EA022729B1

EA022729B1 - Устройство формирования формы электронного пучка аппарата для интраоперационной лучевой терапии

Info

Publication number: EA022729B1
Application number: EA201300464A
Authority: EA
Inventors: Джузеппе Феличи; Алессиа Чиккотелли; Винченцо Якобони; Фабио Де Анджелис; Никола Манджарачина; Аквино Гава
Original assignee: С.И.Т. - Сордина Иорт Текнолоджиз С.П.А.
Priority date: 2010-10-14
Filing date: 2011-10-13
Publication date: 2016-02-29
Also published as: EA201300464A1; US20140054471A1; US8791437B2; WO2012049700A8; IT1402157B1; WO2012049700A1; CA2814796A1; EP2628161A1; PL2628161T3; ITRM20100545A1; ES2545405T3; EP2628161B1

Abstract

Изобретение относится к устройству формирования формы электронного пучка аппарата для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), снабженного трубчатым аппликатором (3) с каналом, через который проходит электронный пучок, характеризующемуся тем, что содержит плиту (1) с отверстием (2), соответствующим каналу в трубчатом аппликаторе (3), и по меньшей мере один планарный элемент (10), содержащий верхнюю пластину (11) и нижнюю пластину (12), которые могут разъемно крепиться друг к другу при помощи первых механических соединительных средств (13), указанный по меньшей мере один планарный элемент (10) может разъемно крепиться к плите (1) посредством вторых механических соединительных средств (13, 14) таким образом, чтобы расположение указанного по меньшей мере одного планарного элемента (10) относительно плиты (1) можно было регулировать для ограничения отверстия (20), площадь которого меньше площади сечения канала трубчатого аппликатора (3), верхняя пластина (11) каждого планарного элемента (10) изготовлена из первого стерилизуемого, биологически совместимого материала с первым атомным числом, нижняя пластина (12) каждого планарного элемента (10) изготовлена из второго стерилизуемого, биологически совместимого материала со вторым атомным числом, которое больше первого атомного числа, при этом нижняя пластина (12) ослабляет рентгеновские лучи, создаваемые верхней пластиной (11). Изобретение также относится к способу автоматического расчета распределения дозы, излучаемой аппаратом ИОЛТ, через устройство формирования формы электронного пучка.

Description

(57) Изобретение относится к устройству формирования формы электронного пучка аппарата для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), снабженного трубчатым аппликатором (3) с каналом, через который проходит электронный пучок, характеризующемуся тем, что содержит плиту (1) с отверстием (2), соответствующим каналу в трубчатом аппликаторе (3), и по меньшей мере один планарный элемент (10), содержащий верхнюю пластину (11) и нижнюю пластину (12), которые могут разъемно крепиться друг к другу при помощи первых механических соединительных средств (13), указанный по меньшей мере один планарный элемент (10) может разъемно крепиться к плите (1) посредством вторых механических соединительных средств (13, 14) таким образом, чтобы расположение указанного по меньшей мере одного планарного элемента (10) относительно плиты (1) можно было регулировать для ограничения отверстия (20), площадь которого меньше площади сечения канала трубчатого аппликатора (3), верхняя пластина (11) каждого планарного элемента (10) изготовлена из первого стерилизуемого, биологически совместимого материала с первым атомным числом, нижняя пластина (12) каждого планарного элемента (10) изготовлена из второго стерилизуемого, биологически совместимого материала со вторым атомным числом, которое больше первого атомного числа, при этом нижняя пластина (12) ослабляет рентгеновские лучи, создаваемые верхней пластиной (11). Изобретение также относится к способу автоматического расчета распределения дозы, излучаемой аппаратом ИОЛТ, через устройство формирования формы электронного пучка.

Настоящее изобретение относится к устройству формирования формы электронного пучка аппарата для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), которое позволяет простым, эффективным, надежным, безопасным и недорогим образом формировать форму электронного пучка, создаваемого аппаратом ИОЛТ, обеспечивая безопасность пациента и защиту окружающей среды от радиации.

Настоящее изобретение также относится к способу расчета дозы электронного пучка, излучаемого аппаратом ИОЛТ на органы и ткани, подвергаемые облучению, после оснащения аппарата ИОЛТ таким устройством.

Известно, что интраоперационная лучевая терапия является инновационной технологией для лечения неоплазий, набирающей популярность во всем мире, в том числе благодаря созданию мобильных аппаратов. Архитектура аппаратов, используемых для ИОЛТ, позволяет облучать мишени, по существу, с цилиндрической или эллиптической симметрией; подача пучка на мишень осуществляется при помощи круговых аппликаторов, содержащих цилиндрические трубки, изготовленные из металла (как у аппарата МоЪеЧоп фирмы 1п1гаОр Мебюа1 Согр.) или полиметилметакрилата (ПММА) (как у аппарата Νοναο 7 фирмы ΝΚΤ §.р.А. или аппарата ЫАС фирмы ЗогФиа δ.ρ.Α.).

В последующем описании будет упоминаться преимущественно аппарат ЫАС фирмы §огбта δ.ρ.Α. Однако следует понимать, что рассматриваемые варианты относятся к любым аппаратам ИОЛТ, а также устройство и способ по изобретению применимы для любых аппаратов ИОЛТ, как мобильных, так и стационарных, генерирующих электроны любой энергии, при условии, что они не выходят за объем защиты настоящего изобретения.

Аппарат ЫАС фирмы δο^ά^ηа δ.ρ.Α. является мобильным ускорителем, предназначенным для проведения курса ИОЛТ в операционной. Аппарат ЫАС содержит мобильный блок, снабженный линейным ускорителем с облучающей головкой и оперативной стойкой управления, соединенных между собой проводами. Энергия создаваемых электронов регулируется за счет изменения радиочастотной (РЧ) мощности, создаваемой магнетроном; в частности, существуют версии аппарата ЫАС с энергией 4-6-8 и 10 МэВ и 6-8-10 и 12 МэВ соответственно.

