Помощь студентам в учебе
Формирование поперечных профилей электронных пучков
|
Введение 10
1. Литературный обзор 13
1.1 Электронные пучки 13
1.1.1 Источники электронов 13
1.1.2 Взаимодействие электронов с веществом и биологической тканью 23
1.1.3 Применение электронных пучков 24
1.2 Аддитивные технологии 30
1.2.1 Методы ЭЭ-печати 31
1.2.2 Метод послойного наплавления 32
1.2.3 Пластики 35
2. Материалы и методы 38
2.1 Метод Монте-Карло 38
2.2 Программа «Компьютерная лаборатория» 40
2.3 Микротрон ТПУ 41
2.4 Устройство для трехмерной печати 42
3. Теоретическое и экспериментальное исследование 44
3.1 Моделирование 44
3.1.1 Модель источника излучения 44
3.1.2 Фильтрующий элемент 45
3.1.3 Моделирование сформированного пучка 46
3.2 Эксперимент 48
3.2.1 Экспериментальные данные 48
3.2.2 Анализ результатов и корректировка модели 52
3.2.3 Методика формирования определенного профиля электронного
пучка 56
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1 Предпроектный анализ 58
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.1.2 SWOT-анализ 60
4.2 Планирование управления научно-техническим проектом 61
4.2.1 Иерархическая структура работ проекта 61
4.2.2 Контрольные события проекта 62
4.2.3 План проекта 62
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 64
4.3.1 Расчет материальных затрат 65
4.3.2 Расчёт амортизации оборудования для экспериментальных работ 65
4.3.3 Затраты на оплату труда исполнителей НТИ 67
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 69
4.3.5 Накладные расходы 69
4.4 Формирование бюджета затрат научно-технического исследования
(НТИ) 69
4.5 Организационная структура проекта 70
4.6 Матрица ответственности 71
4.7 Определение ресурсной эффективности исследования 72
Заключение
Список публикаций
Список литературы
1. Литературный обзор 13
1.1 Электронные пучки 13
1.1.1 Источники электронов 13
1.1.2 Взаимодействие электронов с веществом и биологической тканью 23
1.1.3 Применение электронных пучков 24
1.2 Аддитивные технологии 30
1.2.1 Методы ЭЭ-печати 31
1.2.2 Метод послойного наплавления 32
1.2.3 Пластики 35
2. Материалы и методы 38
2.1 Метод Монте-Карло 38
2.2 Программа «Компьютерная лаборатория» 40
2.3 Микротрон ТПУ 41
2.4 Устройство для трехмерной печати 42
3. Теоретическое и экспериментальное исследование 44
3.1 Моделирование 44
3.1.1 Модель источника излучения 44
3.1.2 Фильтрующий элемент 45
3.1.3 Моделирование сформированного пучка 46
3.2 Эксперимент 48
3.2.1 Экспериментальные данные 48
3.2.2 Анализ результатов и корректировка модели 52
3.2.3 Методика формирования определенного профиля электронного
пучка 56
4. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение 58
4.1 Предпроектный анализ 58
4.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 59
4.1.2 SWOT-анализ 60
4.2 Планирование управления научно-техническим проектом 61
4.2.1 Иерархическая структура работ проекта 61
4.2.2 Контрольные события проекта 62
4.2.3 План проекта 62
4.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 64
4.3.1 Расчет материальных затрат 65
4.3.2 Расчёт амортизации оборудования для экспериментальных работ 65
4.3.3 Затраты на оплату труда исполнителей НТИ 67
4.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 69
4.3.5 Накладные расходы 69
4.4 Формирование бюджета затрат научно-технического исследования
(НТИ) 69
4.5 Организационная структура проекта 70
4.6 Матрица ответственности 71
4.7 Определение ресурсной эффективности исследования 72
Заключение
Список публикаций
Список литературы
Электронные пучки нашли широкое применение в современной медицине [1-4], где с их помощью решается широкий спектр радиотерапевтических задач. Одно из наиболее эффективных и перспективных направлений использования пучков в медицине является интраоперационная лучевая терапия электронами различной энергии. Так как данная процедура представляет собой непосредственное подведение высокой однократной дозы к патологическому очагу или на «ложе» удаленной опухоли, к форме полей и их характеристикам предъявляются очень высокие требования.
