способ облучения пучком электронов в лучевой терапии

Формула изобретения

Способ облучения пучком электронов при лучевой терапии, включающий наведение магнитного поля с магнитной индукцией, непроницаемой к здоровым тканям, для защиты от облучения, направление пучка электронов под прямым углом к линиям магнитной индукции магнитного поля, пропускание электронов через облучаемые ткани, отличающийся тем, что магнитное поле наводят на плоскость границы между облучаемыми и здоровыми тканями, увеличивают его магнитную индукцию до уровня магнитных барьеров индуцированного магнитного поля, не проницаемых для высокоэнергетических и низкоэнергетических электронов и изогнутых по дугам круговых орбит электронов, при этом пучок электронов направляют к магнитным барьерам под острым углом к плоскости границы между облучаемыми и здоровыми тканями для отражения электронов от магнитных барьеров, а отраженные электроны пропускают через облучаемые ткани.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицине, конкретно - предназначено для облучения пучком электронов при лучевой терапии.

Ранее известные способы облучения пучком электронов при лучевой терапии разработаны в процессе поиска наиболее эффективных способов лечения пациентов и диагностики заболеваний в медицине.

Известен способ облучения пучком электронов при лучевой терапии, включающий пропускание пучка электронов через облучаемые ткани, корректировку параметров пучка электронов и параметров экспозиции. При осуществлении этого способа отсутствует наведение магнитного поля на облучаемые ткани, здоровые ткани или все тело пациента и, следовательно, отсутствует корректировка параметров магнитного поля [Khan P.M. The physics of radiation therapy, Baltimore, Maryland, USA, 1992].

Недостатками известного способа облучения пучком электронов при лучевой терапии являются, во-первых, отсутствие защиты здоровых тканей от облучения пучком электронов; во-вторых, отсутствие возможности облучения протяженных и точечных областей тела, так как максимум дозы облучения электронами не имеет малой ширины.

Наиболее близким по техническому результату (прототипом) к заявляемому изобретению является способ облучения пучком электронов при лучевой терапии, заключающийся в том, что наводят магнитное поле на облучаемые ткани, защищают здоровые ткани от облучения областью магнитного поля с магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям, направляют пучок электронов под прямым углом к линиям магнитной индукции магнитного поля, пропускают электроны через облучаемые ткани и корректируют параметры магнитного поля. В качестве области магнитного поля с магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям, используют непроницаемое магнитное поле в области облучаемых тканей. Пучок электронов направляют под прямым углом к поверхности области магнитного поля, а через облучаемые ткани пропускают электроны, закрученные на круговые траектории магнитным полем. Ширина у максимума дозы облучения определяется влиянием радиусов, равных от 110^-2 до 410^-2 метра у круговых орбит электронов с начальной энергией 2-30 МЭВ в магнитном поле от 1 до 5 Тесла [С.М. Варзарь, А.В. Тултаев, А.П. Черняев. Управление распределением дозы пучка электронов в лучевой терапии // Приборы и техника эксперимента, 2002, №1, с.113-117].

Недостатками указанного способа облучения пучком электронов при лучевой терапии являются: во-первых, наличие отрицательного влияния магнитного поля на облучаемую область и, во-вторых, отсутствие возможности облучения протяженных и точечных микроскопических областей. Отрицательное влияние магнитного поля на облучаемую область происходит из-за совмещения магнитного поля с областью облучения, не позволяющего провести в чистом виде облучение пучком электронов. Отсутствие возможности облучения протяженных и точечных микроскопических областей имеет место по причине отсутствия малой ширины у максимума дозы облучения из-за влияния радиусов, равных от 110^-2 до 410^-2 метра у круговых орбит электронов с начальной энергией 2-30 МЭВ в магнитном поле от 1 до 5 Тесла.

Предлагаемым изобретением решается задача, во-первых, обеспечения отсутствия отрицательного влияния магнитного поля на облучаемую область; во-вторых, обеспечения облучения протяженных и точечных микроскопических областей.

