Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Формирование дозных распределений в протонной онкоофтальмологии

ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Формирование дозных распределений в протонной онкоофтальмологии"

На правах рукописи

ЛЕБЕДЕВА ЖАННА СЕРГЕЕВНА

ФОРМИРОВАНИЕ ДОЗНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ В ПРОТОННОЙ ОНКООФТАЛЬМОЛОГИИ

Специальность: 03.01.01 - Радиобиология

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

1 5 ИЮЛ 2015

005570582

Москва - 2015

005570582

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении

Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», г. Гатчина

Научные руководители:

Иванов Николай Арсеньевич

доктор физико-математических наук, заведующий лабораторией радиационной физики ФГБУ «Петербургский институт ядерной физики им. Б.П. Константинова» Национального исследовательского центра «Курчатовский институт», г. Гатчина

Ломанов Михаил Фёдорович

доктор физико-математических наук, главный научный сотрудник ФГБУ "ГНЦ РФ Институт теоретической и экспериментальной физики" Национального исследовательского центра

«Курчатовский институт», г. Москва

Официальные оппоненты: Вальский Владимир Владиславович

доктор медицинских наук, главный научный сотрудник отдела офтальмоонкологии и радиологии ФГБУ "Московский научно-исследовательский институт глазных болезней им. Гельмгольца

Минздрава РФ", заведующий отделением радиологии, г. Москва

Горлачев Геннадий Ефимович

кандидат физико-математических наук Ведущий научный сотрудник ФГБНУ НИИ нейрохирургии имени академика H.H. Бурденко, г. Москва

диссертационного совета Д 501.001.65 при Московском государственном университете имени М.В. Ломоносова по адресу: 119991, г. Москва, Ленинские горы, д.1, стр. 12, МГУ им. М.В. Ломоносова, биологический факультет, ауд. 389.

С диссертацией можно ознакомиться в Фундаментальной библиотеке МГУ имени М.В. Ломоносова, Ломоносовский пр. 27, сектор А, к. 812. Отзывы просим присылать Веселовой Т.В. по адресу: 119991, Москва, Ленинские горы, д. 1, стр. 12, МГУ им. М.В. Ломоносова, кафедра биофизики биологического факультета.

Ведущая организация:

Объединенный институт ядерных исследований, г. Дубна

Защита диссертации состоится

заседании

Автореферат разослан » ЛАА/ОиЛ 2015 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

Веселова Татьяна Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Лучевая терапия (ЛТ) злокачественных новообразований занимает особое место среди наиболее востребованных методов лечения онкологических заболеваний. В развитых странах в 70% случаев лечение онкологических больных происходит с применением методов лучевой терапии.

Задача ЛТ состоит в создании равномерного распределения поглощенной дозы в области, которая определена врачом-радиологом как клинический (патологический) объем (CTV, clinical target volume). В связи с тем, что в процессе получения информации о внутренней анатомии пациента, определении CTV, укладки пациента, расчета дозы, калибровки оборудования возможны разнообразные неточности, необходимо прибавлять к CTV некий отступ. Результирующий облучаемый объем носит название планируемого объема мишени (PTV, planning target volume). По мировым стандартам PTV должно получать дозу в пределах 90%-107% от предписанной, a CTV - в пределах 95^107%) [Stroom et al., 2002]. При этом соседние здоровые ткани и органы риска должны получить дозу меньшую или равную толерантной (доза, при облучении которой в данном органе или ткани не возникает серьезных лучевых последствий).

Известно, что в силу характера взаимодействия фотонов с веществом, в большом ряде случаев оказывается невозможным соблюдение этих условий. Даже при использовании наиболее совершенных методов фотонной ЛТ, при которых конформность (ситуация, когда форма 90^95% изодозы максимально приближена к форме опухоли) связана с увеличением числа направлений входа пучка, облучение здоровых тканей производится хотя и в дозах ниже толерантных, однако объем здоровой ткани, получающей малую дозу, значителен.

В тоже время, эти условия могут быть выполнены применением протонов и

более тяжелых ионов. При прохождении через вещество протоны слабо

рассеиваются. Поглощенная доза возрастает по направлению пучка и имеет резкий

максимум в конце пробега (так называемый «пик Брэгга»). Регулируя

энергетический спектр пучка, можно подобрать его так, чтобы расширенный

модифицированный пик Брэгга (МКБ) полностью и равномерно покрыл весь объем

облучаемой мишени. Узкий максимум глубинного распределения поглощенной

дозы моноэнергетического пучка (пика Брэгга) делает возможным облучение

3

чрезвычайно малых объемов с дозой, в несколько раз превышающей дозу на входе в ткань. При этом практически полностью исключается облучение за пределами максимального пробега частиц.

