Технические аспекты

Составляющие протонного центра

Ниже представлены основные группы систем, входящие в состав стандартного комплекса для протонной терапии, состоящего из нескольких процедурных.

Оборудование центра протонной терапии подразделяется на основное оборудование  –  Систему протонной терапии (далее - СПТ) и вспомогательное оборудование. Вспомогательное оборудование, включающее в себя: системы отопления, вентиляции, кондиционирования и дымоудаления, противопожарной безопасности, силовое электротехническое оборудование, систему водооохлаждения, кабеля и кабельные конструкции, электрооборудование и освещение, трубопроводы и трубопроводную арматуру в данном обзоре не рассматривается.

СПТ является единым комплексом, объединенным программно и функционально.

Далее преведён список компонентов этой системы:

Протонный ускоритель - циклотрон
Система выбора энергии пучка
Система транспортировки пучка
Система источников питания
Оборудование процедурных комнат
Система гантри
Универсальное устройство формирования пучка 
Система позиционирования пациента
Система транспортировки и позиционирования пациента
Онкологическая информационная система (ОИС)
Система планирования облучения (СПО)
Система безопасности терапии (СБТ)
Система контроля проведения лечения (СКПЛ)
Система станочного оборудования

Устройства позиционирования и верификации

Протонный ускоритель - циклотрон

Основой Центра протонной терапии является циклотронный комплекс.

Ускорение пучка протонов до энергии не менее 220 МэВ с током пучка не менее 270 нА, предварительное формирование поперечных размеров пучка и его вывод с предварительно сформированными параметрами для использования в терапии онкологических опухолей.

Описание

Ускоритель протонов чаще всего строится на основе циклотрона, что позволяет реализовать при использовании данного типа ускорителя достаточный уровень простоты, надежности, эксплуатабельности, а также минимальные размеры и низкий уровень стоимости и энергозатраты. Изохронный циклотрон с фиксированной энергией использует высокий уровень магнитного поля, что позволяет минимизировать его размеры, вес и стоимость при отсутствии сверхпроводящей обмотки. 

Изохронный циклотрон - наиболее простой ускоритель для получения энергии протонов не менее 220МэВ (Еmax). Циклотрон работает на постоянной частоте ускоряющего поля. В отличие от синхротрона параметры циклотрона постоянны во времени, количество настраиваемых параметров не должно превышать 7: ток основной обмотки, напряжение ВЧ, напряжение и ток ионного источника, напряжение электростатического дефлектора и настройка двух гармонических обмоток. Эти параметры не должны требовать подстройки со стороны оператора во время работы ускорителя. Рабочие значения параметров находяться в памяти системы управления и автоматически настраиваются при помощи надежных алгоритмов. Быстрая подстройка не требуется, т.к. необходима только плавная компенсация медленного дрейфа. Ионный источник с динамическим диапазоном не менее 2 кГц обеспечивает эффективное управление высокоинтенсивным непрерывным пучком, приспособленным для его сканирования.

Выведенный пучок циклотрона характеризуется фиксированной энергией, малым энергетическим разбросом и постоянным низким эмиттансом.

Ускоритель протонов должен быть удобен в обслуживании, разделяться в медианной плоскости, позволяя легко и просто его обслуживать, обеспечивая возможность подъема  верхнего ярма ускорителя при помощи гидравлических домкратов на высоту не менее 90 см без разъединений по воде и электропитанию.Система управления должна позволять осуществлять автоматическую работу установки, включая автоматический запуск, самонастройку и остановку.

Надёжность

Необходимо устройство с абсолютной надёжностью, так как остановка ускорителя - означает остановку работы всего центра.
Циклотрон, производства компании IBA предлагает не только существенные клинические преимущества, но также демонстрирует впечатляющую долговечность при высокой производительности. В Бостонском центре протонной терапии "Francis H. Burr Proton Therapy Center" в 2005 году данные наблюдений показывают,что уникальный коэффициент работы циклотрона равен 99%.

Более поздние наблюдения (09/07) в UFPTI в Джексонвиль, штат Флорида показывают коэффицент работоспособности в размере 98% в течении первого года эксплуатации. Таким образом, система позволяет вам обслуживать большое количество пациентов при бесперебойной работе.

Система выбора энергии пучка

Циклотрон IBA производит пучок с фиксированной максимальной энергией в размере 230 МэВ. В зависимости от состояния пациента ( локализация опухоли). Врачам необходим различный диапазон энергии.

Система выбора энергии излучения позволяет получать необходимый уровень энергий, от 70 до 230 МэВ, при этом процесс настройки системы занимает меньше секунды. Такая точность выбора энергии обеспечивает улучшенное удалённое понижение, сохраняя больше здоровых тканей.