Излучающий блок, имеющий малый вес, исключительно мобилен, что упрощает процедуру подготовки аппарата, требующую, чтобы аппликатор был жестко закреплен к облучающей головке излучающего блока (также известную как процедура жесткой стыковки). В частности, каждый из аппликаторов, используемых в ЫАС, содержит проксимальный элемент, который закреплен к облучающей головке, и дистальный элемент, который соприкасается с облучаемой областью и прикреплен к проксимальному элементу. Аппликаторы ЫАС из ПММА имеют длину 60 см и толщину 0,5 см, полностью стерилизуемы, могут иметь разный диаметр (от 30 до 100 см) и угол установки.

Частота повторения меняется от 10 до 40 Гц для обеспечения мощности дозы излучения свыше или равной 10 Гр/мин для аппликатора диаметром 100 мм. В любом случае можно получать большую мощность дозы излучения, вплоть до 30 Гр/мин.

Поле, которое может быть получено при помощи кругового аппликатора, имеет явную цилиндрическую симметрию, что вполне приемлемо для лечения различных неоплазий, прежде всего женской груди; кроме этого, в данном случае защита здоровых тканей и их более слабое облучение обеспечиваются за счет использования защитного диска, диаметр которого соответствует диаметру аппликатора.

Цилиндрическая симметрия подходит для проведения ИОЛТ лечения женской груди, поскольку облучаемая мишень определяется хирургом, как это описано, например У. Веронеси, Р. Орречия в работе Интраоперационные электроны, δет^η КаЛа! Опсо1. 2005 год, апрель, 15(2), с. 76-83.

Между тем, существующие в настоящее время аппараты для ИОЛТ не подходят для лечения неоплазий, имеющих, по сути, неправильную форму (например, длинную и узкую), которые невозможно свести к круговой симметрии (например, при саркоме), поскольку геометрия мишени будет некорректно покрываться круговым полем, создавая опасность затрагивания при лечении здоровых тканей и органов. В этом случае невозможно облучить мишень, имеющую неправильную форму, разделив ее на множество кругов, поскольку два круга невозможно соединить без нахлеста, в результате одни области цели будут облучаться многократно и получат избыточную дозу радиации, тогда как другие области будут облучаться в меньшей степени и получат недостаточную дозу радиации.

Таким образом, цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить простой, эффективный, надежный, безопасный и недорогой способ соответствующего формирования электронного пучка, создаваемого аппаратом ИОЛТ, с учетом облучаемой клинической цели.

Еще одна цель настоящего изобретения заключается в том, чтобы предложить способ расчета дозы формируемого электронного пучка, используемого для облучения органов и тканей.

Конкретным предметом настоящего изобретения является устройство для формирования электронного пучка аппарата для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), снабженного трубчатым аппликатором с имеющимся в нем каналом, по которому проходит электронный пучок, устройство характеризуется тем, что оно содержит плиту с проделанным в ней отверстием, соответствующим каналу в трубчатом аппликаторе, и по меньшей мере один планарный элемент, содержащий верхнюю пластину и нижнюю пластину, которые могут быть разъемно закреплены друг к другу посредством первых механических соединительных средств, указанный по меньшей мере один планарный элемент может быть

- 1 022729 разъемно закреплен к плите посредством вторых механических соединительных средств таким образом, чтобы расположение указанного по меньшей мере одного планарного элемента относительно плиты можно было регулировать для образования отверстия, площадь которого меньше площади сечения канала трубчатого аппликатора, верхняя пластина каждого планарного элемента изготовлена из первого стерилизуемого биологически совместимого материала с первым атомным числом, нижняя пластина каждого планарного элемента изготовлена из второго стерилизуемого биологически совместимого материала со вторым атомным числом, которое больше первого атомного числа, за счет чего нижняя пластина ослабляет рентгеновские лучи, создаваемые верхней пластиной.

Также устройство по изобретению может содержать по меньшей мере два планарных элемента, которые могут быть расположены таким образом, чтобы они находились смежно относительно друг друга, каждый планарный элемент может скользить относительно другого смежного планарного элемента посредством механических направляющих средств и средств скольжения, за счет чего взаимное расположение указанных по меньшей мере двух планарных элементов можно регулировать таким образом, чтобы они образовывали указанное отверстие.

Кроме этого, согласно изобретению указанные механические направляющие средства и средства скольжения могут содержать по меньшей мере один ползун и по меньшей мере одни соответствующие направляющие.

Кроме этого, согласно изобретению количество указанных планарных элементов может быть равно четырем, у каждого планарного элемента имеется первая сторона с выступающей кромкой, предпочтительно Ь-образного сечения, а также вторая сторона с канавкой, предпочтительно Ь-образного сечения, соответствующая по форме и размеру выступающей кромке, за счет чего выступающая кромка одного планарного элемента может вставляться и скользить в канавке другого планарного элемента, по меньшей мере одна часть выступающей кромки и по меньшей мере одна часть канавки предпочтительно расположены на нижней пластине.

Также согласно изобретению указанные первые механические соединительные средства содержат по меньшей мере один винт.

Кроме этого, согласно изобретению поверхность верхней пластины по меньшей мере одного планарного элемента может быть больше поверхности нижней пластины, на нижней поверхности верхней пластины может иметься углубленное посадочное место, в которое может помещаться нижняя пластина, указанные первые механического соединительные средства содержат винт.

Кроме этого, согласно изобретению указанные вторые механические соединительные средства могут содержать по меньшей мере один винт, который может разъемно крепиться к планарному элементу посредством соответствующего паза в плите, кроме этого, указанный по меньшей мере один винт предпочтительно является частью указанных первых механических соединительных средств.

Также согласно изобретению указанный первый материал может выбираться из группы, включающей в себя политетрафторэтилен (ПТФЭ), силикон и полиметилметакрилат (ПММА), толщина верхней пластины предпочтительно составляет от 8 до 40 мм.

