Портативный многолепестковый коллиматор

 

The article describes a portable MLC (multileaf collimator). It consists of leaves and leaf drive, construction of which includes a magnetic safety clutch. A method of MLC aperture forming based on using a tumor-matching piece of material that is put into the leaf movement plane, thus blocking the leaves was also designed.

Keywords: radiotherapy, multileaf collimator, treatment field, magnetic safety clutch.

 

Многолепестковые коллиматоры (МЛК) используются вместо поглощающих блоков из сплава Вуда или свинца (рис. 1) для придания нестандартной формы полю облучения в радиотерапии. Таким образом, мы получаем возможность подводить к опухоли необходимую дозу при минимально возможной лучевой нагрузке на органы риска и прилежащие здоровые ткани [1].

Благодаря движущимся независимо друг от друга лепесткам создается поле высокой сложности. МЛК является составной опциональной частью большинства современных линейных ускорителей. При проведении конформной лучевой терапии, являющейся, согласно [2], методом лучевой терапии, при котором облучаемый объем максимально приближен по форме к конфигурации опухоли, обычно используются лепестки, которые обеспечивают значение ширины полутени в изоцентре примерно равное 1–1,25 см [3]. Точность формирования поля зависит в основном от толщины лепестков [4].

Рис. 1. Коллимирующий блок из свинца

 

МЛК встраиваются практически во все современные линейные ускорители. В случае поломки МЛК, лечебные учреждения не всегда могут организовать его ремонт немедленно, или на восстановление его работоспособности может потребоваться значительное количество времени. При этом стоит учитывать, что коллиматор производства одной фирмы может не подойти к ускорителю другой, а также то, что в лечебных учреждениях зачастую одновременно используются установки нескольких производителей. При выходе из строя МЛК, качество лучевой терапии либо серьезно снизится, либо ее проведение станет невозможным. В связи с этим целесообразно иметь альтернативную систему МЛК, более универсальную и мобильную, которая может устанавливаться подобно коллимирующему блоку на головку облучателя (рис. 1).

Разработанный МЛК основан на принципе разрыва связи между ведущим валом и рейками, соединенными с лепестками. В конструкции привода лепестков (рис. 2) была использована предохранительная муфта на постоянных магнитах.

Магнитная муфта как основная рабочая деталь была выбрана исходя из того, что между полумуфтами нет физического контакта. Благодаря этому, если лепестки упрутся в формирующую заготовку (рис. 3) и крутящий момент на муфте будет превышен, полумуфты не будут повреждаться, в отличие от фрикционной муфты.

Перед проведением лучевой терапии создается заготовка-стопор, соответствующая опухоли по форме в проекции облучения из, например, дерева или пластика. Для формирования апертуры пучка заготовка помещается в плоскость коллиматора, затем приводятся в движение лепестки.

Рис. 2. Привод лепестка: 1– постоянные магниты; 2– внешняя полумуфта; 3– внутренняя полумуфта; 4– металлическое кольцо; 5– зубчатая рейка

 

Рис. 3. Формирующие заготовки

 

На рис. 4 изображен МЛК в ходе проведения процедуры формирования апертуры. Лепестки 5 двигаются параллельно основанию и перпендикулярно оси симметрии коллиматора, но останавливаются, упираясь в заготовку 6. При этом происходит превышение максимального крутящего момента на муфте 3, одна из полумуфт которой соединена с ведущим валом, а другая — с зубчатой рейкой 4, приводящей в движение лепесток.

Рис. 4. Схема МЛК: 1– зубчатые колеса; 2– ремень передачи; 3– муфты приводов лепестков; 4– зубчатые рейки; 5– зубчатая рейка лепестка; 6– заготовка, формирующая апертуру

 

Связь между ведущим валом и реечной передачей разрывается и лепесток останавливается. Точно такие же узлы управляют движением всех лепестков МЛК. Ременная передача используется для того чтобы передавать крутящий момент от главного ведущего вала, соединенного с двигателем, к вторичному ведущему валу, находящемуся на противоположной от ведущего вала стороне МЛК.

Привод лепестка (рис. 4) состоит из: постоянных магнитов 1, одна половина из которых встроена во внешнюю полумуфту 2, находящуюся на одной оси с ведущим валом и опирающуюся на подшипники, а другая — во внутреннюю полумуфту 3, которая жестко сидит на ведущем валу и не смещается относительно него. На внутреннюю полумуфту 3 запрессовано металлическое кольцо 4, не дающее магнитам 1 выйти из пазов внутренней полумуфты 3 при вращении на высоких оборотах. Внешняя полумуфта 2 является зубчатым колесом и соединена с зубчатой рейкой 5, которая двигает лепесток МЛК.

Магниты расположены равномерно по всему радиусу полумуфт и установлены так, чтобы их полюса стояли попеременно: С–Ю–С–Ю–С–Ю. Это сделано для обеспечения равномерности передачи крутящего момента в течение всего периода вращения муфты.

Контакт между полумуфтами основан на магнитных силах, благодаря которым разноименно заряженные полюса магнитов притягиваются друг к другу, а одноименно заряженные — отталкиваются друг от друга. То есть, фиксацию полумуфт относительно друг друга обеспечивает не только сила притяжения противоположных магнитов, но и сила отталкивания соседних. Когда сила сопротивления превышает силу фиксации муфты, она проворачивается, не повреждаясь.

После того как все лепестки заняли предназначенные им позиции по периметру заготовки, соответствующей форме опухоли, подача вращательного момента на ведущий вал прекращается и лепестки перестают двигаться. На этом этапе заготовка извлекается из плоскости МЛК, и он становится готов к проведению лучевой терапии.

Высокая точность соответствия коллимируемого поля форме опухоли, также называемая прецизионностью, необходима для проведения конформной лучевой терапии. Она основывается на нескольких факторах:

          точности изображений опухоли и созданной на их основе трехмерной модели;

          качестве производства формирующей апертуру заготовки;

          толщине лепестков.

В настоящей статье описан механический МЛК для проведения лучевой терапии и приведен метод формирования апертуры, в котором используется заготовка, соответствующая опухоли по форме. Формирование апертуры основывается на остановке движения лепестков заготовкой с целью образования ими требуемой формы и последующем извлечении заготовки из области облучения.

 

Литература:

 

1.        Исследование точности позиционирования пациентов при стереотаксической радиохирургии новообразований головного мозга / Филатов П. В., Пашковская О. А. и др. // Медицина и образование в Сибири — 2012 –№ 6.

2.        Клинические рекомендации по конформной лучевой терапии / Белова В. П., Глеков И. В. и др. [Электронный ресурс] Режим доступа: URL http://oncology-association.ru/docs/recomend/aprl2015/3d-rek.pdf

3.        Liu, Y., Shi, C., Tynan, P., Papanikolaou, N. Dosimetric characteristics of dual-layer multileaf collimation for small-field and intensity-modulated radiation therapy applications // Journal of Applied Clinical Medical Physics. — 2008 — Vol. 9, № 2

4.        Fischer, M., Todorovic, M., Drud, E., Cremers, F. Commissioning of a double-focused micro multileaf collimator (µMLC) // Journal of Applied Clinical Medical Physics, — 2010 — Vol. 11, № 2