mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2020-3-229-240mateltech-396Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYМногофункциональная ионизационная камера и ее электронный тракт для применения на медицинском ускорителе «Прометеуc»Multifunctional ionization chamber and its electronic path for use on the medical accelerator PrometeusСиксинВ. В.SiksinV. V.

Ленинский просп., д. 53, Москва, 119991

Сиксин Виктор Валентинович

Leninsky Prospect, 53, Moscow, 119991

Viktor V. Siksin: Cand. Sci. (Phys.-Math.), Senior Researcher

antktech@yandex.ruФизический институт им. П.Н.Лебедева, РАНРоссияP.N. Lebedev Physical Institute of the Russian Academy of SciencesRussian Federation202004012021233229240Copyright © Сиксин В.В., 20202020Сиксин В.В.Siksin V.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/396

В статье описывается предлагаемая новая многофункциональная ионизационная камера (МИК) предназначенная для измерения дозных профилей при работе медицинского ускорителя «Прометеуc» в режиме сканирующего «карандашного пучка». Цифровой детектор получения изображений (ЦДПИ) с тканеэквивалентным водным фантомом применяется для калибровки ускорителя перед сеансом лучевой терапии. Рассмотрено применение ЦДПИ на пучке протонного ускорителя, работающего в режиме дробления пучка на споты при сканирующем пучке. Детектор ЦДПИ позволяет за несколько импульсов ускорителя в режиме on-line увидеть, как энерговыделение каждого спота распределяется по области облучаемой мишени, что является фактической калибровкой ускорителя перед сеансом протонной терапии. В процессе проведения сеанса протонной терапии предполагается устанавливать МИК непосредственно перед пациентом. Камера МИК содержит в себе две ионизационные камеры работающие одновременно, — это падовая камера (ПК) работающая на газе или «теплой жидкости» и стриповая ионизационная камера (СК) работающая только на газе. На ускорителе «Прометеус» предлагается использование МИК, который будет применяться при режиме работы методом активного сканирования «карандашным» протонным пучком. Применение работы МИК предназначено для контроля плотности интенсивности пучка в процессе облучения «мишени» у пациента в процессе сеанса протонной терапии. В случае нарушения запланированного режима работы ускорителя и выхода пучка за заранее заданные перед сеансом параметры, система контроля обнаружения отклонений (СКОО) отключит ускоритель. Описывается устройство считывающей электроники (СЭ) камеры МИК и СКОО. Данный предлагаемый детектор включающий камеру МИК и СКОО и обслуживающую его считывающую электронику позволит повысить качество подведения терапевтического пучка, благодаря точному определению плотности поглощенной дозы, подводимой сканирующим пучком к каждому споту облучаемой мишени, и поэтому формируемое поле распределения высокой дозы будет соответствовать облучаемому объему у пациента и повысит безопасность и контроль облучения мишени у пациента. ПК входящая в МИК сконструирована на «теплой жидкости» (либо на газе) и представляет собой высокоточную ионизационную камеру с координатной чувствительностью по ширине облучаемой мишени. СК входящая в МИК работает на газе и контролирует направление падающего пучка на данный спот в мишени. Разработан вариант исполнения зарядовочувствительного предусилителя и системы СЭ предназначенной для экспериментальной проверки прототипа МИК. Схема СКОО работающая совместно с камерой МИК позволяет контролировать заранее заданные параметры облучения границ мишени пациента и отключает ускоритель в случае ухода этих параметров от первоначально заданных.

The article describes the proposed new multifunctional ionization chamber (MIC) designed to measure dose profiles when the medical accelerator Prometheus is operating in the scanning “pencil beam” mode. A digital image acquisition detector (DIDE) with a tissue-equivalent water phantom is used to calibrate the accelerator before a radiation therapy session. The application of the CPPI on the beam of a proton accelerator operating in the mode of beam splitting into spots with a scanning beam is considered. The CDPI detector allows for a few accelerator pulses in on-line mode to see how the energy release of each spot is distributed over the area of the irradiated target, which is the actual calibration of the accelerator before the proton therapy session. During the proton therapy session, it is planned to install the MIC directly in front of the patient. The MIC chamber contains two ionization chambers operating simultaneously — a pad chamber (PC) operating on gas or “warm liquid” and a strip ionization chamber operating only on gas (SC). At the accelerator Prometheus it is proposed to use a MIC, which will be used in the mode of operation by the method of active scanning with a “pencil” proton beam. The use of the MIC operation is intended to control the density of the beam intensity during the irradiation of the “target” in the patient during the proton therapy session. In case of violation of the planned operating mode of the accelerator and the beam goes beyond the parameters preset before the session, the deviation detection control system (SDMS) will turn off the accelerator. The device of the readout electronics (SE) of the MIC and SKOO cameras is described. This proposed detector, including the MIC and SKOO camera and the reading electronics serving it, will improve the quality of the therapeutic beam supply, due to the accurate determination of the absorbed dose density supplied by the scanning beam to each spot of the irradiated target, and therefore the generated high dose distribution field will correspond to the irradiated volume of the patient and will increase the safety and control of patient exposure to the target. The PC included in the MIC is designed on a “warm liquid” (or gas) and is a high-precision ionization chamber with coordinate sensitivity over the width of the irradiated target. The SC included in the MIC operates on gas and controls the direction of the incident beam to a given spot in the target. A version of the charge-sensitive preamplifier (QCD) and the SE system designed for experimental verification of the MIC prototype has been developed. The SCOO circuit working in conjunction with the MIC camera allows you to control the predetermined parameters of the irradiation of the patient’s target boundaries and turns off the accelerator if these parameters deviate from the initially specified ones.

