Физические аспекты

Гало протона видно на эмульсионной пленке

Сканирование карандашным пучком — этот процесс, заключающийся в продвижении крохотного пучка по заданному участку, является новшеством в мире протонной терапии. Но из-за рассеивания в протонном акселераторе, наконечнике, и теле пациента — карандашный пучок окружен галом дозы. Чтобы дать оценку периферической дозе, швейцарские ученые использовали ядерную эмульсионную пленку прослоенную с эквивалентом материи, с целью увидеть пучок в гало-регионе.

Ученые утверждают, что их разработка является новшеством, несмотря на то что другие исследователи также использовали маленькие ионизирующие пространства, швейцарские профессора в свою очередь первыми использовали эмульсионную пленку. «Ядерная эмульсионная пленка позволяет выследить протоны один за одним, и с высокой точностью!»- объясняет Саверио Брачинни из Бернского Университета в Швейцарии. «В частности любой протон, может быть с точностью зафиксирован, а угловые распределения рассчитаны. Во время работы по изучению клинического карандашного пучка, анализ выходных данных от угловых распределений выявил, что гало состоит из двух компонентов!»

Дизайн Детектора

 Брачинни и коллеги создали эмульсионную пленку из геля содержащего кристаллы бромида серебра, которые образуют скрытый след при прохождении заряженных частиц. После химической обработки, этот след можно увидеть с помощью оптического микроскопа с пространственным разрешением 1 µm( размер одной серебряной частицы) и угловое разрешение размером с несколько миллирадианов. Команда построила прототип протонного детектора соединив слои эмульсионной пленки (60 слоев), чередующихся со слоями поглощающего материала из эквивалента материи (полиметил-метакрилат). Чтобы вычислить дозу протонного луча в гало-регионе, исследователи облучили детектор с помощью Gantry 1 в Институте Пола Шеррера (PSI), который доставил 138-мегаэлектронвольтный протонный карандашный пучок около 8 мм полной ширины на уровне половинной амплитуды (FWHM). Общая доза составила 6 Гр на пике Брэгга, который был зафиксирован на глубине 116мм в детекторе (между 50 и 51 слоем).

 После облучения и проявления пленок очертания луча и гало-регион четко видны. Ученые используют систему автоматического сканирования чтобы обнаружить и посчитать количество протонных следов в облученной пленке. (удельная масса протонов в пределах 2 сантиметров от центра луча была слишком высока для реконструкции следов). Команда реконструировала протонные следы на разных уровнях детектора (разные пленки), и измерила удельную массу следов в трех участках вблизи лучевого пятна.

Составление графика числа протонных следов согласно функции угла, показало два разных компонента в гало-регионе. Первый — прослеживаемый на маленьких глубинах и под маленьким углом был практически параллелен оси луча. Второй компонент обнаруживаемый на больших глубинах и под большими углами, и приписываемый к протонному рассеиванию внутри материала эквивалентного ткани в детекторе.

 «Изучая угловые отклонения, впервые мы нашли доказательство того что первый компонент гало практически параллелен лучу, и небольшое рассеивание происходит в самом ускорителе и наконечнике!»- сказал Браччини. «Второй компонент образованный в следствие рассеивания протонов в теле пациента, определяется под большими угловыми отклонениями и на больших глубинах. Этот второй компонент является основной частью дозы, распространяемой в гало-регионе окружающим тканям.»

Поскольку второй компонент может быть обнаружен только на большой глубине, авторы указывают что для данного детектора минимальная глубина позволяющая дать точную оценку дозе равна 63 мм(31 слой).

Определение дозы.

Чтобы дать оценку дозе доставленной каждым протоном и посредством этого произвести оценку гало-дозы, исследователи провели симуляцию эксперимента GEANT4 в Монте-Карло. Как и ожидалось, гало-доза уменьшалась при отдалении от центра протонного луча, и увеличивалась при погружении на большую глубину в детекторе.

Исследуя эмульсионные пленки по отдельности, было обнаружено, что первая пленка зафиксировала только первый компонент, результирующая измеренную дозу меньше 0,1 мГр. Пленки 31 и 40 (63 и 76 мм) зафиксировали в основном второй компонент и большие значения дозы. Самая большая доза была зафиксирована на пленке 41 (98мм). На расстоянии более 25 мм, максимальная доза гало луча составляла меньше чем 1.5 мГр, при том что в центре доза достигала 6 Гр. " Мы сейчас работаем над применением этой техники при определении «отскакивающих» протонов из-за нейтронов, с финальной целью дать оценку дозе," — заявил Браччини: " Будущие исследования в области протонной радиографии основанной на угловом распространении рассеянных протонов находятся в разработке."

Авторы:
перевод и адаптация Эмре Дениз
Поделиться: