитронного томографов для клинико-физического комплекса Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

■V V:' - /

ОБЪЕДИНЕННЫЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

На правах рукописи

МИЦЫН Геннадий Валентинович

РАЗРАБОТКА И СОЗДАНИЕ РЕНТГЕНОВСКОГО. ПРОТОННОГО И ПОЗИТРОННОГО ЭМИССИОННОГО ТОМОГРАФОВ ДЛЯ КЛИНИКО-ФИЗИЧЕСКОГО КОМПЛЕКСА ЛАБОРАТОРИИ ЯДЕРНЫХ ПРОБЛЕМ ОИЯИ

Специальность 01.04.01 - Техника физического эксперимента, физика приборов, автоматизация физических исследований

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель —

доктор физико-математических наук

О.В.Савченко

Дубна — 1997

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Рентгеновский компьютерный томограф (РКТ) для планирования протонной терапии.

1.1. История развития рентгеновской томографии. 14

1.2. Структурная схема разработанного РКТ для планирования протонной терапии. 18

1.3. Формирование веерного пучка рентгеновского излучения и его мониторирование. 20

1.4. Описание ротационного стенда и устройств центровки пациента. 22

1.5. Разработка блока детекторов рентгеновского излучения. 23

1.6. Разработка системы сбора данных РКТ. 26

1.7. Разработка методики проведения измерений. 34

1.8. Создание программного обеспечения. 37

1.9. Результаты фантомных измерений и апробации

РКТ в сеансах протонной терапии. 40

Глава 2. Протонная компьютерная томография.

2.1. Методы протонной томографии. 50

2.2. Разработка протонного томографа на энергию протонов 660 МэВ. 57

2.3. Разработка методики проведения измерений. 63

2.4. Создание программного обеспечения. 65

2.5. Результаты фантомных измерений. 66

2.6. Разработка проекта томографа на энергию протонов 250 МэВ. 70

2.7. Моделирование измерений на пучке фазотрона

ЛЯП ОИЯИ. 74

Глава 3. Позитронный эмиссионный томограф (ПЭТ) на

основе композиционных сцинтилляторов.

3.1. Принцип действия и конструктивные особенности

ПЭТ. 77

3.2. Измерение основных характеристик разработанного композиционного сцинтиплятора. 80

3.3. Конструкция созданного ПЭТ на основе композиционных сцинтилляторов. 88

3.4. Система сбора данных. 91

3.5. Разработка программного обеспечения и методики проведения измерений. 96

3.6. Результаты измерений. 100

Заключение. 104

Литература.

107

Введение

В настоящее время пучки тяжелых заряженных частиц, в частности протонов, находят все более широкое применение в лучевой терапии. Это связано, прежде всего, с возможностью качественного улучшения пространственных дозных распределений по сравнению с традиционно используемыми для этих целей пучками электронов и 7-квантов, что, в свою очередь, 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 совпал с облучаемой мишенью, то ткани, расположенные перед ней, будут облучаться меньшими дозами, а ткани, расположенные за ней, практически не будут облучаться вообще. Для иллюстрации на рис. 1 [1] представлены глубинные дозные распределения для различных видов излучения.

Кроме того, при прохождении через вещество пучки тяжелых заряженных частиц рассеиваются значительно слабее, чем пучки электронов и 7-квантов. Это позволяет использовать узкие пучки протонов для облучения глубоко расположенных мишеней размером в несколько миллиметров.

Однако, все вышеперечисленные преимущества могут быть реали-

зованы только при условии существенного улучшения точности планирования терапевтического облучения. Так, применявшаяся ранее методика расчета плана лучевого лечения по анатомическим картам, например, в случае лучевой терапии опухолей пищевода, может приводить к ошибкам порядка 2 ч-4 г/см2 [2], что совершенно недопустимо с точки зрения современных требований, предъявляемых к точности локализации облучения (0,2-4-0,5 г/см2).

Рис. 1. Глубинные дозные распределения'различных видов излучения.

Существенно повысить точность планирования лучевой терапии можно, если для расчета плана лучевого лечения использовать информацию, получаемую с помощью рентгеновского компьютерного томографа. Однако, и в этом случае, возникает ряд проблем, ограничивающих возможности метода. Во-первых, все без исключения рентгеновские томографы, выпускаемые промышленностью, ориентированы на горизонтальное положение пациента во время проведения диагностической процедуры, тогда как при проведении лучевой терапии пучками протонов и других тяжелых заряженных частиц пациент, как правило, зафиксирован в положении сидя, что приводит к изменению взаимного расположения его внутренних органов и, следовательно, к неточности подведения дозного максимума к очагу поражения.

2 4 б & 10 12 14 16 18

ГлывинА проникнойения в вене,с*

о

Во-вторых, курс лучевого лечения, как правило, является фракционированным и включает иногда, в зависимости от конкретного типа локализации, до 10ч-15 сеансов облучения, которые проводятся на протяжении 1 1,5 месяцев. За это время размеры и расположение внутренних органов тела пациента также могут претерпеть существенные изменения. Поэтому весьма желательно корректировать план печения для каждого сеанса облучения на основании томограмм, измеренных непосредственно перед его началом и в том же положении пациента, при котором будет затем проводиться облучение.

В-третьих, выпускаемые промышленностью рентгеновские томографы являются весьма дорогостоящими диагностическими приборами, которые нецелесообразно использовать для решения поставленной задачи.

Учитывая вышесказанное, логичной кажется идея создания простого варианта специализированного рентгеновского томографа для получения топометрической информации, совмещенного с установкой для проведения терапевтического облучения протонным пучком и максимально использующего ее конструктивные элементы.

Кроме перечисленных проблем, возникающих при расчете планирования протонной терапии по рентгеновским томограммам, важным является также вопрос перехода от коэффициентов ослабления рентгеновских лучей ¡л к тормозной способности вещества для протонов так как, в конечном итоге, именно эта информация и требуется для вычисления пробега протонов при планировании облучения. К сожалению, однозначного соответствия между этими величинами не существует в силу различной природы взаимодействия рентгеновского излучения и

протонов с веществом. Поэтому расчеты, использующие Эксперименту К

тально измеренную зависимость между // и ^ не всегда являются точ-

ными, и по данным работ [3,4] ошибка в определении пробега протонов в некоторых случаях может достигать 5 -г-10%.

Повысить точность планирования протонной терапии можно, если, кроме рентгеновских томограмм пациента, иметь также томограммы, измеренные с помощью протонного компьютерного томографа. Причем, крайне желательно, чтобы обе томограммы были измерены при одном и том же положении тела пациента, совпадающим с его положением при терапевтическом протонном облучении. Говоря иначе, установка для протонной томографии также должна быть совмещена с аппаратурой для проведения облучения. В этом случае появилась бы возможность непосредственно сопоставлять коэффициенты ослабления рентгеновского излучения и тормозную способность вещества к протонам для различных участков тела пациента.

В вопросе повышения эффективности радиотерапии тяжелыми заряженными частицами глубоко расположенных мишеней наряду с обеспечением адекватного планирования важной является также задача осуществления контроля за правильностью облучения (верификация облучения), и здесь исключительно полезно может оказаться применение методики позитронной эмиссионной томографии (ПЭТ).

Позитронная эмиссионная томография на сегодняшний день является одним из наиболее перспективных методов изучения сложных биохимических процессов, протекающих в организме человека, с использованием радиофармпрепаратов (РФП), меченных ультракороткожи-вущими (УКЖ) позитрон-излучающими радионуклидами. Благодаря высокой чувствительности и лучшему пространственному разрешению ПЭТ по сравнению с традиционными методами проведения радиоизотопных исследований, открываются новые возможности в области ранней диагностики сердечно-сосудистых заболеваний, нарушения де-

ятельности центральной нервной системы, различных патологических новообразований и т.д. [5].

Детектирующая часть томографа позволяет регистрировать 7-излу-чение, возникающее в процессе аннигиляции позитрона с электроном, благодаря чему имеется возможность восстанавливать пространственное распределение позитрон-излучающих УКЖ изотопов, накапливаемых различными органами тела пациента.

Следует отметить, что большинство изотопов, применяемых в диагностике с использованием ПЭТ (ПС, 150, 18Г) имеют период полураспада 2 -г 100 минут и, следовательно, не могут транспортироваться на сколь-нибудь значительные расстояния от места своего производства. Отсюда вытекает необходимость совмещения ускорителя и радиохимической лаборатории для наработки изотопов и синтезирования РФП, а также радиологического оборудования в одном центре. Стоимость таких комплексов, промышленно выпускаемых некоторыми зарубежными фирмами, составляет несколько миллионов долларов США, что препятствует широкому внедрению ПЭТ в повседневную клиническую практику отечественной радиологии. Так, в России в настоящее время функционирует только один ПЭТ-центр импортного производства, максимальная пропускная способность которого ограничивается 10-ь12 диагностическими процедурами в сутки, тогда как общее количество подобных центров в мире составляет уже несколько сот [6].

С другой стороны, наличие в Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ ускорителя, с помощью которого возможно нарабатывать позитрон-излучающие УКЖ изотопы [7,8], а также хорошо оснащенной радиохимической лаборатории значительно упрощает задачу создания всех необходимых условий для проведения диагностики с использованием методики ПЭТ. Поэтому в течение последних нескольких пет в плане со-

здания новой диагностической техники для к линико- физичес ко го комплекса, действующего на базе фазотрона ЛЯП ОИЯИ на энергию протонов 660 МэВ, была разработана установка для проведения позитрон-нои эмиссионной томографии, имеющая существенно меньшую стоимость по сравнению с промышленно выпускаемыми томографами.

