Способ протонной радиографии

) (3 А 6 415 1 И 2 ЕТЕЛЬСТВУ мого объ с я тем простран ности, и и ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИ ОПИСАНИ К АВТОРСКОМУ(54)(57) СПОСОБ ПРОТОННОЙ РАДИОГРАФИИ, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов,координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объектас помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученныхсигналов и восстановлении картиныраспределения плотности исследуеекта, отличающий"что, с целью повышенияственного разрешения и точроизводят дополнительное координатно-чувствительное детектирование протонов до и после объекта на других расстояниях от него с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер, облучение и детектирование производят в,режиме временного разделения отдельных протонов, энергию которых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камер с каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельных протонов, по которым рассчитывают углы многократного кулоновского рассеяния и судят о распределении плотности в исследуемом объекте по средним значениям квадратов указанных углов.35 Изобретение относится к исследованию внутренней структуры объектовс помощью проникающего излучения иможет быть использовано в медицине.Известен способ протонной радиографин, заключающийся в облученииобъекта пучком протонов из синхро 11тона, снабженного средством обдирания" ускоренных отрицательныхионов водорода, в режиме сканирова 10ния пучка по исследуемому участкуобъекта, регистрации детектором параметров части прошедшего черезобъект пучка и восстановлении радиографического изображения объекта Ц,15Недостатком этого способа являются повышенная лучевая нагрузка наобъект и недостаточное пространственное разрешение.Наиболее близким к изобретению 20 техническим решением являетсяспособ протонной радиографии, заключающийся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детекти 25 ровании протонов до и после объекта с помощью многонитяных пропорциональных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности 30 исследуемого объекта, причем используют моноэнергетический пучок протонов с энергией, соответствующей бреэгговскому пику на выходеиз объекта ИНедостатком известного способа является плохое пространственное разрешение, что связано с использованием низкоэнергетических протонов, подверженных многократному кулоновскому рассеянию. При использовании локальных неоднородностей плохое пространственное разрешение приводит к низкой точности исследования.Цель изобретения заключается в повышении пространственного разрешения и точности.Согласно изобретению, поставленная цель достигается тем, что в способе протонной радиографии, заключающемся в облучении исследуемого объекта пучком протонов, координатно-чувствительном детектировании протонов до и после объекта 55 с помощью многонитяных пропорцио нальных камер, обработке полученных сигналов и восстановлении картины распределения плотности исследуемого объекта, производят дополнительное координатно-чувствительноедетектирование протонов до и послеобъекта на других расстояниях отнего с помощью дополнительных многонитяных пропорциональных камер,облучение и детектирование производят в режиме временного разделения отдельных протонов, энергиюкоторых выбирают выше энергии брэгговского пика на выходе из исследуемого объекта, по сигналам камерс каждой стороны объекта определяют траектории движения отдельныхпротонов, по которым рассчитываютуглы многократного кулоновскогорассеяния и судят о распределенииплотности в последнем объ екте по средним значениям квадратов указанных углов.Сущность способа сводится к тому, что измеряют координаты (и углы) траекторий отдельных протонов, проходящих через объект. Измерение производят до и после объекта, когда уже произошло кулоновское рассеяние, что уменьшает неопределенности,возникшие из-за отключения частицы вследствие многократного кулоновского рассеяния. Эффективная толщина объекта измеряется по величине среднеквадратичного угла рассеяния. Измерение траекторий протонов перед объектом не требует формирования строго параллельного пучка протонов и позволяет улучшить как пространственное разрешение, так и точность измерения углов рассеяния, а значит и эффективных толщин объектов,В данном способе отсутствует ограничение на максимальную вели- чину энергии используемых протонов. Использование протонов высокой энергии позволяет получить высокое пространственное разрешение.1На чертеже представлена схема установки для осуществления способа протонной радиографии.Установка содержит два блока А и В из многонитяных пропорциональных камер 1,2 и 3,4. Каждая из камер 1-4 измеряет горизонтальную М и вертикальную У координаты протонов с точностью выше 0,5 мм. Расстояние между камерами 1 и 2, а также 3 и 4 определяется из требования достижения необходимой точностиизмерения углов траекторий (при увеличении расстояния между камерами точность измерения углов увеличивается) .Исследуемый объект 5 устанавли вают между блоком А из камер 1,2 и блоком В из камер 3,4 и подвергают воздействию пучка протонов с энергией .1 ГэВ в режиме временного разделения отдельных протонов. Блоки 10 камер 1 и 2 определяют координаты частиц, падающих на объект, а блоки 3 и 4 определяют координаты частиц, прошедших через объект, По совокупности этих измерений определяются 15 углы многократного кулоновского рассеяния 6; частиц, прошедших через объект для участков размером 1 мм.По совокупности измеренных углов рассеяния находится среднее значение 20 квадрата угла рассеяния 3 по формуле1где 1 - номер частицы, прошедшей через образец,Й - полное число частиц,номер участка. ЗОПри достаточно большомэкспериментально найденная величина Ц, близка к математическому ожиданию , квадрата угла рассеяния с Я которое(3)40где Е 5 = 21,2 МэВ;- импульс частицы, МэВ/с;3 - отношение скорости частицы к скорости света;авыражена в радиационных длинах, которые зависят от свойстврассеивающей среды и табулируются.