зарядовочувствительный предусилительмногофункциональная ионизационная камерастриповые ионизационные камерыпадовые ионизационные камерыпик Брэггацифровой детектор получения изображенийcharge-sensitive preamplifiermultifunctional ionization chamberstrip ionization chamberspad ionization chambersBragg peakdigital imaging detectorАвтор выражает благодарность В.Е.Балакину за обсуждение предлагаемого варианта считывающей электроники камеры МИК и ее возможного применения на ускорителе “Прометеус”. Автор выражает благодарность А.И. Львову за консультации по проведению испытаний электронного тракта CЭ камеры МИК на ускорителе “Пахра” и за поддержку работы.The author expresses his gratitude to V.E. Balakin for a discussion of the proposed version of the readout electronics of the MIC chamber and its possible application at the Prometheus accelerator. The author is grateful to A.I. Lvov for advice on testing the electronic path of the SE MIC chamber at the Pakhra accelerator and for supporting the work.ReferencesСиксин В. В. Пути совершенствования детектора ДТеТ // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. 2018. Т. 45, № 12. C. 78—82.Siksin V. V. Ways to improve the TV-type detector. Bull. Lebedev Phys. Inst., 2019, vol. 46, no. 1, pp. 19—22. DOI: 10.3103/S1068335619010068Сиксин В. В. Измерение профилей пиков Брэгга детектором ДТеТ // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. 2019. Т. 46, № 2. С. 47—52.Siksin V. V. Measurement of the Bragg peak profiles by the TTD. Bull. Lebedev Phys. Inst., 2019, vol. 46, no. 2. pp. 47—52. (In Russ.)Сиксин В. В. Пилотная установка по очистке «теплой жидкости» тетраметилсилана и проведения «неускорительных экспериментов» // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2019. Т. 22, № 2. С. 118—127. DOI: 10.17073/1609-3577-2019-2-118-127Siksin V. V. Pilot installation for the purificationof the “warm liquid” of tetramethylsilane and conducting “non-accelerating experiments”. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2019, vol. 22, no. 2, pp. 118—127. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2019-2-118-127Pyramid Technical Consultants, Inc. URL: www.ptcusa.comPyramid Technical Consultants, Inc. URL: www.ptcusa.comСиксин В. В. Детектор на «теплой жидкости» для измерения дозных профилей от ионизирующих излучений // Известия вузов. Материалы электронной техники. 2019. Т. 22, № 3. C. 228—236. DOI: 10.17073/1609-3577-2019-3-228-236Siksin V. V. “Warm liquid” detector for measuring dose profi les from ionizing radiation. Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering, 2019, vol. 22, no. 3, pp. 228—236. (In Russ.). DOI: 10.17073/1609-3577-2019-3-228-236Дорохов Д. В., Купер Э. А. Система измерения тока ионизационной камеры в экспериментах с синхротронным излучением // Автометрия. 2015. Т. 51, № 1. С. 92—98.Dorokhov D. V., Kuper E. A. System for measuring ionization chamber currents in experiments with synchrotron radiation. Optoelectron. Instrument. Proc., 2015, vol. 51, no. 1, pp. 76—80. DOI: 10.3103/S8756699015010124Сиксин В. В. Импульсный рентгеновский источник (ИРИ) для калибровки микродозиметров на «теплых жидкостях» и тестирования детекторов телевизионного типа // Краткие сообщения по физике Физического института им. П. Н. Лебедева РАН. 2018. Т. 45, № 7. С. 9—16.Siksin V. V. Pulsed X-Ray source (PXS) for calibrating microdosimeters based on “warm liquids” and testings of television type detectors. Bull. Lebedev Phys. Inst., 2018, vol. 45, no. 7, pp. 199—203. DOI: 10.3103/S1068335618070023Патент 1338154 (SU). Способ контроля параметров пучка в процессе протонной терапии / Е. А. Дамаскинский, Д. Л. Карлин, О. Е. Прокофьев, В. С. Самсоненков, 1988.Patent 1338154 (SU). Sposob kontrolya parametrov puchka v protsesse protonnoy terapii [Method for controlling the beam parameters during proton therapy]. E. A. Damaskinsky, D. L. Karlin, O. E. Prokofiev, V. S. Samsonenkov, 1988. (In Russ.)Патент 2684567 (РФ). Способ реконструктивного дозиметрического контроля в протонной терапии сканирующим лучом / A. Е. Чернуха, О. Г. Лепилина, С. Е. Ульяненко и др., 2018.Patent 2684567 (RU). Sposob rekonstruktivnogo dozimetricheskogo kontrolya v protonnoy terapii skaniruyushchim luchom [Method of reconstructive dosimetric control in proton therapy with a scanning beam]. A. E. Chernukha, O. G. Lepilina, S. E. Ulyanenko et al., 2018. (In Russ.)