Также согласно изобретению указанный второй материал может быть металлом, предпочтительно выбираемым из группы, включающей в себя нержавеющую сталь и титан, толщина нижней пластины предпочтительно составляет от 3 до 15 мм.

Кроме этого, согласно изобретению устройство может дополнительно содержать раму, закрепленную к плите, которая может быть соединена с возможностью пространственного регулирования посредством третьих механических соединительных средств с операционным столом, указанные третьи механические соединительные средства предпочтительно содержат первый шарнир для соединения рамы с первым рычагом, который, в свою очередь, соединен посредством второго шарнира со вторым рычагом, который может быть соединен с операционным столом.

Другим конкретным предметом настоящего изобретения является способ автоматического расчета распределения дозы, излучаемой аппаратом ИОЛТ, посредством рассмотренного ранее устройства формирования электронного пучка, включающий в себя следующие этапы:

получение компоновки указанного по меньшей мере одного планарного элемента; получение энергии электронного пучка, создаваемого аппаратом ИОЛТ;

определение трехмерного распределения дозы после устройства формирования электронного пучка, в зависимости от компоновки указанного по меньшей мере одного планарного элемента, на основе моделирования данных, предпочтительно с использованием метода Монте-Карло для моделирования трехмерного распределения дозы.

Устройство по изобретению позволяет осуществлять пространственное формирование электронного пучка в точном соответствии с мишенью. Это позволяет, с одной стороны, использовать ИОЛТ для лечения всех неоплазий, имеющих, по сути, форму, которую невозможно свести к круговой симметрии (например, сарком), и, с другой стороны, лучше определять так называемый планируемый лечебный объем мишени (т.е. более широкий объем облучения по сравнению с клиническим объемом, включающий в себя ложе опухоли с учетом перемещения тканей и органов), в значительной степени избегая поражения здоровых тканей и органов.

- 2 022729

Помимо этого, устройство по изобретению позволяет осуществлять облучение, соединяя поля. Например, по предпочтительному варианту осуществления изобретения за счет формирования электронного пучка таким образом, чтобы его сечение имело форму прямоугольника регулируемого размера, появляется возможность производить последующее облучение путем соединения облучаемых прямоугольных областей.

Кроме этого, аппарат ИОЛТ, оснащенный устройством по изобретению, содержит средства обработки данных, предпочтительно позволяющие реализовывать способ расчета распределения дозы, получаемой с использованием этого же самого устройства по изобретению.

Далее настоящее изобретение будет рассмотрено исключительно в качестве иллюстрации, а не в качестве ограничения, на примере предпочтительных вариантов его осуществления, в частности, со ссылкой на прилагаемые фигуры, где:

на фиг. 1 показан вид в перспективе, сверху одного из предпочтительных вариантов осуществления устройства по изобретению для формирования электронного пучка в первой компоновке, вместе с дистальным элементом аппликатора;

на фиг. 2 показан вид слева устройства по фиг. 1;

на фиг. 3 показан вид спереди устройства по фиг. 1;

на фиг. 4 показан вид сверху, частично в плане устройства по фиг. 1;

на фиг. 5 показан вид сверху, в плане (фиг. 5а) и в сечении по линии АА на фиг. 5а (фиг. 5Ь) части устройства по фиг. 1;

на фиг. 6 показан вид сверху, частично в плане, на котором также видны скрытые компоненты устройства по фиг. 1, во второй компоновке;

на фиг. 7 показан вид сверху в перспективе (фиг. 7а), вид снизу в перспективе (фиг. 7Ь), вид сверху в плане (фиг. 7с), вид спереди (фиг. 76), вид справа (фиг. 7е) и вид сзади (фиг. 7ί) планарного элемента устройства по фиг. 1;

на фиг. 8 показан вид сверху в перспективе (фиг. 8а), вид сверху в плане (фиг. 8Ь), вид спереди (фиг. 8с) и укрупнение фрагмента по виду спереди (фиг. 86) двух смежных планарных элементов устройства по фиг. 1;

на фиг. 9 показан вид сверху в плане первой компоновки (фиг. 9а), третьей компоновки (фиг. 9Ь), четвертой компоновки (фиг. 9с) и пятой компоновки (фиг. 96) фрагмента по фиг. 5.

В последующем описании схожие элементы на фигурах будут обозначаться схожими ссылочными позициями.

В частности, размеры, показанные на фигурах, используются в качестве примера и, если это не оговорено отдельно, не должны рассматриваться в качестве ограничения объема защиты настоящего изобретения.

В последующем описании будут упоминаться некоторые предпочтительные варианты осуществления устройства по изобретению с четырьмя идентичными планарными элементами, каждый из которых образован двумя нахлестывающимися пластинами, изготовленными из разных материалов, в котором планарные элементы расположены попарно смежно и взаимно ортогонально скользят за счет взаимодействия ползуна и соответствующих направляющих, образуя прямоугольное отверстие. При этом следует отметить, что устройство по изобретению может содержать любое количество планарных элементов, в том числе даже единственный планарный элемент, подвижно соединенный с плитой, а объем защиты настоящего изобретения, определяемый прилагаемой формулой изобретения, также включает в себя использование по меньшей мере двух планарных элементов, которые могут быть или не быть расположены смежно, использование по меньшей мере трех планарных элементов, которые могут быть расположены попарно смежно и взаимно смещены под определенными углами, подобные углы могут варьироваться и/или регулироваться, и/или планарные элементы могут отличаться друг от друга, и/или каждый планарный элемент может содержать единственную пластину из единственного материала или несколько, более двух, пластин, возможно также изготовленных из одного и того же материала, и/или смежные планарные элементы могут взаимно скользить по разным механическим направляющим средствам и средствам скольжения, и/или планарные элементы могут определять форму отверстия, отличную от прямоугольника.