Для достижения указанного технического результата в способе облучения пучком электронов при лучевой терапии, включающем наведение магнитного поля с магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям, для защиты от облучения, направление пучка электронов под прямым углом к линиям магнитной индукции магнитного поля, пропускание электронов через облучаемые ткани, магнитное поле наводят на плоскость границы между облучаемыми и здоровыми тканями, увеличивают его магнитную индукцию до уровня магнитных барьеров индуцированного магнитного поля, не проницаемых для высокоэнергетических и низкоэнергетических электронов и изогнутых по дугам круговых орбит электронов, при этом пучок электронов направляют к магнитным барьерам под острым углом к плоскости границы между облучаемыми и здоровыми тканями для отражения электронов от магнитных барьеров, а отраженные электроны пропускают через облучаемые ткани.

Отсутствие отрицательного влияния магнитного поля на облучаемую область обусловлено тем, что магнитное поле наводят на плоскость границы между облучаемыми и здоровыми тканями, в качестве области магнитного поля с высокой магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям, используют непроницаемый для электронов магнитный барьер на плоскости границы между облучаемыми и здоровыми тканями, изогнутый по дугам круговых орбит электронов.

Облучение протяженных и точечных микроскопических областей обусловлено тем, что пучок электронов направляют под острым углом, определяемым необходимым для облучения отражением электронов, к плоскости границы между облучаемыми и здоровыми тканями, а через облучаемые ткани пропускают электроны, отраженные магнитным полем.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 изображены график зависимости 1 центробежной силы, действующей на высокоэнергетический электрон при вынужденном движении по круговой орбите, от радиуса R орбиты электрона; график зависимости 2 центробежной силы, действующей на низкоэнергетический электрон при вынужденном движении по круговой орбите, от радиуса R орбиты электрона; график зависимости 3 магнитной составляющей силы Лоренца, действующей на высокоэнергетический электрон при движении в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, с линией магнитного барьера 4; график зависимости 5 магнитной составляющей силы Лоренца, действующей на низкоэнергетический электрон при движении электрона перпендикулярно линиям магнитной индукции, с линией магнитного барьера 6. На фиг.2 изображены график зависимости 1 центробежной силы, действующей на высокоэнергетический электрон при вынужденном движении по круговой орбите, от радиуса R орбиты электрона; график зависимости 2 центробежной силы, действующей на низкоэнергетический электрон при вынужденном движении по круговой орбите, от радиуса R орбиты электрона; график зависимости 7 магнитной составляющей силы Лоренца, действующей на высокоэнергетический электрон при движении электрона в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, с линией пониженного магнитного барьера 8, не удерживающего высокоэнергетический электрон на круговой орбите; график зависимости 9 магнитной составляющей силы Лоренца, действующей на низкоэнергетический электрон при движении электрона в магнитном поле перпендикулярно линиям магнитной индукции, с линией пониженного магнитного барьера 10, еще удерживающего низкоэнергетический электрон на круговой орбите. На фиг.3 изображена исходная траектория с переходом в круговую орбиту электронов вдоль магнитных барьеров 4, 6. На фиг.4 изображены исходные траектории электронов широкого пучка с переходом в круговую орбиту вдоль постоянных высотой магнитных барьеров 4, 6. При этом на фиг.1-4 высокоэнергетический электрон схематично показан затемненным кругом, а низкоэнергетический электрон - светлым кругом.