Cистема преобразует фиксированную энергию пучка (Еmax), выделенную из циклотрона  в пучок, имеющий варьируемую энергию в диапазоне между 35% - 100% Еmax, осуществление контроля абсолютного значения энергии, энергетического разброса и эмиттанса пучка, формирование поперечного размера пучка.

Описание

Основой системы являются замедлитель пучка и коллиматоры. Набор квадрупольных и дипольных магнитов осуществляет требуемую фокусировку пучка и его поворот в направлении системы транспортировки пучка.  Выведенный из циклотрона пучок с энергией Еmax первоначально фокусируется парой электромагнитных квадрупольных линз  в небольшое пятно в области замедлителя пучка. Между линзами и замедлителем пучка находятся два магнита корректора, которые производят настройку положения пучка в вертикальном и горизонтальном направлении.

На пластинах замедлителя пучка происходит торможение пучка до значения выбранной энергии (диапазон не менее 35% - 100% Еmax), которое сопровождается ростом эмиттанса пучка. Т.к. гантри может работать с эмиттансом пучка не более 30π мм*мрад, сразу же после замедлителя пучка стоит коллиматор, ограничивающий эмиттанс пучка. Время настройки замедлителя пучка на требуемую энергию не превышает 1 сек. Окончательное формирование энергетического спектра и поперечной формы пучка для системы транспортировки пучка, направление пучка в линию транспортировки производится при помощи поворотных и квадрупольных магнитов.

В состав системы выбора энергии пучка, как правило, входят следующие элементы:

  1. замедлитель пучка.
  2. системы коллиматоров.
  3. электромагнитные линзы.
  4. ловушки.
  5. системы дипольных магнитов.
  6. системы квадрупольных магнитов.
  7. подставки под магниты.
  8. вакуумная система.     

Система транспортировки пучка

Система транспортировки пучка и переключения соединяет систему выбора энергии с входной точкой каждой из процедурных комнат. И хотя система транспортировки пучка подаёт пучок только в одну процедурную за раз, она может за секунды переключится между процедурными, подавая пучок энергии необходимого уровня, что позволяет увеличить приём пациентов.

Описание

В линии транспортировки пучок проходит набор квадрупольных и дипольных (поворотных) магнитов. Юстировка магнитов осуществляется при помощи набора стоек и должна работать не менее чем в 6 направлениях. В стратегически важных точках должны  стоят мониторы положения пучка. Сигнал с мониторов используется в системе автоматического центрирования положения пучка при помощи дипольных и корректирующих магнитов. Ловушки пучка должны быть установлены на входе в каждое помещение терапии.

В состав системы транспортировки пучка, как правило, входят следующие элементы:

  1. системы магнитов
  2. вакуумная система
  3. дипольные магниты;
  4. корректирующие магниты;
  5. система автоматического центрирования положения пучка;
  6. мониторы положения пучка
  7. подставки под магниты.
  8. ловушки.

Система источников питания для оборудования блока протонного пучка

Данная система служит для обеспечения питания, регулировки и стабилизации циклотрона, его подсистем, систем  выбора энергии и транспортировки пучка, а также линий транспортировки пучка в терапевтических помещениях.

Описание

Электрическая мощность с распределительных щитов подаётся на стойки трансформации, стабилизации, измерения и коммутации. По командам системы управления циклотронного комплекса ток подается на циклотрон, его подсистемы, на элементы системы выбора энергии пучка, на элементы системы транспортировки пучка и на элементы линий транспортировки пучка в терапевтических помещениях.

Оборудование процедурных комнат

Оборудование IBA, в особенности комната облучения с системой ГАНТРИ, предоставляет максимальную гибкость в лечении практически любых опухолевых образований, это оборудование, непосредственно предназначенное для проведения лечения пациентов методом протонной терапии.

Система гантри

Система гантри предназначена для того, чтобы вращать устройство транспортировки и формирования протонного пучка вокруг роботизированного терапевтического стола с пациентом в диапазоне ±190°, позволяя воздействовать с любого угла на опухоль, расположенную в любом месте пациента, не подвергая его опасности. Роботизированный терапевтический стол совместно с гантри обеспечивают  подведение протонного пучка к патологическому объему с любого выбранного направления облучения.

Описание

Гантри представляет собой стальную конструкцию весом более 100 тонн и размерами от 10 м длиной и 10 м диаметром.