Со ссылкой на фиг. 1-5 можно заметить, что по предпочтительному варианту осуществления устройство по изобретению содержит плиту 1, по существу, квадратной формы, в центре которой имеется круговое отверстие 2 (показано на фиг. 4 и 5), диаметр которого равен диаметру кругового аппликатора, используемого в аппарате ИОЛТ, в частности на фигурах показан дистальный элемент 3 кругового аппликатора, используемого в аппарате ЫАС. Следует отметить, что диаметр кругового отверстия 2 и диаметр кругового аппликатора могут отличаться, а форма отверстия 2 может не соответствовать форме канала аппликатора.

В предпочтительном варианте осуществления устройства по изобретению также используются четыре планарных элемента 10, идентичные друг другу, расположенные попарно смежно, которые, как это будет более подробно рассмотрено ниже, могут ортогонально скользить относительно друг друга, образуя прямоугольное отверстие 20, каждый из которых образован двумя нахлестывающимися пластинами,

- 3 022729 изготовленными из разных материалов: верхняя пластина 11 предпочтительно изготовлена из политетрафторэтилена (ПТФЭ, также известного под торговой маркой Тейои®), а нижняя пластина 12 предпочтительно изготовлена из нержавеющей стали. Две пластины 11 и 12 каждого планарного элемента 10 разъемно скреплены между собой посредством соответствующего винта 13, который также обеспечивает разъемное крепление каждого планарного элемента 10 к плите 1 в бесконечном множестве изменяемых положений, в зависимости от положения крепления винта 13 в соответствующем пазу 14 плиты 1.

Предпочтительно устройство дополнительно содержит раму 4 (не показана на фиг. 4 и 5), закрепленную в четырех точках к плите 1, соединенную посредством первого шарнира 5 с горизонтальным рычагом 6, который, в свою очередь, соединен посредством второго шарнира 7 с рычагом 8, на который устройство опирается. В частности, на нижнем торце опорного рычага 8 имеется обычное тисковое крепление 9 для крепления к универсальным механическим направляющим операционного стола (на фигурах не показаны), позволяющее крепить устройство по изобретению к операционному столу, на котором лежит пациент, проходящий курс ИОЛТ. Посредством рамы 4, рычагов 6 и 8, а также шарниров 5 и 7 устройство для формирования электронного пучка может перемещаться в пространстве: второй шарнир 7 позволяет перемещать горизонтальный рычаг 6 вдоль опорного рычага 8, тем самым регулируя высоту устройства относительно операционного стола, и осуществлять вертикальное перемещение горизонтального рычага 6, а, следовательно, устройства, относительно опорного рычага 8; первый шарнир 5 позволяет осуществлять боковой крен рамы 4, а, следовательно, устройства, относительно горизонтального рычага 6 и изменять угол между рамой 4 и горизонтальным рычагом 6 в плоскости плиты 1, как это показано, например, на фиг. 6.

Со ссылкой на фиг. 7 можно заметить, что каждый из планарных элементов 10 образован верхней пластиной 11, предпочтительно из политетрафторэтилена (ПТФЭ), и нижней пластиной 12, предпочтительно из нержавеющей стали, площадь верхней пластины больше площади нижней пластины 12. У верхней пластины 11 и нижней пластины 12 имеется основная короткая сторона, соответственно 11А и 12А, и основная длинная сторона, соответственно 11В и 12В. На нижней поверхности верхней пластины 11 имеется углубленное посадочное место, в которое может помещаться нижняя пластина 12 таким образом, чтобы осуществлялось выравнивание соответствующих основных коротких сторон 11А и 12А и соответствующих основных длинных сторон 11В и 12В; помимо этого, подобное углубленное посадочное место исключает, после крепления винта 13, перемещение пластин 11 и 12 относительно друг друга, в том числе при взаимном вращении. По другим вариантам осуществления устройства для формирования электронного пучка по изобретению могут использоваться механические средства для крепления пластин 11 и 12, отличные от винта 13 и углубленного посадочного места на нижней поверхности верхней пластины 11.

На основной короткой стороне 12А нижней пластины 12 имеется выступающая кромка 12С с Ь-образным сечением, направленная в сторону нижней поверхности нижней пластины 12. На основной длинной стороне 12В нижней пластины 12 имеется канавка 12Ό с Ь-образным сечением, соответствующая по форме и размеру выступающей кромке 12С на основной короткой стороне 12А; поэтому на внутренней части основной длинной стороны 11В верхней пластины 11 имеется канавка ЬГО с прямоугольным сечением, размер которой позволяет, по меньшей мере, помещать в нее выступающий край 12С другого планарного элемента 10.

Как показано на фиг. 8, два смежных планарных элемента 10' и 10 расположены ортогонально относительно друг друга, т.е. основные короткие стороны верхней и нижней пластин первого элемента обращены в направлении основных длинных сторон верхней и нижней пластин второго элемента. Выступающая кромка 12С первого планарного элемента 10' вставляется посредством скольжения в канавку 12Ό второго планарного элемента 10; за счет этого выступающая кромка 12С зацепляется и может скользить внутри канавки 12Ό, в которой она удерживается перекрывающей поверхностью канавки верхней пластины 11. Другими словами, выступающая кромка 12С и канавки 12Ό планарных элементов 10 представляют собой механические направляющие средства и средства скольжения, позволяющие скреплять четыре планарных элемента 10 между собой с возможностью регулирования; в частности, выступающие кромки 12С выступают в качестве ползунов, а канавки 12Ό - в качестве направляющих. За счет того, что планарные элементы 10 могут скользить в соответствующих пазах 14, а также за счет того, что эти же самые планарные элементы 10 могут поворачиваться в соответствующих пазах 14, становится возможным формировать электронный пучок (т.е. поле излучения) в прямоугольных полях любого размера, выбираемых на поверхности, находящейся в пределах кругового поля, определяемого круговым аппликатором, как это показано в качестве примера на фиг. 9, исключая любые зазоры между планарными элементами. В этой связи возможные вращения планарных элементов 10 и соответственно определяемых ими прямоугольных полей относительно облучаемой области можно компенсировать за счет вращения рамы 4 относительно горизонтального рычага 6 посредством первого шарнира 5, как это показано в качестве примера на фиг. 6.