В случае онкологических новообразований органа зрения, когда опухоль расположена в непосредственной близости от мозга, зрительного нерва, макулы и других структур глаза, облучение которых крайне нежелательно и, к примеру, может привести к потере зрения, метод протонной терапии является практически безальтернативным. Для достижения высокого градиента дозы в области между опухолью и зрительным нервом в случае фотонной терапии необходимо облучение ротационными методами. Но в таком случае, как уже было отмечено, в малой дозе облучается весь головной мозг, что может приводить к негативным последствиям, особенно в молодом и детском возрасте [Ра§апеп1, 2012]. Методы аппликационной брахитерапии можно применять лишь для лечения опухолей очень малых размеров в связи с особенностями распределения дозы от применяющихся источников.

Прекрасные результаты протонной лучевой терапии (ПЛТ) в онкоофтальмологии, полученные за последние несколько десятилетий (95-97% локального контроля [Ога£оис1аз, 2002]), подтверждают необходимость развития центров протонной терапии.

Разрабатываемый в ФГБУ «ПИЯФ» протонный офтальмологический комплекс на базе изохронного циклотрона Ц-80 рассматривается в качестве одного из пилотных проектов развития этого направления. В связи с высокими требованиями, предъявляемыми к качеству терапевтических пучков, создание системы формирования офтальмологического пучка представляет собой сложную задачу. Необходимым этапом ее решения является математическое моделирование с целью определения состава и параметров основных узлов системы. Моделирование таких систем позволяет также выработать критерии и определить требования к характеристикам входного пучка протонов, а также оценить возможности создаваемого комплекса на этапе его конструирования. Следует иметь в виду, что результат облучения тканей определяется биологической, а не поглощенной дозой. В связи с этим необходимо рассчитать пространственное распределение биологической дозы с учетом относительной биологической эффективности протонов. Все вышесказанное определяет актуальность темы диссертационной

работы.

Цели н задачи работы. Целью диссертационной работы является разработка 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 лечения онкоофтальмологических заболеваний на базе ускорителя протонов Ц-80. Дня достижения данной цели были поставлены следующие задачи:

1. Оценить методы формирования и применяющееся оборудование в центрах протонной онкоофтальмологии в мире.

2. Выбрать среду разработки и провести её тестирование.

3. Разработать математическую модель системы, позволяющую сформировать дозные распределения в пациенте с параметрами, необходимыми для лечения онкоофтальмологических заболеваний.

4. Провести виртуальный эксперимент по трансформации протонного пучка при его прохождении через систему формирования дозного распределения.

5. На основе анализа альтернативных подходов к созданию системы формирования разработать рассеивающую систему и гребенчатый фильтр.

6. Выработать рекомендации и требования к оптимальной системе формирования и к параметрам пучка протонов на входе в зал облучения.

7. 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.

8. Рассчитать пространственное распределение биологической дозы с учетом относительной биологической эффективности (ОБЭ) протонов.

9. Провести анализ аспектов системы контроля качества для ввода в эксплуатацию и клинического применения комплекса протонной лучевой терапии.

Положения, выносимые на защиту:

1. Оптимизированный матричный метод на основе набора кривых Брэгга, рассчитанных или полученных экспериментально, является наилучшим методом определения параметров модулятора энергетического спектра

протонов для создания необходимого профиля МКБ (как для поглощенной, так и для биологической дозы).

2. Использование входного «широкого» пучка протонов позволяет существенно снизить радиационный фон в зале облучения и упростить систему формирования медицинского пучка.

3. Расчет дозных распределений, создаваемых протонами с энергий около 60 МэВ, без учета упругих и неупругих процессов взаимодействия протонов с ядрами атомов приводит к ошибкам в величинах и пространственных распределениях поглощенной дозы, превышающим допустимые в лучевой терапии пределы.

Научная новизна работы.

1. Разработана виртуальная модель системы для формирования в фантоме дозных распределений с параметрами, необходимыми для лечения онкоофтальмологических заболеваний. Модель учитывает все основные процессы взаимодействия протонов с веществом, позволяет варьировать параметры элементов системы и оценивать радиационный фон в зале облучения.