Сегодня на практике для формирования терапевтического пучка электронов применяется система фильтрующих элементов и коллиматоров. На первом фильтре за счет многократного рассеяния тонкий электронный пучок превращается в расходящийся. Вторая фольга используется для создания однородного профиля электронного пучка. Коллимационная система ускорителя включает в себя набор коллиматоров, где первичный и вторичный коллиматоры используются для создания широкого расходящегося пучка, а мультилепестковый коллиматор - для создания конечного поля заданной формы и дозного распределения. Также для формирования профиля используют такие приспособления, как клинья, блоки и так далее. Такой подход позволяет формировать необходимые терапевтические поля. Однако он существенно усложняет и удорожает процесс разработки клинического ускорителя для доставки терапевтического электронного пучка.
Новые решения, обеспечивающие высокую точностью изготовления фильтров, быстроту их производства и снижения стоимости, позволят повысить эффективность методов, использующих электронные пучки. Таким решением может быть технология изготовления образцов методом трехмерной печати [5-6]. Данная технология позволит сократить временные затраты до нескольких часов, в сравнении с несколькими днями, для стандартных методов создания алюминиевых выравнивающих фильтров, индивидуальных свинцовых блоков и коллиматоров заданной формы. Также немаловажным преимуществом предложенного метода является его относительно невысокая стоимость, по предварительным оценкам себестоимость создания одного изделия будет составлять порядка одной тысячи рублей, тогда как изготовление стандартной металлической продукции составляет порядка десяти тысяч рублей.
В связи с тем, что форма создаваемых коллимирующих и фильтрующих систем может быть рассчитана с учетом непосредственной задачи, метод может обеспечить быстрое и точное формирование произвольного профиля пучка. Возможность создания фильтров сложной формы позволяет единомоментно формировать поле облучения с неоднородным распределением дозы в объеме мишени. Также метод может позволить добиться повышения точности доставки дозы непосредственно к патологическому очагу и исключить критические органы из поля облучения.
Наиболее распространенным материалом в трехмерной печати является АБС пластик в силу его дешевизны и простоты технологии наплавления [7]. Однако при расчетах формы фильтра может возникнуть ряд особенностей, которые необходимо учитывать.
Таким образом, целью данной магистерской диссертации стала разработка методики формирования поперечных профилей электронных пучков путем создания фильтрующих элементов методами аддитивных технологий.
Для достижения поставленной цели были выполнены такие задачи:
- изучение технической литературы,
- моделирование источника излучения,
- подбор формы и размеров фильтрующего элемента,
- печать исследуемого образца и создание его модели,
- получение и обработка теоретических и экспериментальных данных,
корректировка модели,
- сравнение и анализ результатов,
- составление указаний по реализации предлагаемой методики.
Сегодня на практике для формирования терапевтического пучка электронов применяется система фильтрующих элементов и коллиматоров. На первом фильтре за счет многократного рассеяния тонкий электронный пучок превращается в расходящийся. Вторая фольга используется для создания однородного профиля электронного пучка. Коллимационная система ускорителя включает в себя набор коллиматоров, где первичный и вторичный коллиматоры используются для создания широкого расходящегося пучка, а мультилепестковый коллиматор - для создания конечного поля заданной формы и дозного распределения. Также для формирования профиля используют такие приспособления, как клинья, блоки и так далее. Такой подход позволяет формировать необходимые терапевтические поля. Однако он существенно усложняет и удорожает процесс разработки клинического ускорителя для доставки терапевтического электронного пучка.
Новые решения, обеспечивающие высокую точностью изготовления фильтров, быстроту их производства и снижения стоимости, позволят повысить эффективность методов, использующих электронные пучки. Таким решением может быть технология изготовления образцов методом трехмерной печати [5-6]. Данная технология позволит сократить временные затраты до нескольких часов, в сравнении с несколькими днями, для стандартных методов создания алюминиевых выравнивающих фильтров, индивидуальных свинцовых блоков и коллиматоров заданной формы. Также немаловажным преимуществом предложенного метода является его относительно невысокая стоимость, по предварительным оценкам себестоимость создания одного изделия будет составлять порядка одной тысячи рублей, тогда как изготовление стандартной металлической продукции составляет порядка десяти тысяч рублей.