Способ облучения пучком электронов при лучевой терапии осуществляют следующим образом. Сначала наводят слабое магнитное поле на плоскую границу между облучаемыми и здоровыми тканями пациента, при этом здоровые ткани окружают этим магнитным полем. Профиль магнитного поля обычно определяется формой сменных полюсных наконечников магнита или электромагнита. Защищают здоровые ткани от облучения областью магнитного поля с магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям. После достижения необходимого для защиты здоровых тканей профиля магнитного поля увеличивают индукцию магнитного поля до высокого уровня, заведомо не позволяющего электронам пройти не только в здоровые ткани, но и в область магнитного поля. То есть в качестве области магнитного поля с высокой магнитной индукцией, не проницаемой к здоровым тканям, используют не проницаемый для электронов магнитный барьер на плоской границе между облучаемыми и здоровыми тканями, изогнутый по дугам круговых орбит электронов. Пучок электронов направляют под острым углом к изогнутой по дугам круговых орбит электронов плоской границе магнитного поля и под прямым углом к линиям индукции магнитного поля, чтобы отраженные от магнитного поля электроны прошли через предназначенную для облучения область. Пропускают электроны через облучаемые ткани. Далее производят корректировку параметров магнитного поля до гарантированной защиты здоровых тканей от облучения пучком электронов и параметров пучка электронов до обеспечения требуемой глубины и требуемых размеров области облучения, уточняют время экспозиции и продолжают облучение пациента. При распределении дозы облучения и выборе режима облучения учитывают: график зависимости 1, поскольку необходимо, чтобы центробежная сила была меньше силы Лоренца, график зависимости 2, поскольку необходимо, чтобы центробежная сила была меньше силы Лоренца; график зависимости 3 с линией магнитного барьера 4, поскольку необходимо, чтобы сила Лоренца была больше центробежной силы, график зависимости 5 с линией магнитного барьера 6, чтобы сила Лоренца была больше центробежной силы; график зависимости 7 с линией пониженного магнитного барьера 8, не удерживающего высокоэнергетический электрон на круговой орбите, чтобы не допустить исхода высокоэнергетического электрона с круговой орбиты, график зависимости 9 с линией пониженного магнитного барьера 10, чтобы далее не понижать магнитного барьера 10. Фокусированный пучок электронов подают в магнитное поле для распределения дозы облучения по области облучения. Для распределения дозы облучения пучком электронов при лучевой терапии используют индуцированное магнитное поле, имеющее особую топографию. Топография магнитного поля для облучения пучком электронов при лучевой терапии характеризуется графиком зависимости 3 с линией магнитного барьера 4 для высокоэнергетических электронов и графиком зависимости 5 с линией магнитного барьера 6 для низкоэнергетических электронов. Особенностью топографии магнитного поля является наличие нескольких магнитных барьеров, высота каждого из которых определяется энергией соответствующего барьеру электрона. Энергетический спектр электронов для реализации предлагаемого способа достаточно разбить на две области спектра, а электроны разбить на две группы - высокоэнергетические электроны и низкоэнергетические электроны. Магнитный барьер 4 соответствует высокоэнергетическим электронам, а магнитный барьер 6 - низкоэнергетическим электронам. Магнитными барьерами 4, 6 для движущихся одиночных электронов и для пучка электронов в целом является повышенная магнитная индукция в области магнитного поля, оказывающая сдерживающее воздействие на электроны. Сдерживающее воздействие магнитного барьера 4 на высокоэнергетические электроны проявляется посредством повышенной силы Лоренца, соответствующей скорости высокоэнергетических электронов и повышенному уровню магнитной индукции в протяженной области пространства. Сдерживающее воздействие магнитного барьера 6 на низкоэнергетические электроны проявляется посредством повышенной силы Лоренца, соответствующей скорости низкоэнергетических электронов и повышенному уровню магнитной индукции в протяженной области пространства. Магнитная составляющая силы Лоренца, действующая на электрон, определяется по формуле (1):

где q - заряд электрона;

v - скорость электрона;

В - магнитная индукция поля.

Воздействие магнитной составляющей силы Лоренца на электрон зависит от скорости полета электрона и магнитной индукции поля. Поэтому магнитная составляющая силы Лоренца, действующая на высокоэнергетический электрон, определяется по формуле (2):

где v₁ - скорость высокоэнергетического электрона.

Магнитная составляющая силы Лоренца, действующая на низкоэнергетический электрон, определяется по формуле (3):