2. Установлено, что расчеты прохождения протонов с энергий около 60 МэВ через вещество с учетом только электромагнитных процессов приводят к переоценке дозы в области пика Брэгга в сравнении с расчетами, включающими упругие и неупругие процессы взаимодействия протонов с ядрами атомов. Различия составляют 9-10%, что превышает допустимое значение погрешности величин поглощенной дозы в облучаемом объеме.

3. Впервые предложен метод «широкого» входного пучка протонов, который позволяет существенно (в несколько раз) уменьшить радиационный фон в зале облучения и несколько упростить систему формирования.

4. Установлено, что в близких по химическому составу тканеэквивалентных материалах различия в пробеге протонов до положения пика Брэгга могут составлять 1-2 мм. Такие различия превышают допустимые величины погрешности на пространственное распределение поглощенной дозы в глазе. Практическая значимость работы состоит в том, что её результаты будут

использованы при создании системы формирования дозных распределений для лечения онкоофтальмологических заболеваний методом ПЛТ на базе циклотрона Ц-80 в ФГБУ ПИЯФ. Позволяют подготовить (и частично провести) мероприятия по вводу системы в клиническую эксплуатацию, и являются также основой для разработки тестов периодического контроля качества. В последней главе диссертации обозначена проблема перехода от поглощенной к биологической дозе и показана необходимость проведения исследований для оценки биологического эффекта, производимого протонами в тканях и органах.

Полученные результаты и созданное программное обеспечение также могут применяться для расчета аналогичных систем в других учреждениях. Результаты работы могут быть использованы в качестве теоретических и экспериментальных наработок для студентов, специалистов, аспирантов и преподавателей в образовательном процессе в высших учебных заведениях, в процессе повышения квалификации и стажировки, а также для сотрудников научно-исследовательских институтов.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием современных методов проведения исследований. Теоретические положения основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных с предметом исследований, выполненных в рамках диссертации. Точность и корректность численных алгоритмов проверялись тестовыми расчетами, а также сравнением с экспериментальными и расчетными данными, полученными в работах других авторов.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих конференциях:

IX Конференция по физике высоких энергий, ядерной физике и ускорителям, г. Харьков, Украина, 21-25 февраля, 2011 г.; IX Курчатовская молодежная научная школа, г. Москва, Россия, 22-25 ноября 2011г.;

ХЬ Международная научно-практическая конференция СПбГПУ, г. Санкт-Петербург, Россия, 5-10 декабря, 2011 г.; Международная конференция молодых ученых и специалистов «Актуальные вопросы мирного использования атомной энергии», г. Алматы, Казахстан, 6-8 июня, 2012 г. (получен диплом за лучшее

выступление);

X Курчатовская молодежная научная школа, г. Москва, Россия, 23-26 октября, 2012 г. (получен диплом за представленный доклад);

XI Курчатовская молодежная научная школа , г. Москва, Россия, 12-15 ноября, 2013 г.

Публикации. Основные теоретические и практические результаты по теме диссертации опубликованы в 12 печатных работах, из них: 4 статьи - в журналах, рекомендованных ВАК РФ; 5 статей - в материалах международных и российских научных конференций, 3 статьи - в иных изданиях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Содержит 128 страниц, включает 11 таблиц, 50 рисунков и 1 приложение. Список литературы включает 106 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируются цели и задачи работы, её научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен литературный обзор проблем протонной терапии. Введены основные понятия и термины лучевой терапии. Во втором параграфе описаны принципы биологического действия излучения, введено понятие относительной биологической эффективности (ОБЭ), показаны особенности действия редко- и плотноионизирующих излучений. Третий параграф посвящен описанию метода ПЛТ и сравнению его с другими методами лучевой терапии. Показаны преимущества использования протонов в сравнении с другими видами частиц даже с учетом высокого значения ОБЭ у более тяжелых ионов. В четвертом параграфе обоснована актуальность протонной терапии в онкоофтальмологии. Пятый параграф посвящен детальному описанию методик протонной терапии. В настоящее время все методы ПЛТ можно условно разделить на метод пассивного рассеяния и метод «карандашного пучка». Проведенное сравнение этих методик показало, что использование метода пассивного рассеяния при лечении онкологических заболеваний органа зрения более предпочтительно в силу своей относительной простоты, меньшей зависимости качества облучения от движений

мишени и относительно малого размера мишени. В шестом параграфе представлены основные требования к параметрам дозных распределений, необходимых для лечения онкоофтальмологических заболеваний.