Столь внушительный размер гантри определяется требованием, чтобы расстояние от выхода из последнего магнита до изоцентра (точки пересечения оси протонного пучка с осью вращения гантри) было не менее 3м, что связано с максимальной энергией пучка (230 МэВ), и максимальным полем в отклоняющем магните.

В гантри находятся: отклоняющие магниты, квадрупольные линзы,  устройство формирования пучка со  сканирующими магнитами, системой рассеивания и насадками,вакуумная камера для транспортировки пучка и все необходимые кабельные трассы и подводы водоохлаждения. Угловая координата положения гантри считывается измерительными датчиками, установленными на неподвижных цилиндрических основаниях гантри. Вращение гантри осуществляется сервоприводами, оснащенными функцией торможения. Привод запрограммирован таким образом, чтобы точность установки угловой координаты гантри была максимальна. 

Предусмотрена система аварийного отключения в случае сбоев в работе оборудования. Гантри имеет прецизионные кольцевые подшипники, одинакового диаметра как передние, так и задние, которые скользят в направляющих роликах. Система направляющих роликов предварительно юстируется на временных направляющих, устанавливаемых на полу помещения гантри. Барабанная кабельная система соединяет электрические провода и размещена на поворотной системе. Если смотреть сзади, то, когда гантри максимально повернута против часовой стрелки,  кабели, приходящие слева (с «севера») полностью намотаны на барабан, в то время как кабели, приходящие справа (с «юга), полностью размотаны. И наоборот. Угол поворота барабана  составляет 360°.  Драйвер приводов, включая группу независимых датчиков, связан с управляющим компьютером и с пультом ручного управления. Любые перемещения гантри не возможны без поданной с пульта управления команды. При нажатии оператором кнопки приведения гантри в исходную позицию для лечения, гантри начинает вращаться и по достижении позиции, предписанной в плане лечения, автоматически отключается. Далее оператор может подстраивать точное значение угловой координаты. 

Универсальное устройство формирование пучка (Нозл)

Универсальное устройство формирования пучка –  заключительная  часть  гантри. Используется также в комнатах с неподвижным пучком. Устройство содержит  элементы,  определяющие  основные характеристики протонного пучка при нескольких модах работы. Он располагается на выходе из гантри и может монтироваться - демонтироваться непосредственно в помещении лечебной кабины. 

Не существует 2-х одинаковых пациентов, не существует 2-х одинаковых болезней. Для каждого пациента в каждом индивидуальном случае должны использоваться наиболее подходящие методы терапии. Универсальное устройство формирования пучка позволяет формировать и транспортировать пучок протонов четырьмя способами и поддерживает следующие  моды работы: однократное рассеяние; двойное рассеяние; равномерное (растровое) сканирование и сканирование тонким («карандашным»)  пучком.

Режимы работы

Однократное рассеяние, двойное рассеяние, общее сканирование, сканирование тонким "карандашным" пучком.

Харакатеристики:

  1. послойное облучение опухоли
  2. стабильность дозы
  3. модуляция интенсивности
  4. синхронизация с дыхательными движениями
  5. возможность использования многолепестковых коллиматоров

Однократное рассеяние 

Метод однократного рассеяния предназначен для воздействия на поля диаметром менее семи сантиметров. Однократное рассеяние требует небольшой области рассеяния. Например этот метод используется для лечения глазных опухолей или для облучения образований, расположенных вблизи жизненно важных органов.

Отличные результаты относительно боковой полутени малых полей.

Двукратное рассеяние

Метод двукратного рассеяния является пассивным методом рассеяния пучка в перепендикулярном направлении. Излучаемый тонкий пучок рассеивается и превращается в тонкий симметричный пучок на заданной поверхности и на заданной глубине. Этот метод позволяет лечить опухоли до 30 см в диаметре.

Простой и гибкий метод, используемый в случаях движения органов.

Равномерное рассеяние

Этот способ сканирования позволяет покрыть опухоль слой за слоем, начиная с самого дальнего. Равномерность отложения дозы на мишени больше чем при использовании методов рассеяния.

Возможность лечения широких полей и большая область действия для опухолей, расположенных глубоко в тканях.

Сканирование тонким "карандашным" пучком

Сканирование тонким пучком - это активный метод излучения протонного пучка в перпендикулярном направлении. Пучок протонов перемещается с помощью электромагнитногго сканирования вдоль осей X и Y, чтобы точно и быстро охватить все области опухоли. Пучок непрерывно перемещается, в процессе его движения ток пучка модулируется. Преимущество данного метода в том, что он позволяет покрыть каждый слой несколько раз (на очень высокой скорости) для обеспечения лучшейконформности.