Вместо ПТФЭ для верхней пластины 11 и нержавеющей стали для нижней пластины 12 можно использовать другие материалы. По предпочтительным вариантам осуществления устройства по изобретению при выборе материалов для пластины учитываются следующие критерии: материал верхней пласти- 4 022729 ны 11 должен быть биологически совместимым, стерилизуемым материалом с низким атомным числом (Ζ), способным взаимодействовать с электронным пучком, создаваемым аппаратом ИОЛТ, подобно воде, т.е. тормозить его без создания множества рентгеновских лучей (в качестве примера, а не в качестве ограничения, помимо ПТФЭ для верхней пластины 11, можно использовать силикон и ПММА); материал нижней пластины 12 должен быть биологически совместимым, стерилизуемым материалом, обеспечивающим механическую прочность планарного элемента 10, с высоким значением Ζ, для ослабления немногочисленных рентгеновских лучей, создаваемых верхней пластиной 11 (в качестве примера, а не в качестве ограничения, помимо нержавеющей стали для верхней пластины 12, можно использовать титан).

Что касается толщины верхней и нижней пластин, то она зависит от используемого материала, от энергии электронного пучка, которую необходимо остановить, и от требуемой эффективности остановки пучка. В случае если верхняя пластина 11 изготовлена из ПТФЭ, а нижняя пластина 12 изготовлена из нержавеющей стали, для получения средней остаточной дозы на поверхности снизу планарного элемента менее 3% от максимальной дозы (Ό,,,,,,·). необходимо, чтобы при энергии пучка от 4 до 16 МэВ толщина верхней пластины 11 предпочтительно составляла от 8 до 40 мм, а толщина нижней пластины 12 предпочтительно составляла от 3 до 15 мм; в частности, при энергии 4 МэВ толщина верхней пластины предпочтительно составляет 8 мм, а толщина нижней пластины 12 из нержавеющей стали предпочтительно составляет 3 мм; при энергии 12 МэВ толщина верхней пластины 11 предпочтительно составляет 26 мм, а толщина нижней пластины 12 из нержавеющей стали предпочтительно составляет 8 мм; при энергии 16 МэВ толщина верхней пластины 11 предпочтительно составляет 40 мм, а толщина нижней пластины 12 из нержавеющей стали предпочтительно составляет 15 мм.

Ниже будут более подробно рассмотрены некоторые критерии, учитываемые при выборе материалов для верхней и нижней пластин и их соответствующей толщины.

Одним из требований при выборе материалов является высокий коэффициент ослабления электронного пучка за пределами прямоугольного поля, образуемого планарными элементами, таким образом, чтобы средняя остаточная доза снизу планарных элементов составляла менее 3% от О_тах, максимально возможной энергии пучка машины для ИОЛТ. Наилучшим решением по торможению электронного пучка, при сохранении темпа производства фотонов вследствие тормозного излучения (т.н. Вгет551гаЫип§) на максимально низком уровне и уменьшении необходимой толщины, является использование двух разных материалов: первый - с низким Ζ, второй - с более высокой плотностью (т.е. с более высоким Ζ). Другим требованием является стерилизуемость и биологическая совместимость всех компонентов устройства, в особенности планарных элементов 10.

Исследование по выбору толщины может быть осуществлено в первом приближении с использованием схематизации ί','δΌΛ (аппроксимация при непрерывном замедлении) взаимодействия между пучком электронов и материей. Подобная схематизация позволяет узнать как средний диапазон электронов с определенной энергией, так и ориентировочный темп производства фотонов вследствие тормозного излучения; данные, относящиеся ко всем элементам и различным соединениям, обычно используемым при лучевой терапии, доступны онлайн, например, по адресу 1Шр://р11У51С5.ш51.8О\7Р11У8ЯегЬа1а/5>1аг/Те.\1/Е5>ТАЯ.1П1п1.

Диапазон С8ЭА (ΚϋδΌΑ) позволяет получить точную аппроксимацию длины средней траектории, пробегаемой заряженной частицей в среде, по мере того как она непрерывно замедляется до остановки (аппроксимация при непрерывном замедлении). При подобной аппроксимации считается, что часть энергии, теряемой частицей в каждой точке траектории, равна общей тормозной способности. Отклонения теряемой энергии не учитываются. РС8ЭА получают путем объединения обратной величины общей тормозной способности с энергией. Совокупная тормозная способность электронов - это сумма тормозной способности при соударении и тормозной способности вследствие создания излучения. Последняя является долей энергии, теряемой на единицу пройденного пути вследствие соударений с атомами и электронами атомов, при которых происходит излучение фотонов вследствие тормозного излучения. Для электронов важно определить среднюю долю начальной кинетической энергии электрона, преобразуемой в фотоны вследствие тормозного излучения. Подобные количества являются основой для расчета, позволяющего обеспечить безопасность пациента и защиту окружающей среды от радиации.

Ток, ускоряемый в линейном ускорителе аппарата для ИОЛТ, можно схематически представить в виде пучка цилиндрической симметрии с супер-гауссовым профилем до момента соударения с выпускным окном линейного ускорителя. Поэтому, используя аппроксимацию С8ПА, можно рассчитать поглощение дозы и создание излучения вследствие тормозного излучения вдоль траектории пучка до соударения с устройством для формирования пучка по изобретению. Данные, необходимые для проведения расчетов, связанных с взаимодействием между излучением и материей, доступны в Интернете по адресу: 1Шр://р11У81С5.ш51.8Оу/Р11У8ВеГОа1а/5>1аг/Те\1/Е5>ТА'в.1П1п1.

Анализ можно осуществлять для аппаратов ИОЛТ, в частности ЫАС, любой мощности (т.е. 4, 6, 8, 10 и 12 МэВ) в которых за счет отсутствия отклоняющих магнитов и использования материалов с низким Ζ рассеянное излучение находится на очень низком уровне. Для непосредственного расчета дозы можно использовать моделирование с использованием аппроксимации РСЕЮА. Дозу, поглощаемую, например,

- 5 022729 в воде, можно выразить формулой

где выражает дозу, теряемую на толщине йх воды (р обозначает плотность воды) электронным пучком с кинетической энергией от 0 до Т_МАХ при флюенсе Ф.

