Оценка возможности определения поперечного профиля медицинского электронного пучка методом многоуглового сканирования для повышения точности проведения радиотерапевтических процедур

DOI: 10.21870/0131-3878-2023-32-2-66-77

Булавская А.А.¹, Батранин А.В.¹, Бушмина Е.А.¹, Черепенников Ю.М.¹, Григорьева А.А.¹, Милойчикова И.А.^1,2, Стучебров С.Г.¹

«Радиация и риск». 2023. Том 32. № 2, с.66-77

Сведения об авторах

Булавская А.А. – ст. преподаватель, к.ф.-м.н.

Батранин А.В. – доцент, к.т.н.

Бушмина Е.А. – инженер

Черепенников Ю.М. – доцент, к.т.н.

Григорьева А.А. – инженер

Стучебров С.Г. – доцент, к.ф.-м.н. ФГАОУ ВО НИ ТПУ.

Милойчикова И.А. – мед. физик, к.ф.-м.н. ФГАОУ ВО НИ ТПУ, НИИ онкологии ФГБНУ ТНИМЦ РАН. Контакты: 634009, Томск, пер. Кооперативный, 5. Тел.: +7 (3822) 282686; e-mail: Этот адрес электронной почты защищен от спам-ботов. У вас должен быть включен JavaScript для просмотра. .

¹ ФГАОУ ВО «Национальный исследовательский Томский политехнический университет», Томск
² Научно-исследовательский институт онкологии ФГБНУ «Томский национальный исследовательский медицинский центр Российской академии наук», Томск

Аннотация

Данная работа направлена на оценку применимости нового метода многоуглового сканирования пучка, предложенного авторами для определения поперечного профиля пучка ускоренных электронов. Областью применения предложенного подхода станет контроль пространственных и дозовых характеристик терапевтических пучков с целью увеличения точности облучения и, как следствие, уменьшения негативных последствий лучевой терапии. Одной из основных прикладных проблем, на решение которых направлен предложенный подход, является определение характеристик пучка при проведении электронной лучевой терапии. При проведении процедур электронной лучевой терапии в большинстве случаев необходимо формировать электронные пучки, поперечный профиль которых имеет сложную форму. На всех этапах облучения пациента необходимо проводить высокоточный контроль сложного поперечного профиля электронного пучка, что обуславливает актуальность данной тематики. В данной работе методом интегральных преобразований были получены распределения интенсивности медицинского электронного пучка. В работе применялись поперечные профили пучков, полученные с помощью системы дозиметрического планирования для реальных клинических случаев. Метод был применён для «идеальных» и «реальных» профилей медицинских электронных пучков. Интегральные преобразования осуществлялись при разных количествах проекций. Это позволило рассчитать оптимальное количество проекций для каждого рассмотренного случая. В результате работы было показано, что для применения метода многоуглового сканирования пучка с целью контроля поперечного профиля медицинского электронного пучка необходимо иметь 12 проекций профиля пучка, что соответствует угловому смещению 15°.

Ключевые слова
поперечный профиль пучка, диагностика пучков, реконструкция данных, многоугловое сканирование, плёночный дозиметр, медицинские электронные пучки, электронная лучевая терапия, план облучения, клинический линейный ускоритель.

Список цитируемой литературы

1. Khan F.M., Gibbons J.P. Khan's the physics of radiation therapy. 5th edition. Philadelphia, USA: Lippincott Williams & Wilkins, 2014. 584 p.

2. Poppe B., Djouguela A., Blechschmidt A., Willborn K., Rühmann A., Harder D. Spatial resolution of 2D ionization chamber arrays for IMRT dose verification: single-detector size and sampling step width //Phys. Med. Biol. 2007. V. 52, N 10. С. 2921-2935.

3. Galvin J.M., Bednarz G. Quality assurance procedures for stereotactic body radiation therapy //Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 2008. V. 71, N 1. P. S122-S125.

4. Webb S. Intensity-modulated radiation therapy (IMRT): a clinical reality for cancer treatment, “any fool can understand this”. The 2004 Silvanus Thompson Memorial Lecture //Br. J. Radiol. 2005. V. 78, N 2. P. S64-S72.

5. Sorriaux J., Kacperek A., Rossomme S., Lee J.A., Bertrand D., Vynckier S., Sterpin E. Evaluation of Gafchromic® EBT3 films characteristics in therapy photon, electron and proton beams //Phys. Med. 2013. V. 29, N 6. P. 599-606.

6. Borca V.C., Pasquino M., Russo G., Grosso P., Cante D., Sciacero P., Girelli G., La Porta M.R., Tofani S. Dosimetric characterization and use of GAFCHROMIC EBT3 film for IMRT dose verification //J. Appl. Clin. Med. Phys. 2013. V. 14, N 2. P. 158-171.

7. Han Y. Review on the pre-treatment quality assurance for intensity modulated radiation therapy //Prog. Med. Phys. 2013. V. 24, N 4. P. 213-219.

8. Иванова С.Д., Ошурко В.Б., Шемонаев Д.Д. Физические основы измерения длины когерентности с помощью интерферометра с треугольным ходом лучей //Известия высших учебных заведений. Физика. 2021. Т. 64, № 3. С. 166-167.

9. Aryshev A., Blair G.A., Boogert S.T., Boorman G., Bosco A., Corner L., Deacon L., Delerue N., Foster B., Gannaway F., Hayano H., Howell D., Karataev P., Nevay L., Newman M., Senanayake R., Terunuma N., Urakawa J., Walczak R. Micron size laser-wire system at the ATF extraction line, recent results and ATF-II upgrade //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equip. 2010. V. 623, N 1. P. 564-566.

10. Dai W., Ren-Jun Y., Wei B., Peng L., Ming L., Xing-Fan Y. Design study of an improved laser wire system for electron beam measurement //Chin. Phys. C. 2013. V. 37, N 10. P. 108101.

11. Liu Y., Aleksandrov A., Assadi S., Blokland W., Deibele C., Grice W., Long C., Pelaia T., Webster A. Laser wire beam profile monitor in the spallation neutron source (SNS) superconducting linac //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A: Accel. Spectrom. Detect. Assoc. Equipm. 2010. V. 612, N 2. P. 241-253.

12. Chaikovska I., Chehab R., Artru X., Shchagin A.V. Characteristic, parametric, and diffracted transition X-ray radiation for observation of accelerated particle beam profile //Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B: Beam Interact. Mater. At. 2017. V. 402. P. 75-78.

13. Vukolov A.V., Novokshonov A.I., Potylitsyn A.P., Uglov S.R. Electron beam diagnostics tool based on Cherenkov radiation in optical fibers //J. Phys.: Conf. Ser. 2016. V. 732, N 1. P. 012011.

14. Kube G. Radiation sources and their application for beam profile diagnostics //Proceedings of IBIC-2014, Monterey, California, USA. 2014. P. 263-273.

15. Takabayashi Y., Sumitani K. New method for measuring beam profiles using a parametric X-ray pinhole camera //Phys. Lett. A. 2013. V. 377, N 38. P. 2577-2580.

16. Никишкин Т.Г. Разработка модели портативного сцинтилляционного детектора гамма-излучения на основе твердотельных микропиксельных лавинных фотодиодов //Известия высших учебных заведений. Физика. 2021. Т. 64, № 2-2. С. 73-77.

17. Karataev P., Araki S., Hamatsu R., Hayano H., Muto T., Naumenko G., Potylitsyn A., Terunuma N., Urakawa J. Beam-size measurement with optical diffraction radiation at KEK accelerator test facility //Phys. Rev. Lett. 2004. V. 93, N 24. P. 244802.

18. Stuchebrov S.G., Cherepennikov Yu.M., Krasnykh A.A., Miloichikova I.A., Vukolov A.V. The method for the electron beam cross section measurement based on the detection of Cherenkov radiation in dielectric fiber //J. Instrum. 2018. V. 13, N 5. P. C05020.