Седьмой параграф посвящен анализу мирового опыта протонной онкоофтальмологии. В настоящее время по данным PTCOG (Particle Therapy Cooperative Group) насчитывается несколько десятков центров протонной терапии с горизонтальными пучками, большая часть из которых применяется для лечения офтальмологических заболеваний. В данном параграфе приведены параметры двух действующих установок, успешно работающих на протяжении последних лет, информация о которых наиболее широко представлена в научных изданиях.

Изохронный циклотрон AIC-144 в Institute of Nuclear Physics of the Polish Academy of Sciences (IFJ PAN) в Кракове (Польша) энергия частиц на выходе ускорительного тракта может варьироваться от 20 МэВ до 60 МэВ, ток от 10 мкА до 100 мкА [Michalec et al., 2010]. Для формирования профиля пучка в системе используется одиночный танталовый рассеиватель, расположенный в 12 м от изоцентра. Для создания МКБ применяется модулятор, индивидуально изготавливающийся для каждого пациента.

CATANA (Centro di AdroTerapia e Applicazioni Nucleari Avanzate) в Катании (Италия) использует сверхпроводящий циклотрон с максимальной энергией 62 МэВ и с диаметром пучка перед системой формирования 3 мм. В данном центре применена двойная система рассеяния с поглотителем центральной части пучка диаметром 4 мм [Cirrone et al., 2004]. Смещение задней границы МКБ происходит за счет применения поглотителя, размещенного в отсеке, предназначенном для модулятора. В отличие от IFJ PAN в Катании используется библиотека модуляторов.

Здесь же представлены основные параметры получаемых дозных распределений. В IFJ PAN количественно представлены лишь параметры кривой Брэгга при максимальной энергии монохроматического пучка. Дистальный спад кривой (от 90% до 10%) составляет 0.75 мм, отношение дозы в пике к дозе на входе в фантом 4.8, ширина пика Брэгга на полувысоте 3.2 мм.

Описание характеристик дозных распределений в CATANA дает количественное представление о ширине полутени профиля пучка по уровню 80%-

20%. При диаметре конечного коллиматора 25 мм она составляет менее 1.5 мм, асимметрия 2.4%.

В заключение параграфа сделаны выводы относительно накопленного опыта протонной онкоофтальмологии. Обозначены основные достоинства и недостатки различных подходов к системе формирования. В качестве критериев к конечному дозному распределению выбраны следующие: ширина полутени профиля пучка по уровню 80%-20% при максимальном диаметре пучка - не более 3 мм, спад задней границы МКБ (дистальный спад) - не более 2 мм, плоскостность МКБ - 2%.

Восьмой параграф посвящен гарантии качества (ГК) протонной терапии. Её создание имеет своей целью определение возможных погрешностей и ошибок в процессе подготовки и реализации протонной терапии с целью их минимизации. Разнообразие методик протонной терапии и уникальность каждой отдельной установки (особенно ПЛТ в онкоофтальмологии) приводят к определенным трудностям при попытках разработать какие-либо общие рекомендации по ГК в протонной терапии, поэтому в каждом отдельном случае необходимо создавать её вновь.

Поскольку комплекс протонной онкоофтальмологии в ФГБУ «ПИЯФ» находится на этапе создания, в задачу данной работы входило моделирование системы формирования дозных распределений, исследование возможных источников ошибок и особенностей, связанных со спецификой метода в ядерно-физическом аспекте.

В заключение главы сделан вывод о необходимости рассмотрения альтернативных подходов к получению приемлемых для клинического использования параметров дозных распределений.

Во второй главе описаны виртуальная модель установки и методика моделирования процесса прохождения протонов через вещество методом Монте-Карло. Первый параграф посвящен краткому обзору метода Монте-Карло и программного комплекса Geant4. Geant4 является открытым ресурсом и неоднократно использовался для расчета различных медицинских установок, в том числе и протонных медицинских ускорителей [Cirrone et al., 2004; Mertens et al., 2010; Stankovskiy et al.,2009; Paganetti et al., 2004].

Во втором параграфе представлена схема формирования дозных

распределений, геометрические и физические параметры всех основных элементов, которые включают в себя систему рассеяния и коллимации, отсек модулятора энергетического спектра пучка для создания МКБ, систему конечной коллимации и защиты пациента от потока вторичных частиц, систему мониторирования пучка (рисунок 1).