Флюенс можно рассчитать следующим образом:

т.е. как произведение тока пучка 1ь_еат умноженного на длительность импульса 1_|)11ь,_е и разделенное на сечение аппликатора δ_Αρρι.

Поскольку толщина, рассчитываемая при аппроксимации ΕδΩΑ. равна г=Дсям(Гв), можно рассчитать дозу, поглощаемую в толще ΐ среды с плотностью ρ.

Таким образом, можно рассматривать компоновку устройства по изобретению по меньшей мере из двух материалов такой толщины, которая обеспечивает эффективное экранирование здоровых тканей, и низким генерированием рентгеновских лучей вследствие тормозного излучения.

Для оценки тормозного излучения, создаваемого при прохождении через материал, можно получить средневзвешенное значение выхода излучения по изменению точки пересекаемого материала; таким образом оценивается коэффициент ослабления за счет толщины нижней пластины. Для оценки энергии пучка, падающего на планарный элемент 10 устройства по изобретению, осуществляется измерение процентной глубинной дозы (ПГД) в центре поля. Данный способ, допустимый для уменьшения длительности расчета, является исключительно консервативным: пучок попадает на планарные элементы не в центре поля (для этого пришлось бы использовать компоновку устройства по изобретению с полным экранированием всего электронного пучка), а скорее в периферийных областях, где в спектре пучка преобладают компоненты, рассеиваемые материалом (предпочтительно ПТФЭ) цилиндрического аппликатора, поэтому величина средней энергии низкая.

Например, на вышеуказанном Интернет-сайте ΕδΤΑΚ можно найти таблицы, относящиеся к останавливающей способности, выходу излучения и ΚϋδΌΑ после изменения энергии электронного пучка для ПТФЭ и железа (в нержавеющей стали), на основании которых можно рассчитать путем аппроксимации ΕδΩΑ ослабление пучка планарными элементами 10 устройства по изобретению. На основании ПГД К50 (глубина, при которой происходит ослабление дозы на 50% по сравнению с максимальным значением) для электронного пучка в 12 МэВ составляет 4,7 см; поэтому пучок имеет среднюю энергию Е_ате, равную 10,98 МэВ:

Ε*_ν. = 2.33 [МеУ - ст¹] - К50 [ст])

В таблице показано ослабление электронного пучка по мере прохождения через верхнюю пластину 11 из ПТФЭ, кроме этого, показаны средняя энергия электронного пучка (сред. энергия эл. пучка [МэВ]), часть энергии, преобразуемой в рентгеновские лучи вследствие тормозного излучения (выход излучения), и средняя энергия создаваемого рентгеновского излучения (сред. энергия рентг. лучей [МэВ]), после изменения толщины пересекаемого ПТФЭ.

пересекаемая толщина ПТФЭ (см)	сред, энергия эл. пучка [МэВ]	ВЫХОД излучения	сред, энергия рентг. лучей (МэВ)
0	10,76 МэВ	0,050	2,7 МэВ
0,2	10,01 МэВ	0,050	2,5 МэВ
0,4	9,26 МэВ	0,050	2,3 МэВ
0,6	8,50 МэВ	0,045	2,1 МэВ
0,8	7,75 МэВ	0,035	1,9 МэВ
1	7,00 МэВ	0,030	1,7 МэВ
1,2	6,25 МэВ	0,030	1,6 МэВ
1,4	5,49 МэВ	0,025	1,4 МэВ
1,6	4,74 МэВ	0,020	1,2 МэВ
1,8	3,99 МэВ	0,020	1,0 МэВ
2	3,23 МэВ	0,015	0,8 МэВ
2,2	2,48 МэВ	0,010	0,6 МэВ
2,4	1,73 МэВ	0,010	0,4 МэВ
2,6	1,16 МэВ	0,010	0,3 МэВ

При ударении о нижнюю пластину 12 из нержавеющей стали электронный пучок, следовательно, обладает средней энергией 1,16 МэВ. Диапазон ΕδΩΑ для подобного пучка менее 0,1 см, а, следовательно, ни один электрон не проходит через стальную пластину. Толщина нижней пластины 12 из нержавеющей стали выбирается равной 8 мм для обеспечения значительного ослабления рентгеновских лучей,

- 6 022729 излучаемых верхней пластиной 11, а также для придания прочности планарному элементу 10. Часть энергии, преобразуемая в рентгеновские лучи, составляет в процентом выражении примерно 2,9%, а ее средняя мощность составляет примерно 1,5 МэВ. Из литературы известно, что лепесток диаграммы излучения имеет форму кардиоида, сильно заостренного в направлении пучка. Коэффициент ослабления стали толщиной 0,8 мм можно рассчитать следующим образом:

где

Р	7,87	г/см³
μ@ 1,5 МеУ	5,35Е-02	см²/г

5х является толщиной пересекаемого материала, т.е. 0,8 см.

Коэффициент ослабления составляет примерно 30%. Следовательно, количество энергии, проходящей через стальной барьер, составляет примерно 2% от энергии, переносимой электронным пучком. Можно получить примерную оценку дозы, теряемой рентгеновскими лучами, принимая во внимание, что (по консервативным оценкам) они теряют 90% энергии на 25 см воды; это подразумевает, что, поскольку электроны теряют всю свою энергию на 6,5 см воды, доза, теряемая фотонами при И_МАХ снизу планарных элементов 10 абсолютно меньше 1% по сравнению с дозой, приходящейся при И_МАХ на центр. В результате, полностью удовлетворяется условие, что средняя остаточная доза на поверхности снизу планарных элементов должна быть менее 3% от И_МАХ для пучка с максимальной допустимой энергией из аппарата ИОЛТ.

Материалы, используемые в предпочтительных вариантах осуществления устройства по изобретению, т.е. ПТФЭ и нержавеющая сталь, также обеспечивают биологическую совместимость и возможность стерилизации в автоклаве при температуре 134°С.

Изобретателями также был разработан способ с использованием программного обеспечения, выполняемого средствами обработки данных аппарата ИОЛТ, для автоматического расчета распределения дозы для любых компоновок планарных элементов 10, т.е. для любых прямоугольных отверстий, образуемых выбранной компоновкой планарных элементов 10.

Коды Монте-Карло (МС) позволяют моделировать поведение электронного пучка при сложных геометрических формах. На этапе проектирования МС может использоваться для воссоздания особо критичных измерений из-за присущих инструментальных ограничений и сложных экспериментальных процедур. Изобретатели использовали коды ЕСЗпгсМР/ВЕАМпгсМР, предлагаемые Группой по эталонам для измерения ионизирующих излучений - Канадский национальный совет по научным исследованиям, адрес в Интернет: Ьир:/Лу\у\\лг8.тт8.пгс.са/ВЕАМ/и8ег_тапиа18/О18ТР1ВиТ1ОКЬ1т1.

ВЕАМпгсМР является системой моделирования Монте-Карло, предназначенной для моделирования источников для радиотерапии, тогда как код ЕСЗпгсМР моделирует поведение электронов и фотонов. Используемая версия предоставляет пользователю графический интерфейс, позволяющий конструировать геометрическую форму линии прохождения пучка (т.е. цилиндрического аппликатора) и быстрей определять параметры и варианты для разных сечений.

Были произведены замеры пространственного распределения дозы: кривые поглощения глубинных доз (ПГД) и профили для разных глубин были подготовлены таким образом, чтобы можно было построить изодозные кривые. Измерения были проведены по всему интересующему объему для определения точного трехмерного распределения поглощаемой дозы (т.е. на мишени, помещенной перед устройством по изобретению для формирования электронного пучка) для разных условий формирования электронного пучка (т.е. компоновок планарных элементов 10). В частности, подобные измерения проводились на трехмерном водяном фантоме (например, фантоме КЕА 300 фирмы 1ВА Иокшейу СтЬН) с использованием анализатора пучков (например, анализатора пучков МР3-Х8 ТЬегару фирмы РТ\У ЕгеФигд СтЬН). В частности, в качестве датчиков использовались диоды для электронов фирмы 1ВА Ио81те1гу СтЬН и указательная изотропная цилиндрическая камера фирмы РТ\У. создающая конкретные твердые фантомы с соответствующими кожухами для датчиков.

Результат моделирования Монте-Карло позволяет точно воссоздать трехмерное распределение дозы и рассчитать мультипликативные факторы для каждой компоновки устройства для формирования пучков относительно эталона (с полностью открытым полем). Моделирование позволяет воссоздать любую необходимую компоновку и связать с ней коэффициент отдачи. Фантомные измерения позволили осуществить выборочную проверку и возможно получить данные для изменения модели.

За счет моделирования МС и проведенных измерений стало возможным использовать детерминистические методы (алгоритмы), реализуемые посредством программного обеспечения, выполняемого средствами обработки данных аппарата ИОЛТ, для автоматического расчета распределения дозы, теряемой сформированным пучком, что позволило определить в реальном времени дозу, подаваемую в клинический объем. В частности, размер отверстия, определяемого планарными элементами 10, может быть получен, оцифрован и передан оператором вручную или даже автоматически (при помощи соответствующих датчиков) на средства обработки данных аппарата ИОЛТ, которые будут использовать их для

- 7 022729 автоматического расчета распределяемой дозы.

Как отмечалось выше, результаты, полученные при моделировании Монте-Карло, использовались в автоматическом способе расчета, за счет чего после получения информации о размере поля облучения и энергии электронного пучка, создаваемого аппаратом ИОЛТ, способ мог рассчитывать распределение дозы с использованием детерминистических алгоритмов, определяемых при помощи моделирования и измерений. Это позволяет определять в реальном времени дозиметрические характеристики в зависимости от геометрической компоновки устройства по изобретению таким образом, что появляется возможность получить данные для настройки аппарата ИОЛТ, например ЫАС для лечения пациента с использованием сформированного пучка.

Предпочтительно аппарат ИОЛТ дополнительно снабжен системой центрирования, содержащей подсветку поля и лазерный указатель, позволяющие локализовать мишень и обеспечить эффективное проведение ИОЛТ. Подсветка поля моделирует распространение пучка вдоль цилиндрического аппликатора и взаимодействие с устройством для формирования пучка по изобретению для точного освещения мишени; лазерный указатель используется для точного определения направления пучка и оси его симметрии. И подсветка поле, и лазерный указатель предпочтительно снабжены механическим интерфейсом, обеспечивающим их использование с облучающей головкой аппарата ИОЛТ, а также простоту и быстроту использования.

Процедура использования устройства по изобретению для формирования электронного пучка может выполняться в следующем порядке:

хирург, вместе с врачом-рентгенологом, выбирает область для проведения лечения;

перед установкой в цилиндрический аппликатор осуществляется подготовка устройства для формирования электронного пучка путем регулировки планарных элементов 10 в зависимости от необходимой формы и размера поля облучения, с использованием миллиметровой шкалы, имеющейся на планарных элементах 10;

затем устройство для формирования электронного пучка размещается в соответствии с хирургическим надрезом путем крепления опорного рычага 8 к операционному столу и регулировки шарниров 5 и 7;

в заключение выполняется процедура жесткой стыковки цилиндрического аппликатора с устройством для формирования электронного пучка.

После этого специальное программное обеспечение автоматически осуществляет расчет распределения дозы для выбранной компоновки.

Другие варианты осуществления устройства для формирования пучка по изобретению могут дополнительно предусматривать его разъемное крепление к дистальному торцу аппликатора.