где v₂ - скорость низкоэнергетического электрона. На пучок электронов воздействуют магнитными барьерами 4, 6 по фронту подошедшего к магнитным барьерам 4, 6 пучка электронов. Воздействуют магнитными барьерами 4, 6 изогнутыми по дугам круговых орбит электронов и в то же время защищающими здоровые ткани по фронту отклонения и рассеяния электронов. Распределение дозы облучения пучком электронов с помощью магнитных барьеров 4, 6 индуцированного магнитного поля производят при положении магнитных барьеров 4, 6, которое обеспечивает необходимую защиту здоровых тканей, максимальное рассеяние электронов в область облучения и минимальное рассеяние электронов на здоровые ткани. Распределение дозы облучения пучком электронов с помощью магнитных барьеров 4, 6 индуцированного магнитного поля производят при форме магнитных барьеров 4, 6, которая имеет плавные изгибы поверхности, приближающиеся к изгибам области облучения, чтобы облучению подверглись все предназначенные для этого ткани. Пучок электронов направляют к магнитным барьерам 4, 6 под острым углом, определяемым необходимым для облучения отражением электронов, к плоской границе между облучаемыми и здоровыми тканями, а через облучаемые ткани пропускают электроны, отраженные магнитным полем. Регулировку распределения дозы облучения пучком электронов производят с помощью магнитных барьеров 4, 6 индуцированного магнитного поля путем изменения форм барьеров 4, 6, изменением положений барьеров 4, 6 и сменой барьеров 4, 6. Само распределение дозы облучения пучком электронов осуществляют при последующем сохранении определенных положений магнитных барьеров 4, 6 и определенных форм магнитных барьеров 4, 6. Магнитные барьеры 4, 6 протяженны вдоль изогнутых участков траекторий электронов. Высоту, ширину и длину магнитных барьеров 4, 6 выбирают достаточными величинами для удержания электронов на круговых орбитах, достаточными для защиты здоровых тканей и достаточными для достижения требуемого распределения дозы облучения. Электроны вынуждены перемещаться в составе пучка электронов вдоль магнитных барьеров 4, 6, оказавшихся на пути электронов. Электроны из состава пучка отклоняются магнитными барьерами 4, 6 и далее следуют в составе пучка электронов по изогнутым траекториям. Необходимое распределение дозы пучка электронов определяют не только величиной магнитной индукции на пути электронов, но и положением магнитных барьеров 4, 6 в пространстве, при достаточной величине магнитной индукции барьеров 4, 6 и при соответствующих формах магнитных барьеров 4, 6. Магнитные барьеры 4, 6 имеют по всей длине постоянные достаточные высоты при постоянном или переменном радиусе изгиба этих магнитных барьеров. Распределение дозы облучения электронов осуществляют с помощью достаточно высоких магнитных барьеров 4, 6. Поперечное сечение магнитного барьера 6 для низкоэнергетических электронов изображено в виде пика графика зависимости 5 силы Лоренца, действующей на низкоэнергетический электрон в магнитном поле, от радиуса орбиты низкоэнергетических электронов. Каждый максимум индукции для бинарной по энергии смеси электронов дает два максимума сил Лоренца, два магнитных барьера 4, 6 для электронов, как это проиллюстрировано графиками 3, 5 с линиями магнитных барьеров 4, 6 на фиг.1. При достаточно высоких пиках сил Лоренца, т.е. при магнитных барьерах 4, 6 выше кривой линии 1, все электроны могут пролетать по круговым орбитам. Когда электроны летят по круговым орбитам, вершина магнитного барьера может иметь любую форму, но форма магнитного барьера 6 должна быть такой, чтобы выполнялось условие (4):

где R - радиус изгиба магнитного барьера;

m - масса электрона;

v₁ - скорость высокоэнергетического электрона;

В - индукция магнитного поля, соответствующая наибольшей высоте магнитного барьера.

При снижении высоты магнитного барьера 8, как это показано на фиг.2, происходящем одновременно со снижением магнитного барьера 10, высокоэнергетический электрон уходит с круговой орбиты на прямолинейную траекторию. Исхода электронов за магнитный барьер 8 допускать нельзя во избежание облучения здоровых тканей. Низкоэнергетический электрон, при достаточной высоте магнитного барьера 10, остается на круговой орбите. Для низкоэнергетического электрона, движущегося по дуге круговой орбиты, должно выполняться условие (5):

где m- масса электрона;

v₂ - скорость низкоэнергетического электрона.

Высоту магнитных барьеров 8, 10 увеличивают до высоты барьеров 4, 6. Траектория электронов вдоль магнитных барьеров 4, 6 и, следовательно, вдоль облучаемой протяженной области показана на фиг.3.

Так осуществляется способ облучения пучком электронов при лучевой терапии на примере облучения пациента узким сфокусированным пучком.

Указанный способ облучения пучком электронов при лучевой терапии годен и при облучении пациента широким пучком электронов, что поясняется фиг.4. На фиг.4 показано, что облучение области широким лучом трансформируется в усиленное облучение только вдоль протяженной области, то есть вдоль линии транспортировки электронов около магнитных барьеров 4, 6.

После распределения дозы облучения пучком электронов и защиты здоровых тканей не проницаемым для пучка электронов магнитным полем, направления пучка электронов под острым углом к тонкой области магнитного поля и под прямым углом к линиям магнитной индукции, осуществляют собственно облучение пучком электронов.

Использование предлагаемого изобретения позволит защитить облучаемые и здоровые ткани пациента от воздействия магнитного поля и проводить процесс облучения широким или узким пучком электронов в протяженных и точечных микроскопических областях.