Третий параграф посвящен рассмотрению моделей, описывающих процессы взаимодействия протонов с веществом. Учитывались электромагнитные процессы: ионизационные потери протонов, потери на тормозное излучение и рождение пар, многократное рассеяние; а также - упругие и неупругие процессы взаимодействия протонов с ядрами атомов.

Детектирующая Чувствительный

Рисунок 1. Схема экспериментальной виртуальной установки

В четвертом параграфе представлены результаты тестирования выбранных моделей посредством сравнения собственных результатов с результатами, представленными в других расчетных и экспериментальных работах.

Для тестирования разработанной программы прохождения протонов было проведено сравнение положения пика Брэгга от моноэнергетического пучка протонов

с энергией 60 МэВ, рассчитанного в Geant4, с результатами по программе SRIM: отличие в положении пика Брэгга составило 0.23 %. Положение пика Брэгга для протонов с энергией 60 МэВ с энергетическим разбросом 300 кэВ по программе MNCPX (Расчёт Онегина М. С., ФГБУ «ПИЯФ») отличается от полученного в Geant4 на 0.16%.

Для определения степени корректности расчета фона вторичных частиц было также проведено тестирование на предмет описания выхода нейтронов. При энергии протонов 70 МэВ различие в результатах расчетов по выходу нейтронов из медной мишени с экспериментальными данными [Bromme et al., 1983] составило 7.3%. Результаты расчетов по угловому и энергетическому распределению нейтронов при взаимодействии протонов с энергией 100 МэВ с ядрами атомов железа хорошо согласуются с результатами, представленными в работе [Agosteo et al., 2008].

В конце главы сделан вывод о корректности созданной программы расчета.

В третьей главе представлены результаты расчета дозных распределений при использовании традиционной системы формирования офтальмологического пучка. В качестве исходных параметров пучка протонов были использованы планируемые характеристики пучка циклотрона Ц-80 [Иванов Н. А., 2012].

Первый и второй параграф посвящены вопросам изменения дозных распределений за счет взаимодействия протонов с атомами воздушной среды в зале облучения и оценки оптимального расстояния от конечного коллиматора до пациента. Показано, что воздушный зазор в 180 см от источника до поверхности мишени уширяет профиль пучка с диаметром 1 см приблизительно в 2 раза, в то время как величина полутени увеличивается в 4 раза.

Третий параграф посвящен созданию модулятора энергетического спектра пучка для получения МКБ. Рассмотрены все основные подходы к решению этого вопроса, определены их возможности и ограничения. Показано, что методы расчета МКБ для активного и пассивного методов не могут быть идентичными в связи с тем, что при методе пассивного рассеяния для достижения соответствующей энергии протонов пучок должен пройти через модулятор (слой вещества определенной толщины), в котором одновременно со снижением энергии будет происходить рассеяние пучка и поглощение протонов. В связи с этим проведена

оптимизация матричного метода и предложен метод расчета параметров модулятора, который учитывает все особенности системы. Созданное программное приложение для расчета может быть легко применено на практике.

В конце главы сделаны основные выводы о влиянии элементов системы формирования и их размещения на геометрию дозного распределения.

Четвертая глава посвящена вопросам оптимизации системы формирования. В первом и втором параграфах описан процесс моделирования системы рассеяния, состоящей из двух танталовых фольг, на одной из которых размещался латунный поглотитель центральной части пучка. Был выбран вариант, который представляет некую модификацию двойного рассеивателя, предложенного в работе [Стопе е1 а1., 2004]. Это позволило создать пучок с полутенью по уровню спада с 80% дозы до

Рисунок 2. Дозные распределения для «узкого» пучка (егг = 2 мм, а^ = 4.2 мрад) в системе двойного рассеяния: (а) МКБ; (б) профиль пучка

Использование традиционной схемы расширения пучка протонов на раннем

этапе исследований в области протонной терапии обусловлено необходимостью

медицинского применения ускорителей, созданных для физических исследований.

Поскольку системы транспортировки пучка циклотрона Ц-80 находятся на стадии

разработки, то представляется целесообразным сразу задать параметры пучка на

входе в зал облучения на основе медицинских требований к дозным

распределениям. В работе рассмотрен вариант формирования пучка, который был

назван «широким», когда диаметр пучка на входе в зал облучения соответствует

диаметру конечного коллиматора (а при сохранении эмиттанса пучок будет иметь и

13

меньшую расходимость). Результаты расчета в такой модели представлены в третьем параграфе данной главы. Так например, получена область поглощенной дозы с полутенью по уровню спада с 80% дозы до 20% равной 3 мм при ширине по уровню 50% изодозы в 25 мм. Значения параметров профиля распределения требует экспериментальной проверки, однако, проведенное исследование показало возможность применения такого подхода.