Как уже говорилось, такая установка помимо диагностических целей может оказаться также полезной для проведения верификации облучения. Возможность этого существует благодаря тому, что при прохождении через биологические ткани пучка тяжелых заряженных частиц, в частности, протонов, вдоль траектории его движения образуется след из позитрон-излучающих УКЖ изотопов (150, 13N, пС). Если сразу после проведения сеанса лучевой терапии поместить пациента в детекторное кольцо ПЭТ, то можно надеяться с некоторой точностью восстановить суммарное пространственное распределение дозы, полученной пациентом во время облучения. В настоящее время в этом направлении проводятся работы в ряде научно-исследовательских центров мира, где для лучевой терапии используются пучки протонов и тяжелых ионов [9,10].

Кроме того, дозы облучения при проведении ПЭТ исследований значительно ниже, чем при использовании PKT. Так, по данным работы [11] доза облучения пациента при исследовании головного мозга с введением РФП препарата 18FDG активностью 2 шКи составляет всего 1 шГр, что позволяет проводить такие процедуры многократно на протяжении непродолжительного периода времени без риска возникновения у пациента лучевых осложнений. Благодаря этому появляется возможность отслеживать те изменения, которые происходят с опухолью в течение всего курса фракционированного лучевого лечения и, тем самым, оперативно оценивать его эффективность.

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

• рентгеновского компьютерного томографа, предназначенного для получения топометрической информации о внутренней структуре исследуемого объекта, необходимой для повышения точности планирования протонной радиотерапии, осуществляемой на базе кли-нико-физического комплекса ЛЯП ОИЯИ;

• аппаратуры для проведения протонной компьютерной томографии на энергию протонного пучка 660 МэВ, а также проекта протонного томографа для специализированного радиотерапевтического копмлекса на базе синхротрона с максимальной энергией частиц 250 МэВ;

• однокольцевого позитронного эмиссионного томографа, предназначенного для исследований в области радионуклидной диагностики, а также для изучения возможности применения ПЭТ в задаче верификации протонной терапии.

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

• предложен, разработан и создан горизонтальный рентгеновский

и у У и

компьютерный томограф, совмещенный с установкой для проведения терапевтического ротационного облучения глубоко расположенных мишеней статическим горизонтальным пучком протонов;

• впервые реализована возможность измерения рентгеновских томограмм и проведения на их основе коррекции плана лучевого ле-

чения непосредственно перед началом каждого шз сеансов фракционированного облучения и для того же положения пациента, при котором проводится облучение, что позволило автоматически учитывать погрешности, связанные с неточностью фиксации пациента в терапевтическом кресле, а также с изменением структуры и взаимного расположения его внутренних органов на протяжении всего курса лучевой терапии;

• для системы сбора данных томографа разработан и изготовлен 128-входовый 12-битовый аналого цифровой преобразователь с логарифмической зависимостью кодирования сигналов детекторов;

• предложен и реализован метод калибровки каналов регистрации рентгеновского томографа с помощью фантома в виде пирамиды из оргстекла, позволяющий автоматически учитывать все нелинейности тракта детектирования и обработки сигналов, а также немонохроматичность рентгеновского излучения;

• созданная установка успешно использовалась в сеансах протонной терапии больных раком пищевода;

• разработан и создан комплекс аппаратуры для проведения протонной компьютерной томографии при энергии протонов 660 МэВ, позволяющий измерять непосредственно тормозную способность вещества исследуемого о бъекта для протонов и исключить ошибки, возникающие при вычислении пробега протонов по измеренным с помощью рентгеновского томографа коэффициентам ослабления рентгеновского излучения, проведены фантомные испытания томографа;

• спроектирован вариант протонного томографа для специализиро-

ванного центра протонной терапии на энергию частиц 250 МэВ, обеспечивающий получение топометрической информации, необходимой для предлучевого планирования, для данного варианта установки проведено моделирование измерений на пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ, показавшее принципиальную возможность его создания;

• предложен, разработан и создан позитронный эмиссионный томограф на основе композиционных сцинтилляторов, сочетающих малое время высвечивания с относительно высокой эффективностью регистрации аннигиляционных 7-квантов и имеющих существенно меньшую стоимость по сравнению с традиционно используемыми в ПЭТ кристаллами германата висмута;

• измерены основные характеристики ПЭТ и проведены его фантомные испытания, показавшие возможность получения изображений достаточно высокого качества.

Основные результаты диссертации докладывались на научно-методических семинарах ЛЯП ОИЯИ, на симпозиуме "Радиационная аппаратура для лучевой терапии" (Москва, 1989 г.), на "Рабочем совещании по проблеме внедрения и развития позитронной эмиссионной томографии в России" (Дубна, 1995 г.), на международном конгрессе "Roentgen Centenary Congress" (Вюрцбург, Германия, 1995 г.), на конференции с международным участием "Медицинская физика - 95" (Москва, 1995 г.), на международном симпозиуме "Second International Symposium on Hadrontherapy" (Виллиген, Швейцария, 1996 г.), на "I съезде Межрегионального общества ядерной медицины" (Дубна, 1997). Цикл работ "Разработка и создание позитронного эмиссионного томографа на основе композиционных сцинтилляторов" был отмечен второй премией ОИЯИ

за