ИСТИНА

Наибольшее распространение в современной лучевой терапии получили ускорители электронов с тормозной мишенью. На сегодняшний день в России насчитывается около 600 медицинских ускорителей для дистанционной лучевой терапии (по данным МАГАТЭ), что позволяет России быть в восьмерке высокотехнологичных стран Мира. Точное определение спектра тормозного излучения медицинского ускорителя является принципиальным условием для его эффективного применения в дистанционной лучевой терапии для облучения раковых опухолей, а также является важным аспектом в исследованиях в области лучевой терапии, что способствует формированию и развитию новых технологических решений в данной области. Однако, одной из проблем ограничивающей современные исследования в области радиационной медицинской физики является то, что спектр как правило не известен ученому или медицинскому физику. Обычно, такие измерения проводит производитель ускорителя на специализированных стендах в процессе сборки установки. Эти данные производитель учитывает в работе своей системы планирования, однако не передает в открытый доступ. После запуска ускорителя в отделении лучевой терапии проведение измерения спектра при помощи наиболее точных методов, а именно магнитного спектрометров (для пучка электронов) или спектрометра на основе комптоновского рассеяния (для пучка фотонов) на регулярной основе является практически невозможным для медицинского учреждения. При этом реальный спектр ускорителя со временем может отличаться от начального, ввиду изменения технического состояния системы вывода пучка, тормозной мишени и многолепесткового коллиматора. В настоящее время отмечается, что недостаточная проработка технологических факторов реализации косвенных методов определения спектра тормозного излучения медицинского ускорителя ограничивает возможности их широкого применения. Именно поэтому в мире в последние десятилетие активизировались исследования в этой области. Вопрос создания быстрых и точных методов определения спектра тормозного излучения медицинского линейного ускорителя стоит уже десятки лет. Интерес научного сообщества к реальным спектрам проявляется во многих приложениях лучевой терапии в медицине, поскольку они играют фундаментальную роль в повышении точности расчета дозового распределения и снижении дозовой нагрузки на здоровые органы и ткани человека. Об актуальности проблемы свидетельствуют многочисленные публикации, в том числе и в высокорейтинговых журналах. Соотношение публикаций, в которых спектр медицинского ускорителя был точно известен группе ученых, составляет примерно 1 к 10. При этом как правило, данные публикации подготовленные исследователями, которые являются непосредственно разработчиками данных ускорителей. В остальном, спектр тормозного излучения представлен моноэнергетичным упрощением или приближенной аппроксимирующей функцией на основе косвенных измерений с недостаточной точностью. Отдельно стоит отметить, что системы планирования от производителя не всегда имеют все необходимые инструменты для планирования облучения пациентов. Так, например, при лечении онкологических заболеваний у детей с костными имплантами в штатной системе планирования отсутствует возможность учесть вклад импланта в распределение поглощенной дозы. При этом, если бы была возможность регулярного определения энергетического спектра, возможно было бы учесть наличие таких имплантов путем проведения компьютерного моделирования с использованием метода Монте-Карло. Проблема точного восстановления энергетического спектра является важной и актуальной задачей в вопросах применения линейных ускорителях в радиационной медицине. Предлагаемые комплексные научные исследования будут проведены впервые и в результате позволят разработать принципиально новый метод, который позволит на основе глубокого машинного обучения восстанавливать спектр тормозного излучения по измеренному дозовому распределению по глубине в водном фантоме с погрешностью до нескольких процентов.

The most widespread in modern radiotherapy are electron accelerators with a braking target. Today Russia has about 600 medical accelerators for remote radiation therapy (according to IAEA data), which allows Russia to be among the top eight high-tech countries in the world. Accurate determination of the spectrum of bremsstrahlung of a medical accelerator is a fundamental condition for its effective application in remote radiation therapy for irradiation of cancerous tumours, and is also an important aspect of research in the field of radiation therapy, which contributes to the formation and development of new technological solutions in this field. However, one of the problems limiting current research in radiation medical physics is that the spectrum is generally not known to the scientist or medical physicist. Usually, such measurements are performed by the accelerator manufacturer on specialised stands during the assembly of the facility. This data is taken into account by the manufacturer in its planning system, but is not made publicly available. Once the accelerator has been started up in a radiation therapy department, it is almost impossible for a medical facility to perform spectrum measurements using the most accurate methods, namely magnetic spectrometers (for electron beams) or Compton scattering spectrometers (for photon beams) on a regular basis.At the same time, the real accelerator spectrum may differ from the initial one with time due to changes in the technical condition of the beam output system, braking target, and multileaf collimator. At present it is noted that insufficient elaboration of technological factors of realisation of indirect methods of determining the spectrum of braking radiation of a medical accelerator limits the possibilities of their wide application. That is why in the world in the last decade research in this field has been intensified. The question of creating fast and accurate methods for determining the spectrum of braking radiation of a medical linear accelerator has been raised for decades. The interest of the scientific community to real spectra is manifested in many applications of radiation therapy in medicine, as they play a fundamental role in improving the accuracy of dose distribution calculation and reducing the dose load on healthy human organs and tissues. The relevance of the problem is evidenced by numerous publications, including those in highly rated journals. The ratio of publications in which the medical accelerator spectrum was accurately known to a group of scientists is approximately 1 to 10. As a rule, these publications are prepared by researchers who are direct developers of these accelerators. Otherwise, the spectrum of braking radiation is represented by a monoenergetic simplification or an approximate approximating function based on indirect measurements with insufficient accuracy. It should also be noted that the manufacturer's planning systems do not always have all the necessary tools for planning patient exposure. For example, when treating children with oncological diseases with bone implants, the standard planning system does not have the ability to take into account the contribution of the implant to the distribution of the absorbed dose. However, if it were possible to determine the energy spectrum on a regular basis, it would be possible to take into account the presence of such implants by computer modelling using the Monte Carlo method. The problem of accurate reconstruction of the energy spectrum is an important and urgent task in the issues of application of linear accelerators in radiation medicine. The research performed will allow the development of a fundamentally new method that will make it possible, on the basis of deep machine learning, to reconstruct the spectrum of bremsstrahlung from the measured dose-depth distribution in an aqueous phantom with an error of up to a few per cent, which will increase the availability and accuracy of future studies.

На сегодняшний день существуют единицы публикаций, которые предлагают использовать методы машинного обучения для определения спектра тормозного излучения. К тому же в данные работы можно охарактеризовать как первые попытки реализации похожего метода, так как они ограничены определяемым диапазоном спектра тормозного излучения (до 7 МэВ), что не позволяет применять данный метод для большого количества современных ускорителей, а также их нейронная сеть не доступна для использования в собственных научных исследованиях. Проведенные исследования позволят разработать принципиально новый метод, который позволит на основе глубокого машинного обучения восстанавливать спектр тормозного излучения с погрешностью до нескольких процентов, а также с возможностью определять спектр в расширенном диапазоне до 20 МэВ. Это позволит увеличить доступность и точность будущих исследований, требующих быстрого определения энергетического спектра.По результатам проведенного исследования возможно создание открытого онлайн сервиса для медицинских физиков. Сервис позволит определять энергетический спектр пучка фотонов медицинского ускорителя на основе измеренных глубинных дозовых распределений. Также, в рамках проекта будет разработана и сформирована уникальная база данных для тормозного излучения «спектр – дозовое распределение по глубине», что позволит существенно ускорить исследования по данной тематике.