Компактные и недорогие системы транспортировки
пучков протонов и ионов в медицинских целях
Кац М.М.
Институт теоретической и экспериментальной физики, Москва, Россия
E-mail:
Материалы конференции «Нанотехнологии в онкологии 2009»
Введение
Широкому внедрению оптимальной радиационной терапии пучками протонов и ионов препятствуют технологические сложности и высокая цена современного оборудования. В значительной степени эти трудности связаны с системами оптимальной транспортировки пучков от ускорителя к пациенту, т.е. с ГАНТРИ, которые позволяют выбирать оптимальные направления облучения и оптимально распределять дозу в объеме мишени при минимальном облучении здоровых тканей. Это оборудование очень громоздкое, дорогое и потребляющее много электроэнергии. Так, современные ГАНТРИ для пучка протонов имеет вращаемый вес порядка 100 Т и габариты около 11×11×15 м. Единственное ГАНТРИ для пучка ионов, построенное в 2009 году в Германии (HIT), имеет вращаемый вес около 600 Т, габариты 13×13×19 м и потребляемую мощность до 1 Мвт. Очевидно, такое оборудование не может быть массово тиражируемым, однако оно разработано строго по медицинским требованиям (доступны все направления облучения, строго неподвижный пациент). При этих требованиях разработать значительно более компактное и дешевое оборудование невозможно.
Компромиссные требования к системам транспортировки
Выбор оптимальных направлений облучения из многих возможных необходим, но строго все направления необходимыми для оптимальной терапии не являются. Направления облучения могут изменяться пошагово, например, шагом 5 градусов. Направления облучения могут быть ограничены по отношению к горизонтальной плоскости углами, например, 60 градусов без потери качества облучения. Направления облучения в разных фракциях могут быть разными. Зафиксированного горизонтально пациента при изменении направления облучения (в отсутствии пучка) можно медленно перемещать на новое направление пучка. В этих условиях возможны новые конструктивные и магнитооптические решения систем транспортировки пучков протонов и ионов. Среди этих решений оптимальными являются плоские системы в разных вариантах. В этих системах пучок поворачивается только в вертикальной плоскости неподвижными магнитами, а пациент в горизонтальном положении при изменении направления облучения и в отсутствии пучка смещается на новое направление пучка.
Простая плоская система (Simple Planar System, SPS(F))
Вместо ГАНТРИ непосредственно перед пациентом расположен неподвижный магнит с увеличенным зазором, который поворачивает пучок только в вертикальной плоскости вверх или вниз в пределах /f/<F. Фокусирующие линзы и сканирующие магниты расположены неподвижно до магнита. Максимальный угол поворотов пучка определяет возможности выбора направлений облучения. При F=60 градусов эти возможности SPS(60) практически равны возможностям ГАНТРИ. При F=30 градусов возможности SPS(30) существенно превышают возможности горизонтального пучка или (горизонтального +наклонного пучка). При этом по сравнению с традиционным ГАНТРИ для пучка ионов углерода объем процедурной комнаты уменьшается в 10 раз, в 10 раз уменьшается потребление электричества, устраняется сложная и дорогая система прецизионного вращения тяжелого объемного оборудования, устраняется сложная магнитооптическая фокусировка пучка. Недостатком SPS(F) является не скомпенсированная линейная дисперсия пучка на мишени, которая приводит к увеличению размера пучка в вертикальной плоскости при максимальных поворотах пучка и при dP/P>±5×10-4.
Новая плоская система
Предварительный поворот пучка в вертикальной плоскости позволяет не только скомпенсировать линейную дисперсию, но и осуществить компактную и экономную систему предварительной транспортировки пучка от ускорителя к нескольким (например, к 5) процедурным комнатам. Комнаты располагаются на нескольких уровнях, например, на трех, в вертикальной плоскости. В каждой комнате возможен выбор направлений облучения в соответствии со свойствами конкретной системы.
Выводы
Применение плоских систем позволит существенно уменьшить габариты, электропотребление, механические трудности и стоимость основного оборудования для всех будущих центров терапии пучками протонов и ионов. Все существующие и проектируемые процедурные комнаты с горизонтальным пучком полезно переоборудовать в SPS(30).