19. Baldin A., Aryshev A., Avetisyan A., Aloyan L., Baldina E., Bazarov Yu., Bogoslovsky D., Bleko V., Beloborodov A., Bulavskaya A., Cherepennikov Yu., Dalyan Y., Dorokhov A., Fedorov A., Fedorov K., Gostkin M., Grigoryan L., Karapetyan N., Karataev P., Karpov M., Kharyuzov P., Kocharyan V., Korovkin D., Kuleshov S., Safonov A., Kishchin I., Kim V., Kobets V., Kubankin A., Kuznetsova E., Mkrtchyan A., Movsisyan A., Myshelovka L., Nazhmudinov R., Popov K., Potylitsyn A., Saharian A., Samofalova I., Shahbazyan A., Stuchebrov S., Trifonov A., Tyutyunnikov S., Vokhmyanina K., Yunenko K., Zakhvalinskii V., Saa J.Zamora, Zelenov A., Zhemchugov A. FLAP collaboration: tasks and perspectives. Study of fundamentals and new applications of controllable generation of electromagnetic radi-ation by relativistic electrons using functional materials //Phys. Part. Nucl. Lett. 2021. V. 18, N 3. P. 338-353.

20. Bulavskaya A.A., Cherepennikov Yu.M., Chakhlov S.V., Grigorieva A.A., Miloichikova I.A., Vukolov A.V., Stuchebrov S.G. Measurement of electron beam transverse flux density distribution //IOP Conf. Ser.: Mater. Sci. Eng. 2021. V. 1019, N 1. P. 012043.

21. Bulavskaya A.A., Cherepennikov Yu.M., Grigorieva A.A., Miloichikova I.A., Stuchebrov S.G. Multiangle scanning for measuring radiation beam profiles with a typical size of 10 millimetres – Proof-of-principle experiments //J. Instrum. 2022. V. 17, N 7. P. T07004.

22. Elekta XiO Comprehensive RTP system. Indiamart.com: информационно-справочный портал. Ноида, 1996-2022. [Электронный ресурс]. URL: https://www.indiamart.com/proddetail/elekta-xio-comprehensive-rtp-system-22342401662.html (дата обращения 06.10.2022).

23. Elekta Synergy Digital accelerator for advanced IGRT. Elekta.com: официальный сайт. Кроли, 2005-2022. [Электронный ресурс]. URL: https://www.elekta.com/radiotherapy/treatment-delivery-systems/elekta-synergy/ (дата обращения 06.10.2022).

24. GAFCHROMIC DOSIMETRY MEDIA, TYPE EBT-3. Gafchromic.com: официальный сайт. Бриджуотер Тауншип, 2005-2022. [Электронный ресурс]. URL: http://www.gafchromic.com/documents/ EBT3_Specifications.pdf (дата обращения 06.10.2022).

25. Matlab. Mathworks.com: официальный сайт. Нэтике, 1994-2022. [Электронный ресурс]. URL: https://www.mathworks.com/products/matlab.html (дата обращения 06.10.2022).

26. Wang C.X., Snyder W.E., Bilbro G., Santago P. Performance evaluation of filtered backprojection reconstruc-tion and iterative reconstruction methods for PET images //Comput. Biol. Med. 1998. V. 28, N 1. P. 13-25.

27. Wang Z., Bovik A.C., Sheikh H.R., Simoncelli E.P. Image quality assessment: from error visibility to struc-tural similarity //IEEE Trans. Image Process. 2004. V. 13, N 4. P. 600-612.

28. Shi H., Luo S., Yang Z., Wu G. A novel iterative CT reconstruction approach based on FBP algorithm //PLoS One. 2015. V. 10, N 9. P. e0138498.

29. Chen C.C., Chu H.T. Similarity measurement between images //29th Annual International Computer Software and Applications Conference (COMPSAC'05). IEEE, 2005. V. 2. P. 41-42.

30. Wang L., Zhang Y., Feng J. On the Euclidean distance of images //IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 2005. V. 27, N 8. P. 1334-1339.

31. Maurer C.R., Qi R., Raghavan V. A linear time algorithm for computing exact Euclidean distance transforms of binary images in arbitrary dimensions //IEEE Trans. Pattern Anal. Mach. Intell. 2003. V. 25, N 2. P. 265-270.

32. Двилис Э.С. Закономерности процессов консолидации порошковых систем при изменении условий деформации и физических воздействий: автореф. дисс. … д-ра физ.-мат. наук. Томск, 2013. 39 с.

Полная версия статьи