Патент 2704012 (РФ). Способ авторегулирования и стабилизации интенсивности синхроциклотрона при протонно-лучевом облучении больных и устройство для его осуществления / Е. М. Иванов, В. И. Максимов, Г. Ф. Михеев, 2019.Patent 2704012 (RU). Sposob avtoregulirovaniya i stabilizatsii intensivnosti sinkhrotsiklotrona pri protonno-luchevom obluchenii bol’nykh i ustroystvo dlya yego osushchestvleniya [A method of automatic regulation and stabilization of the synchrocyclotron intensity during proton-beam irradiation of patients and a device for its implementation]. E. M. Ivanov V. I., Maksimov, G. F. Mikheev, 2019. (In Russ.)PTW. The Dosimetry Company: OCTAVIUS Detector 1500XDR. URL: https://www.ptwdosimetry.com/en/products/octavius-detector-1500xdr/PTW. The Dosimetry Company: OCTAVIUS Detector 1500XDR. URL: https: //www/ptwdisimetry.com/en/products/octavius-detector-1500xdr/Кудашкин И. В. Разработка и создание устройств систем диагностики и мониторирования внутренних и выведенных пучков ускорителя нуклотрон: дис. …канд. физ.-мат. наук. М., 2015. 88 с.Kudashkin I. V. Development and creation of devices for diagnostic and monitoring systems for internal and extracted beams of the Nuclotron accelerator: Dis. … Cand. Sci. (Phys.-Math.). Moscow, 2015. 88 p. (In Russ.)Балдин А. А., Берлев А. И., Кудашкин И. В., Федоров А. Н. Детектор на основе микроканальных пластин для контроля пространственно-временных характеристик циркулирующего пучка нуклотрона. // Письма в ЭЧАЯ. 2014. Т. 11, № 2. С. 209—218. URL: http://www1.jinr.ru/Pepan_letters/panl_2014_2/09_bal.pdfBaldin A. A., Berlev A. I., Kudashkin I. V., Fedorov A. N. Detector based on microchannel plates for monitoring space-time characteristics of a circulating beam at Nuclotron. Phys. Part. Nuclei Lett., 2014, vol. 11, pp. 121—126. DOI: 10.1134/S1547477114020137Baldin A., Feofilov G., Gavrilov Yu., Tsvinev A., Valiev F. Proposals for a new type of microchannel-plate-based vertex detector // Nucl. Instr. Meth. A. 1992. V. 323, Iss. 1–2. P. 439—444. DOI: 10.1016/0168-9002(92)90329-3Baldin A., Feofilov G., Gavrilov Yu., Tsvinev A., Valiev F. Proposals for a new type of microchannel-plate-based vertex detector. Nucl. Instr. Meth. A, 1992, vol. 323, no. 1–2, pp. 439—444. DOI: 10.1016/0168-9002(92)90329-3Бутенко А. В. Ускорение пучков тяжелых ионов c массовым числом более 100 в сверхпроводящем синхротроне нуклотрон: дисс. … канд. техн. наук. Дубна: ОИЯИ, 2012. 101 с.Butenko A. V. Acceleration of heavy ion beams with a mass number of more than 100 in the superconducting synchrotron Nuclotron: Dis. ... Cand. Sci. (Eng.). Dubna, JINR, 2012. 101 p. (In Russ.)Barnes P. G., Cross G. M., Drumm B. S., Fisher S. A., Payne S. J., Pertica A., Wilcox C. C. A micro-channel plate based gas ionization profile monitor with shaping field electrodes for the ISIS H-injector // Proc. IPAC. San Sebastián, Spain, 2011. URL: https://accelconf.web.cern.ch/IPAC2011/papers/tupc147.pdfBarnes P. G., Cross G. M., Drumm B. S., Fisher S. A., Payne S. J., Pertica A., Wilcox C. C. A micro-channel plate based gas ionization profile monitor with shaping field electrodes for the ISIS H-injector. Proc. IPAC. San Sebastián (Spain), 2011. URL: https://accelconf.web.cern.ch/IPAC2011/papers/tupc147.pdfConnolly R., Fite J., Jao S., Tepikian S., Trabocchi C. Residual-gas-ionization beam profile monitors in RHIC // Proc. BIW10. Santa Fe (New Mexico, US), 2010. URL: https://accelconf.web.cern.ch/BIW2010/papers/tupsm010.pdfConnolly R., Fite J., Jao S., Tepikian S., Trabocchi C. Residual-gas-ionization beam profile monitors in RHIC. Proc. BIW10. Santa Fe (New Mexico, US), 2010. URL: https://accelconf.web.cern.ch/BIW2010/papers/tupsm010.pdfTeterev Yu. G., Kaminski G., Huong P. T., Kozik E. Ionization beam profile monitor for operation under hard environmental conditions // Nucl. Phys. Atomic Energy. 2011. V. 12, N 1. P. 98—103.Teterev Yu. G., Kaminski G., Huong P. T., Kozik E. Ionization beam profile monitor for operation under hard environmental conditions. Nucl. Phys. Atomic Energy, 2011, vol. 12, no. 1, pp. 98—103.Quinteros T., DeWitt D. R., Paál A., Schuch R. Three-dimensional ion beam-profile monitor for storage rings // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1996. V. 378, Iss. 1–2. P. 35—39. DOI: 10.1016/0168-9002(96)00278-1Quinteros T., DeWitt D. R., Paál A., Schuch R. Three-dimensional ion beam-profile monitor for storage rings. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A. 1996, vol. 378, no. 1–2, pp. 35—39. DOI: 10.1016/0168-9002(96)00278-1Международные практические рекомендации по дозиметрии, основанные на эталонах единицы поглощенной дозы в воде. При поддержке IAEA, WHO, PAHO и ESTRO // Серия технических докладов № 398. Вена: Международное агентство по Атомной энергии, 2004. URL: https://www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/trs398r_web.pdfMezhdunarodnye prakticheskie rekomendatsii po dozimetrii, osnovannye na etalonakh edinitsy pogloshchennoi dozy v vode [International practical recommendations on dosimetry based on standards for absorbed dose units in water. With support from IAEA, WHO, PAHO and ESTRO]. Technical Report Series No. 398. Vienna: International Atomic Energy Agency, 2004. (In Russ.). URL: https://www-pub.iaea.org/mtcd/publications/pdf/trs398r_web.pdf

The authors declare that there are no conflicts of interest present.