Предельная способность формирования дозы с целью обеспечения конформности и интенсивности модуляции при подведении минимальной дозы.

Система позиционирования пациента

СПП является частью кабины облучения. Это робототехническое устройство состоит из роботизированного терапевтического стола (позиционера) и  механизмов линейного и вращательного перемещений. Принципы механической конструкции и соответствующих алгоритмов управления позиционера максимально соответствуют выходной части гантри.

Все перемещения осуществляются с помощью электроприводов, однако при необходимости их можно выполнить и вручную. Для компенсации небольших отклонений воспроизводимости положения пациента в сеансах протонной терапии предусмотрена возможность качания ложемента в диапазоне ± 3° вокруг двух взаимоортогональных горизонтальных осей.

Текущие значения координат измеряются высокоточными датчиками положения и отображаются на специальном мониторе, расположенном вблизи дистанционного пульта управления.

СПП   оснащена   специальной   автоматической   системой   с   датчиками,   предотвращающей возможность нанесения травмы пациенту со стороны элементов гантри.

Система транспортировки и позиционирования пациента

Система позволяет проводить процедуру фиксации пациента  вне кабины облучения, обеспечивая большую часть подготовки облучения вне кабины облучения.

Описание:

При проведении протонной радиотерапии большая часть времени тратится не на само облучение, а на  точную фиксацию пациента на пучке. Если процедуру фиксации пациента проводить вне кабины облучения, это позволит повысить эффективность облучения – увеличить пропускную способность и увеличить количество облученных пациентов.

Для решения этой задачи разрабатываются системы подготовки и транспортировки пациента, которые позволяют обеспечить большую часть подготовки облучения вне кабины облучения. Система предусматривает легкую и удобную укладку и исходную подготовку пациента с помощью погрузочной станции на платформе стола, легкую транспортировку с погрузочной станции в диагностический блок, например компьютерной или магнитно-резонансной терапии, и далее в блок протонной терапии и обратно на погрузочную станцию после лечения. Система состоит из четырех компонентов: платформы стола, транспортировочной тележки, погрузочной станции и стыковочного узла. Система разрабатывается под определенные типы роботизированных терапевтических столов и устройств КТ и  МРТ. 

Платформы стола для пациента изготавливаются из немагнитного, непроводимого композиционного материала, проницаемого для излучения, который подходит для проведения процедур КТ, МРТ, рентгена и протонной терапии. Платформы плотные, жесткие, обеспечивают точное расположение пациента и надежную опору во время процедур. Они оснащены механизмом для крепления и фиксации на стыковочных узлах. Блокировка производится вручную ключом. Платформы оснащены индексными указателями для точного размещения устройств для обездвиживания пациентов. В каждом блоке (КТ, МРТ или протонный сканер) платформа стола закрепляется к основанию стола для пациента, и отсоединяется для транспортировки на транспортировочной тележке между станциями.

Стыковочные узлы устанавливаются на всех платформах стола для пациентов в блоках КТ, МРТ, симулятора и протонной терапии. Они используются для быстрого и надежного крепления платформы стола для пациентов в каждом основании стола для пациентов. Стыковочные узлы изготавливаются специально для каждого типа устройств с системой точного размещения в блок протонной терапии и на других столах в блоках КТ и МРТ.

Транспортировочные тележки обеспечивают легкое перемещение между погрузочной станцией и другими станциями для обследования пациента. Тележки обеспечивают надежную фиксацию платформы стола для пациента во время транспортировки и легкую стыковку / расстыковку со стыковочными узлами. Для более безопасной транспортировки особенно через узкие проходы транспортировочные тележки оснащены электроприводом и рулевым управлением. Транспортировочная тележка управляется с помощью двух подвесных пультов ручного управления – по одному с каждой стороны. Для повышения безопасности транспортировки по узким проходам и запутанным коридорам транспортировочная тележка оснащена системой «автопилот», которая повторяет разметку(линии) на полу. Такие линии распознаются видеокамерами, подключенными к системе управления тележкой, которая приводит в движение колеса. Если линии расходятся в разных направлениях, то выбор пути следования осуществляется вручную при помощи подвесных пультов ручного управления. Электроснабжение транспортировочной тележки происходит за счет внутренних заменяемых аккумуляторов, перезаряжаемых на ночь.

Погрузочные станции для пациентов обеспечивают более быстрый процесс укладки пациента и легкое, удобное перемещение пациента из вертикального в горизонтальное положение. Погрузочная станция фиксируется болтами к полу комнаты для размещения пациента и снабжается электроэнергией от сети через отдельный расположенный на стене источник питания.