Нри малых толщинах образцовФормула (3) достаточно точная иможет использоваться для практических целей, При больших толщинах образцов, когда становится существенным изменение энергии частицпри прохождении образца, можно использовать более сложную формулу 55(За)сд 7= д 1,В практической работе для абсо" лютных измерений толщин образцов известного состава удобно экспериментально определять зависимость7 4с Я ) отпутем проведения предварительных калибровочных измерений.Для достижения высокой статистической точности измерения эффектив ной толщины необходимо анализировать достаточно большое число рассеянных частиц, Действительно, экспериментально определяемое среднее значение квадрата угла И связано с его математическим ожиданием соотношением(4)6 = с 6 7+887где величина с (3 9 )в приближении гауссова распределения углов многократного рассеяния равнас(Я) - с 9 7Эта величина определяет абсолютную статистическую погрешность измерения эффективной толщины. Относительная статистическая погрешность измерения эффективной толщины равна(6)где Ь - стандартное отклонение величины т,При измерении координат частиц на входе и на выходе образцов неопределенность в отклонении траектории максимальна для середины образца (на глубине 0 /2) и может быть оценена по формулеЬх-.о Р с 97где ЬХ - стандартное отклонениетраектории от прямой линии на глубине 6 /2;- линейная толщина образ"ца;а = 0,2.Для однородного образца эффективная толщина 1 связана с линейной толщиной Е соотношением(8)где Р - плотность среды,17 - радиационная длина.Как видно из формулы (3) при увеличении импульса (энергии) с Оуменьшается и предельное пространственное разрешение (формула 7) улучшается,Другое ограничение пространственного разрешения связано с практическими возможностями детектирующих систем. Современные пропорциональные многонитяные камеры позволяют измерять координаты частиц сточностью до 0,1 мм,Максимальные толщины, которыемогут исследоваться этим способом,определяются из того условия, чтобыотносительная потеря энергии ь Е /Ебыла невеликаЦЕ 0,2(9) 1 О а также из условия малых потерь частиц из-за ядерных реакций.Время облучения объекта 1 опре деляется необходимой точностью измерения эффективных толщин объекта и быстродействием аппаратуры, реализующей данный способ. 40 55 251 =8/Э (10)где М - число событий в Формуле (б);- интенсивность используемого пучка протонов. 30В свою очередь максимальная интенсивность пучка, при которой возможно временное разделение отдельныхсобытий, определяется соотношением 3 = 1/ где 1. - временное раз 1решение аппаратуры,Современные многонитяные камерыи электронные системы обработкиинформации, полученной с помощью камер, позволяют использовать пучкис интенсивностью 10 1/с. Это оз 5начает что, например, для обследоУвания участка объекта в 1 см сгпространственным разрешением 2 Х 2 ммпри точности измерения эффективной длины 0,37 требуется время экспозиции Г = 25 с.П р и м е р 1. Принципиальнаясхема реализации способа представлена на Фиг.1. Исследуется участок рголовы пациента площадью 10 см сгцелью обнаружения опухоли. Для этого он облучается протонами с энергией 1 ГэВ. Доза, получаемая пациентом - 0,3 Р.Величина среднеквадратичногоуглагла кулоновского рассеяния (Форомула (3) равна 0,6,При размере области патологии ткани 3 3 3 мм изменение эффективной длины для протонов, проходя. щих через эту область исследуемого объекта при линейной длине объекта 10 см, составляет 0,17., так как известно, что опухолевые образования отличаются от нормальной плотности биологической ткани приблизительно на +37., а участки, пораженные некрозом, на -57 Таким образом, данный способ позволяет обнаруживать отклонения в плотности на уровне нескольких процентов.В рассмотренном выше примере не определяется положение неоднородности (опухоли) вдоль пучка. Тем не менее данным способом можно получать и трехмерную локализацию исследуемой неоднородности (опухоли), если воспользоваться просвечиванием объекта в несколькИх различных направлениях аналогично тому, как это обычно делается в томограФии.Предложенный способ может эффективно использоваться для прецизионного определения расположения гипофизаТак, точное расположение гипофиза необходимо знать перед проведением сеанса протонной терапии. Решение этой задачи с помощью рентгенографии не обеспечивает высокоточное наведение протонного пучка на гипофиз, координаты которого определяются косвенным путем по результатам рентгенографии. В предлагаемом способе такая трудность отсутствует, так как с помощью того же пучка протонов производится и протонография в протонотерапии при одной и той же Фиксации головы пациента.Данный способ характеризуется высоким разрешением и высокой точностью, которые позволяют получать количественную информацию об исследуемой ткани.Кроме того, поскольку способ, как и прототип, основан на явлении кулоновского рассеяния, где каждая частица несет полезную информацию (в отличие, например, от способа ядерного рассеяния), то необходимое время измерения составляет несколько минут, что очень важно с точки зрения удобства пациента и диагнос7 1080604 8 Составитель К.КононовТехредМ.Пароцай " Корректор И, Муска Редактор С. Титова Тираж 897 ПодписноеВНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытий113035, Москва, Ж, Раушская наб д, 4/5 Заказ 2776/1 Филиал ППП Патент", г. Ужгоооп, уп, ппиччяа,4 тиКи, обеспечивает высокую производительность. Важным преимуществом его перед всеми другими способами протонной радиографии являетсяотсутствие ограничения по макси"мальной величине энергии используемых протонов. Использование протонов более 1 ГэВ позволяет достичь еще более высокого пространственного разрешения (вьппе, 5 чем в остальных способах протоннойрадиографии).