Применение «широкого» пучка позволяет уменьшить количество рассеивающих преград на трассе пучка протонов, что приводит к существенному снижению радиационного фона. Определим эффективность проводки пучка — е как отношение числа протонов, падающих на поверхность облучаемого объекта, к числу протонов, вошедших в зал облучения. В варианте «узкого» пучка величина эффективности составила — 0.06, а для «широкого» пучка — £wj<]e — 0.17. Остальная часть пучка протонов (1-е) поглощается в материалах системы формирования дозного распределения и зала облучения, создавая в результате ядерных реакций вторичные частицы и радионуклиды. Отношение количества таких протонов г) для случаев «узкого» и «широкого» пучков определяется выражением:

Л = (ewide /Ерсп) • [(1 -бреп) / (1 - Sw,de)] (1)

Соответственно, в нашем случае применение «широкого» пучка позволяет примерно в 3 раза снизить радиационный фон в зале облучения по сравнению с использованием традиционной схемы с «узким» пучком.

Такое различие может показаться недостаточно существенным, однако необходимо иметь в виду большую относительную биологическую эффективность нейтронов, которая в зависимости от их энергии меняется в пределах от 1 до 20. В работе [Paganetti, 2012] приведен обзор литературы, посвященной риску развития вторичного рака при протонной терапии за счет вторичных нейтронов, в частности в детском возрасте. Негативные последствия такого облучения плохо изучены, в связи с чем наиболее приемлемым подходом считается максимально возможное уменьшение фона вторичных частиц без потери качества пучка.

В пятой главе освещены вопросы гарантии качества, связанные в частности, с переходом от поглощенной дозы к биологической. В первом параграфе данной главы представлены различные источники ошибок, возникающие в процессе

14

планирования ПЛТ. Одна из наиболее критических систематических ошибок связана с данными, на основе которых производится расчет дозного распределения. При планировании фотонной лучевой терапии расчет производится на основе данных компьютерной томографии (КТ) пациента, дающих представление о способности ткани поглощать диагностическое рентгеновское излучение и план может быть идентичен для различного элементного состава вещества. При протонной терапии отсутствие информации об атомном номере вещества не дает возможности учитывать ядерные взаимодействия. В настоящее время данная проблема решается двумя способами: введение поправки на ядерные реакции и так называемый метод сегментации, когда полученное КТ-изображение разбивается на области, каждая из которых представляется состоящей из определенного материала, имеющегося в стандартной базе данных.

В работе был проведен расчет прохождения протонов с энергиями 60 МэВ через некоторые тканеэквивалентные материалы. Уменьшение дозы в пике Брэгга при учете упругих и неупругих процессов на ядрах атомов в сравнении с расчетом с учётом только электромагнитных взаимодействий при этом составило около 10%. Установлено, что в близких по своему химическому составу тканеэквивалентных материалах наблюдаются расхождения в пробеге протонов в несколько миллиметров. Принимая во внимание малые размеры критических структур глаза, (например расстояние от центральной части макулярной ямки до заднего полюса таза составляет 1.5±0.5 мм [Канчели и др., 2010]), такое расхождение критично как с точки зрения достижения локального контроля опухоли, так и с точки зрения риска развития постлучевых осложнений.

Второй и третий параграфы посвящены вопросу перехода от поглощенной дозы к биологической. В клинической практике протонной терапии принято для перехода от поглощенной дозы к биологической использовать значение ОБЭ равное 1.1 на всех участках кривой Брэгга |Т^апеШ е1 а!., 2002] что означает использование постоянной величины ОБЭ для протонов с энергиями 0-200 МэВ. Однако, многочисленные эксперименты свидетельствуют о наличии зависимости ОБЭ от энергии протонов [Т^апеШ е1 а1., 2002]. В третьем параграфе представлены результаты расчета биологической дозы методом, принятым в клинической практике, и на основе феноменологической модели зависимости ОБЭ от линейной

передачи энергии (ЛПЭ), базирующейся на линейно-квадратичной модели из работы [\Vilkens е1 а1., 2004] (рисунок 3). На кривой, расчёт которой произведен на основаннии коэффициентов из [\Vilkens е1 а1., 2004], наблюдается значительное повышение биологического эффекта в дистальной части МКБ. Этот результат указывает на существенное влияние зависимости ОБЭ от энергии протонов на распределение биологической дозы. Однако справедливость использования постоянной величины ОБЭ на всём протяжении МКБ не подтверждается в различных радиобиологических экспериментах [Т^апеИ! е1 а1., 2014], а современные экспериментальные и теоретические радиобиологические данные не позволяют однозначно оценить ОБЭ протонов. Очевидно, что результаты лечения в области протонной онкоофтальмологии являются прямым доказательством того, что метод протонной терапии является превосходным инструментом в борьбе с онкозаболеваниями органа зрения. Однако, имеющийся пробел в понимании биологического эффекта, производимого протонами, не даёт реализовать потенциал метода в полной мере.

1.4 1,2 1.°

о.

1- 0,8

8

О

С£ 0,6 0,4 0,2 0,0

0 10 20 30 40

Пробег в воде, мм

Рисунок 3. Модифицированная кривая Брэгга (МКБ) для пучка протонов с максимальной энергией 60 МэВ: поглощенная доза (сплошная), взвешенная при ОБЭ =1.1 (пунктир), взвешенная при ОБЭ, зависящем от ЛПЭ по формуле из [\^1кепз е1 а1„ 2004] при (штрих-пунктир)

В заключение главы сделан вывод о необходимости использования созданного программного приложения для разработки системы контроля качества.

Результат расчета прохождения протонов с энергией 60 МэВ через различные тканеэквивалентные материалы может быть использован при тестировании систем дозиметрического планирования. Полученное расхождение в пробеге протонов в различных веществах дает основание к увеличению отступа от клинического объема мишени и/или предъявляет повышенные требования к топометрическим данным.

Выводы

1. 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.

2. 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.

3. На основе созданной программы рассчитано распределение плотности потока вторичных частиц в зале облучения и показано, что использование «широкого пучка» уменьшает фон вторичных частиц при сохранении приемлемых параметров дозных распределений.

4. 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.

5. На основании проведенного расчета прохождения пучка в тканеэквивалентных материалах предложены мероприятия по введению в эксплуатацию системы дозно-анатомического планирования.

6. Проведён переход от поглощенной к биологической дозе и показано, что имеющиеся на сегодня методы 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.

Публикации в журналах, рекомендованных ВАК

1. Иванов Н. А., Лебедева Ж. С. Оценка параметров пучка протонов для применения в офтальмологии // Научно-технические ведомости СПбГПУ. ФМН. 2013 г., Т. 165, 1, стр. 128-135.

2. Иванов H.A., Лебедева Ж.С. Шуракова Ю.Б. Погрешности при переходе от поглощенной дозы протонов в воде к дозе в ткани //. Медицинская физика. 2013 г., Т. 59,3, стр. 42-47.

3. Лебедева Ж.С., Шуракова Ю.Б. Выбор системы коллимации и рассеяния протонной офтальмологии с целью гарантии ее качества // Научно-технические ведомости СПбГПУ. ФМН. 2013 г., Т. 182,4-1, стр. 66-71.

4. Иванов H.A., Лебедева Ж.С. Возможности снижения радиационного фона в зале протонной терапии // ПЖТФ. 2014 г., Т. 40,16, стр. 36-41.

Публикации автора в других изданиях

1. Лебедева Ж. С. Источники погрешностей в расчетах энерговыделения при торможении протонов в некоторых тканеэквивалентных материалах. Москва: Сборник аннотаций работ IX Курчатовской молодежной научной школы, 2011, стр. 106.

2. Лебедева Ж.С., Шуракова Ю.Б. Моделирование прохождения протонов с энергией 60 МэВ через тканеэквивалентные материалы методом Монте-Карло. СПб: XL неделя науки СПбГПУ. Материалы международной научно-практической конференции, часть 5, ФМФ, 2011, стр. 182.

3. Иванов H.A., Лебедева Ж.С. Формирование пучка протонов с энергией 60 МэВ для применения в офтальмоонкологии. Алматы: Тезисы докладов международной конференции молодых ученых, 2012. стр. 149.

4. Лебедева Ж.С. Разработка равномерно вращающегося модулятора для получения плато модифицированной кривой Брэгга. Москва: Сборник аннотаций работ X Курчатовской молодежной научной школы, 2012. стр. 81.