Онкологическая информационная система (ОИС)

ОИС является информационным ядром курса лечения пациента, которое отслеживает всю информацию о пациенте (папки, изображения, планы, т.д.). Основными функциями ОИС являются:

  • контроль данных о пациенте (личных и клинических) ;
  • определение сеансов лечения (количество и частота сеансов лечения, доза за сеанс лечения, т.д.);
  • составление графика сеансов лечения, изготовления блоков и компенсаторов, т.д.;
  • вычисление результирующей дозы, получаемой пациентом;
  • запись фактической дозы и сеанса, получаемых пациентом;
  • регистрация оплаты и контроль выставления счета;
  • хранение изображений (цифровые показания, рентгенограммы, воспроизведенные в цифровом формате) в массивном запоминающем устройстве (например, в системе связи и архивирования изображений (ССАИ).

Применение ОИС является одним из самых эффективных способов ввода данных. ОИС может контролировать и сообщать все данные, касающиеся пациента и лечения, поступающие из различных систем, таким образом предлагая различные способы лечения, такие как стандартная лучевая терапия, протонная терапия, т.д.

Персонал клиники часто используют стандартную лучевую терапию и протонную терапию в течение одного и того же дня, даже в отношении одного и того же пациента.

При встраивании ОИС в систему протонной терапии (СПТ), все объединенные системы и подсистемы могут автоматически работать с системой планирования облучения. Таким образом, большинство данных должно вводиться только один раз в сетевой системе, без необходимости повторного ввода в другие системы или приложения. Это позволяет экономить время и устраняет возможность возникновения ошибок. Кроме того, данные, введенные один раз, становятся постоянно доступными для всей сетевой системы, что также позволяет экономить время и усилия. ОИС также отслеживает и записывает дозу, которую получает пациент.

Система планирования облучения

Система планирования облучения  (СПО) позволяет создавать данные о пациенте, курсе и плане лечения, просматривать трехмерные изображения, определять опухоли и иные анатомические образования, настраивать поля и рассчитывать дозы.

Основные  функции СПО:

  • регистрация пациентов:
  • конвертирование двухмерных изображений, полученных методом компьютерной томографии, изображений, полученных методом ядерного магнитного резонанса, в трехмерные изображения;
  • создание и вычисление планов лечения пациентов, включая лучи при настройке и лечении, данные о блоке и компенсаторе, распределение дозы и т.д.

Для настройки поля и расчета дозы для протонной терапии необходимо выполнить следующее:

  1. Импортировать терапевтические и диагностические изображения (например, изображения, полученные методом компьютерной томографии, изображения, полученные методом ядерного магнитного резонанса);
  2. Создать и зарегистрировать данные трехмерного изображения;
  3. Просмотреть изображения в различных трехмерных режимах;
  4. Описать трехмерные изображения лучения и анатомические трехмерные изображения, используя диагностические изображения.
  5. Составить план лечения, который необходим для проведения протонной терапии.

Система безопасности терапии (СБТ)

СБТ  обеспечивает безопасность пациентов и персонала, контролируя работу  оборудования установки (например, протонный пучок и т. д.), которое может причинить вред людям. Первоочередной функцией системы является предотвращение незапланированного облучения пациентов и персонала.

Система контроля проведения лечения (СКПЛ)

СКПЛ управляет оборудованием установки, позволяя каждому пациенту получать дозу облучения, соответствующую определенным характеристикам лечения. Система  обеспечивает связь между подсистемами и между системой и операторами, условия нормальной работы и защищает оборудование от повреждений. СКПЛ соединена с секциями внутри системы транспортировки пучка для точного направления пучка в соответствующий канал.

Система станочного оборудования

В случаях, когда система оснащена оборудованием для рассеяния пучка. Необходимы апертуры и компенсаторы изготавливаются для каждого пациента индивидуально.

Производство индивидуальных вспомогательных устройств, для протонной лучевой терапии, таких как апертуры и компенсаторы амплитуды колебаний. Облучение пациента ведётся с нескольких направлений, то есть для каждого пациента и направления необходимо сделать свои формирующие устройства, количество в среднем от 3 до 6 шт.

Каждый болюс и аппертура - уникальны, и помечаются штрих-кодом, который считывается перед началом процедуры. Это необходимо чтобы исключить возможность ошибки.

Система взаимодействует с ОИС и СПО посредством протокола связи DICOM. Данные об апертуре и компенсаторе амплитуды колебаний из ОИС и СПО направляются в систему станочного оборудования через план лечения для изготовления апертур и компенсаторов амплитуды колебаний.

Поделиться: