Radioterapia protonowa od lat wyróżnia się spośród innych metod leczenia nowotworów jedną właściwością — protony zatrzymują się na zadanej głębokości w tkance, deponując tam niemal całą energię i nie niszcząc zdrowych obszarów za guzem. Zjawisko to, opisane przez fizyka Williama Bragga na początku XX wieku, sprawia, że wiązki protonów mogą docierać precyzyjnie do guza nawet w trudno dostępnych lokalizacjach. Kluczowe jest jednak dokładne poznanie energii tych cząstek — to od niej zależy, na jaką głębokość dotrze wiązka.

Dwa scyntylatory zamiast akwarium

Dotychczas standardem sprawdzania energii wiązek protonowych były tzw. fanomy wodne — zbiorniki z wodą, w których mierzy się zasięg protonów. Procedura wymaga wymiany stołu zabiegowego na techniczny, precyzyjnego ustawienia sprzętu i zajmuje kilkadziesiąt minut. W praktyce wykonuje się ją co najwyżej raz dziennie. Fizycy z Centrum Cyklotronowego Bronowice (CCB) Instytutu Fizyki Jądrowej Polskiej Akademii Nauk w Krakowie opracowali metodę, która redukuje czas pomiaru do kilku sekund i może być stosowana praktycznie przed każdym zabiegiem.
Urządzenie składa się z dwóch niewielkich płytek scyntylacyjnych, które wsuwa się bezpośrednio w tor wiązki. Scyntylatory emitują błysk światła przy przelocie cząstki — rejestrując sygnały z obu płytek i analizując ich wzajemne przesunięcie w czasie, można wyznaczyć prędkość protonów, a z niej ich energię kinetyczną. Problem polega na tym, że w wiązce ciągłej przez oba detektory w każdej chwili przelatuje ogromna liczba cząstek jednocześnie i nie można śledzić poszczególnych protonów z osobna. Jak wyjaśnia dr Wiktor Parol, główny autor metody, to jak próba zmierzenia prędkości samochodów na zatłoczonej autostradzie bez możliwości odróżnienia ich od siebie.
Rozwiązaniem było podejście statystyczne — zamiast śledzić poszczególne cząstki, fizycy porównują całe sekwencje sygnałów z obu detektorów, szukając wzorca przesunięcia czasowego między nimi. Matematyczna analiza sekwencji, po oczyszczeniu z szumów, pozwala wyznaczyć średnią energię kinetyczną wiązki z niepewnością poniżej 2,5 promila już po dwóch milisekundach zbierania danych.Od pomiaru do precyzji

Metoda dostarcza jednak więcej niż tylko jedną liczbę. Ponieważ algorytm dopasowuje konkretne impulsy z detektora początkowego do odpowiadających im sygnałów z detektora końcowego, można wyznaczyć energię kinetyczną każdego protonu z osobna. To umożliwia zbadanie, jak bardzo energie poszczególnych cząstek różnią się od średniej — czyli tzw. rozmycie energetyczne wiązki. Parametr ten mówi wprost, jak „ostra” jest protonowa igła: im mniejsze rozmycie, tym węższy obszar, w którym protony oddają energię w tkance, a tym samym mniejsza dawka dla tkanek zdrowych otaczających guz.
CCB dysponuje cyklotronem Proteus C-235, przyspieszającym protony do energii od 60 do 200 megaelektronowoltów — zakres stosowany zarówno w radioterapii, jak i w doświadczeniach z fizyki jądrowej. Obie metody pomiarowe są skalowalne: dobierając inne detektory i zmieniając odległość między płytkami, można je zastosować w akceleratorach osiągających energie rzędu gigaelektronowoltów. Obie metody zostały opatentowane i powstały przy współfinansowaniu Narodowego Centrum Nauki.