5. Лебедева Ж. С. Фон нейтронов и гамма-квантов при протонной офтальмологии. Москва: Сборник аннотаций работ XI Курчатовской молодежной научной школы, 2013. стр. 237.

6. Иванов Н.А., Лебедева Ж.С., Тверской М.Г. и др. Моделирование системы доставки пучка протонов с энергиями 60-70 МэВ и его прохождения через тканеэквивалентные материалы методом Монте-Карло. Гатчина: Сообщение ПИЯФ-2891, 2012 г. стр. 35.

7. Иванов Н.А., Лебедева Ж.С. Формирование офтальмологического пучка протонов. Вестник НЯЦ РК. 2012 г., Т. 3, 51, стр. 55-58.

8. Иванов И. А., Лебедева Ж. С. Расчет системы формирования пучка в зале протонной офтальмологии. Основные результаты научной деятельности ПИЯФ в 2014 г. Гатчина: 2015, стр. 98-99.

Дополнительная литература

1. Канчели М.Ф., Ломанов В.П., Похвата В.Г. и соавт. Уточненный метод планирования протонного облучения внутриглазных новообразований // Мед. физика. 2010 г., Т. 1, стр. 24-33.

2. Agosteo S., Magistris М., Mereghetti A., Silari М., Zajacova Z. Shielding data for 100-250 MeV proton accelerators: Double differential neutron distributions and attenuation in concrete //NIM B. 2008, Vol. 265, pp. 581-598.

3. Bromme T.A., Perry D.R., Stapleton G.B. Particle Distribution around a Copper Beam Stop for 72-MeV Protons // Health Phys. 1983, Vol. 44, pp. 487-499.

4. Cirrone G.A.P., Cuttone G., Lojacono P.A. A 62 MeV Proton beam for the treatment of ocular melanoma at Laboratori Nazionali del Sud-INFN (CATANIA) // IEEE. 2004, Vol. 51,3, pp. 860-865.

5. Gragoudas E.S., Long-term risk of local failure after proton therapy for choroidal/ciliary body melanoma // Trans. Am. Ophthalmol. Soc. 2002, Vol. 100, pp. 43-50.

6. Mertens C.J., Moyers M.F., Walker S.A. et al. Proton lateral broadening distribution comparisons between GRNTRN, MCNPX, and laboratory beam measurements // Adv. Space Res. 2010, Vol. 45, pp. 884-891.

7. Michalec В., Swakon J., Sowa U. Proton radiotherapy facility for ocular tumors at the IFJ PAN in Krako'w Poland // Appl. Rad. and Isotopes. 2010, Vol. 68, pp. 738-742.

8. Paganetti H., Niemierko A., Ancukiewicz M. et al. Relative biological

effectiveness (RBE) values for proton therapy // Int. J. Radiation Oncology Biol. Phys., 2002, Vol. 53, pp. 407-421.

9. Paganetti H., Jiang H., Lee S.Y., Kooy H.M. Accurate Monte Carlo simulations for nozzle design, commissioning and quality assurance for a proton radiation therapy facility // Med. Phys. 2004, Vol. 31, 7, pp. 2107-2118.

10. Paganetti H. Proton Therapy Physics Boca Raton. Boca Raton : CRC Press, 2012. p. 651.

11. Paganetti H. Relative biological effectiveness (RBE) values for proton beam therapy. Variations as a function of biological endpoint, dose, and linear energy transfer // Phys. Med. Biol. 2014, Vol. 59, pp. R419-R472.

12. Stankovskiy A., Kerhoas-Cavata S., Ferrand R. et al. Monte Carlo modelling of the treatment line of the Proton Therapy Center in Orsay // Phys. Med. Biol. 2009, Vol. 54, pp. 2377-2394.

13.Stroom J., Heijmen B. Safety Margins for Geometric Uncertainties in Radiotherapy and the ICRU-62 report // Radiother. Oncol. — 2002. — Vol. 64. — P. 75-83.

14.Wilkens J. J., Oelfke U. A. phenomenological model for the relative biological effectiveness in therapeutic proton beams // Phys. Med. Biol. 2004, Vol. 49, pp. 2811-2825.

Подписано в печать 17.06.2015 Формат 60x84Цифровая Печ. л. 1.0 Тираж 100 Заказ №06/06 печать

Типография «Фалкон Принт» (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Большая Пушкарская, д. 54, офис 2, Сайт: falconprint.ru)