Другие варианты осуществления устройства для формирования пучка по изобретению могут дополнительно предусматривать его установку перед дистальным элементом цилиндрического аппликатора, например, длиной 5 см, который затем вставляется в хирургический надрез; поле будет образовано равномерно, а программное обеспечение сможет рассчитать расширение электронного пучка после устройства для его формирования.

Выше были рассмотрены предпочтительные варианты осуществления и предложены некоторые модификации настоящего изобретения, между тем следует понимать, что специалисты в данной области техники могут вносить в него уточнения и изменения, не выходящие за соответствующий объем защиты, определяемый в прилагаемой формуле изобретения.

Claims

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

1. Устройство формирования формы электронного пучка для аппарата для интраоперационной лучевой терапии (ИОЛТ), содержащего мобильный блок, снабженный линейным ускорителем с головкой, излучающей электроны, и стойку управления, которые соединены между собой проводами, при этом указанное устройство формирования включает в себя круговой аппликатор, содержащий цилиндрическую трубку с каналом, через который проходит электронный пучок, причем устройство формирования жестко прикреплено к указанной облучающей головке и включает в себя проксимальный элемент, прикрепленный к облучающей головке, и дистальный элемент (3), который соприкасается с облучаемой областью и прикреплен к указанному проксимальному элементу, отличающееся тем, что содержит плиту (1), разъемно прикрепленную к указанному дистальному элементу (3), причем плита имеет отверстие (2), соответствующее каналу в круговом аппликаторе;

по меньшей мере два планарных элемента (10), причем каждый планарный элемент (10) содержит две нахлестывающиеся пластины (11, 12), сторона (11В, 12В) или соответствующие стороны (11А, 12А, 11В, 12В) которых, участвующие в ограничении отверстия канала указанного кругового аппликатора, совмещены между собой, причем пластины скреплены между собой посредством первых механических соединительных средств (13), и каждый планарный элемент (10) прикреплен к плите (1) в положении, которое является изменяемым и зависит от положения крепления указанных первых механических соединительных средств (13) в средствах (14) для вторых механических соединений и расположения самих

- 8 022729 средств (14) на плите (1);

указанные по меньшей мере два планарных элемента (10) взаимно расположены смежно друг с другом и с возможностью скольжения каждого планарного элемента (10) относительно другого смежного планарного элемента (10) посредством механических направляющих средств и средств скольжения (12С, 12Ό), при этом взаимное расположение указанных по меньшей мере двух планарных элементов (10) регулируется таким образом, чтобы они ограничивали отверстие (20) меньшей площади, чем площадь сечения канала указанного кругового аппликатора;

указанные две нахлестывающиеся пластины (11, 12) изготовлены из разных материалов, так что первая пластина (11) изготовлена из первого стерилизуемого, биологически совместимого материала с первым атомным числом, а вторая пластина (12) изготовлена из второго стерилизуемого, биологически совместимого материала со вторым атомным числом, которое больше первого атомного числа, причем вторая пластина (12) ослабляет рентгеновские лучи, создаваемые первой пластиной (11).
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что указанные механические направляющие средства и средства скольжения (12С, 12Ό) содержат по меньшей мере один ползун (12С) и по меньшей мере одну соответствующую направляющую (12Ό).
3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что число указанных планарных элементов (10) равно четырем, каждый планарный элемент (10) имеет первую сторону (11А, 12А) с выступающей кромкой (12С), предпочтительно Ь-образного сечения, и вторую сторону (11В, 12В) с канавкой (11Ό, 12Ό), предпочтительно Ь-образного сечения, соответствующую по форме и размеру выступающей кромке (12С) первой стороны, причем выступающая кромка (12С) одного планарного элемента (10') выполнена с возможностью введения и скольжения в канавке (12Ό) другого планарного элемента (10).
4. Устройство по любому из пп.1-3, отличающееся тем, что указанные первые механические соединительные средства (13) содержат по меньшей мере один винт (13).
5. Устройство по любому из пп.1-4, отличающееся тем, что площадь первой пластины (11) по меньшей мере одного планарного элемента (10) больше площади второй пластины (12), на нижней поверхности первой пластины (11) выполнено углубленное посадочное место, в которое помещается вторая пластина (12), указанные первые механические соединительные средства содержат винт (13).
6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что каждое из указанных средств для второго механического соединения выполнено в виде сквозного паза (14) в плите (1), через который по меньшей мере один винт (13) первого соединительного средства крепит соответствующий планарный элемент (10) к плите (1).
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что указанный первый материал выбран из группы, включающей в себя политетрафторэтилен (ПТФЭ), силикон и полиметилметакрилат (ПММА), толщина первой пластины (11) предпочтительно составляет от 8 до 40 мм.
8. Устройство по любому из пп.1-7, отличающееся тем, что указанный второй материал является металлом, выбранным из группы, включающей в себя нержавеющую сталь и титан, толщина второй пластины (12) предпочтительно составляет от 3 до 15 мм.
9. Устройство по любому из пп.1-8, отличающееся тем, что дополнительно содержит раму (4), прикрепленную к плите (1) и соединенную с операционным столом с возможностью регулирования пространственной ориентации посредством третьих механических соединительных средств (5, 6, 7, 8, 9), указанные третьи механические соединительные средства содержат первый шарнир (5) для соединения рамы (4) с первым рычагом (6), который, в свою очередь, соединен посредством второго шарнира (7) со вторым рычагом (8), соединенным с операционным столом.
10. Способ автоматического расчета распределения дозы, излучаемой аппаратом ИОЛТ через устройство формирования формы электронного пучка по любому из пп.1-9, включающий в себя этапы, на которых измеряют данные, относящиеся к указанному отверстию (20), образованному за счет взаимного расположения указанных по меньшей мере двух планарных элементов (10);

измеряют энергию электронного пучка, создаваемого аппаратом ИОЛТ;

определяют трехмерное распределение дозы после устройства формирования формы электронного пучка в зависимости от взаимного расположения указанных по меньшей мере двух планарных элементов (10) на основе моделирования данных, предпочтительно с использованием метода Монте-Карло для моделирования трехмерного распределения дозы.