В связи с тем, что форма создаваемых коллимирующих и фильтрующих систем может быть рассчитана с учетом непосредственной задачи, метод может обеспечить быстрое и точное формирование произвольного профиля пучка. Возможность создания фильтров сложной формы позволяет единомоментно формировать поле облучения с неоднородным распределением дозы в объеме мишени. Также метод может позволить добиться повышения точности доставки дозы непосредственно к патологическому очагу и исключить критические органы из поля облучения.
Наиболее распространенным материалом в трехмерной печати является АБС пластик в силу его дешевизны и простоты технологии наплавления [7]. Однако при расчетах формы фильтра может возникнуть ряд особенностей, которые необходимо учитывать.
Таким образом, целью данной магистерской диссертации стала разработка методики формирования поперечных профилей электронных пучков путем создания фильтрующих элементов методами аддитивных технологий.
Для достижения поставленной цели были выполнены такие задачи:
- изучение технической литературы,
- моделирование источника излучения,
- подбор формы и размеров фильтрующего элемента,
- печать исследуемого образца и создание его модели,
- получение и обработка теоретических и экспериментальных данных,
корректировка модели,
- сравнение и анализ результатов,
- составление указаний по реализации предлагаемой методики.
В ходе магистерской диссертации были рассчитаны и экспериментально получены поперечные профили электронного пучка до и после применения разрабатываемых фильтрующих элементов. Для этого была определена форма и рассчитаны геометрические размеры изделия, формирующего определенный профиль электронного пучка, который впоследствии был изготовлен. А также были созданы модель источника излучения - микротрона ТПУ и модели рассчитанных фильтрующих элементов. После анализа результатов были обнаружены несоответствия между экспериментальными и расчетными профилями электронного пучка по форме и по эффективности поглощения, в связи с чем, возникла необходимость проведения корректировки параметров численного моделирования.
Таким образом, следующим этапом стала корректировка модели по плотности готового изделия. Фактическая плотность фильтрующего элемента, предназначенного для формирования электронных пучков, изготовленного при помощи технологии трехмерной печати методом послойного наплавления, была определена массовым и экспериментально-расчетным методами. В ходе исследования определена фактическая плотность фильтра, предназначенного для формирования электронных пучков, изготовленного методом послойного наплавления, равная 0,901 г/см3.
Оценка влияния элементного состава АБС пластика, из которого изготавливаются фильтрующие элементы, на его взаимодействие с электронами показала незначительные изменения формы профиля пучка. Таким образом, корректировка состава АБС пластика в модели не требуется.
Полученные при помощи пленочных дозиметров данные показали, что различие полученных данных по форме обуславливается тем, что интенсивность реального пучка микротрона достаточно резко возрастает к центру, а при построении модели предполагалось, что интенсивность пучка распределена более равномерно.
В ходе магистерской диссертации была разработана и апробирована методика для формирования произвольного профиля электронного пучка, при помощи которой аддитивным методом были созданы фильтрующие элементы, которые были испытаны на электронных ускорителях.
Таким образом, следующим этапом стала корректировка модели по плотности готового изделия. Фактическая плотность фильтрующего элемента, предназначенного для формирования электронных пучков, изготовленного при помощи технологии трехмерной печати методом послойного наплавления, была определена массовым и экспериментально-расчетным методами. В ходе исследования определена фактическая плотность фильтра, предназначенного для формирования электронных пучков, изготовленного методом послойного наплавления, равная 0,901 г/см3.
Оценка влияния элементного состава АБС пластика, из которого изготавливаются фильтрующие элементы, на его взаимодействие с электронами показала незначительные изменения формы профиля пучка. Таким образом, корректировка состава АБС пластика в модели не требуется.
Полученные при помощи пленочных дозиметров данные показали, что различие полученных данных по форме обуславливается тем, что интенсивность реального пучка микротрона достаточно резко возрастает к центру, а при построении модели предполагалось, что интенсивность пучка распределена более равномерно.
В ходе магистерской диссертации была разработана и апробирована методика для формирования произвольного профиля электронного пучка, при помощи которой аддитивным методом были созданы фильтрующие элементы, которые были испытаны на электронных ускорителях.