📄Работа №200897
Тема: ФОРМИРОВАНИЕ ДОЗНЫХ ПОЛЕЙ ИНДИВИДУАЛЬНОЙ КОНФИГУРАЦИИ КЛИНИЧЕСКИХ ПУЧКОВ ЭЛЕКТРОНОВ С ПОМОЩЬЮ ПОЛИМЕРНЫХ ИЗДЕЛИЙ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ПОСРЕДСТВОМ ТЕХНОЛОГИЙ ТРЕХМЕРНОЙ ПЕЧАТИ
Характеристики работы
Тип работы
Диссертация
Предмет
Физика
Объем:
156 листов
Год:
2018
Просмотров:
69
700
руб.
🛒 Купить работу
Не подходит эта работа?
Закажите новую по вашим требованиям
Узнать цену на написание
Закажите новую по вашим требованиям
Представленный материал является образцом учебного исследования, примером структуры и содержания учебного исследования по заявленной теме. Размещён исключительно в информационных и ознакомительных целях.
Workspay.ru оказывает информационные услуги по сбору, обработке и структурированию материалов в соответствии с требованиями заказчика.
Размещение материала не означает публикацию произведения впервые и не предполагает передачу исключительных авторских прав третьим лицам.
Материал не предназначен для дословной сдачи в образовательные организации и требует самостоятельной переработки с соблюдением законодательства Российской Федерации об авторском праве и принципов академической добросовестности.
Авторские права на исходные материалы принадлежат их законным правообладателям. В случае возникновения вопросов, связанных с размещённым материалом, просим направить обращение через форму обратной связи.
Настоящий учебно-методический информационный материал размещён в ознакомительных и исследовательских целях и представляет собой пример учебного исследования. Не является готовым научным трудом и требует самостоятельной переработки.
📋 Содержание
Введение 5
Глава 1. Численное моделирование источников выведенных пучков электронов 20
1.1. Выбор программного пакета для моделирования взаимодействия пучков
электронов с тканеэквивалентными средами 20
1.1.1 Инструментарий численного моделирования взаимодействия
ионизирующего излучения с веществом методом Монте-Карло 22
1.1.2 Сравнение результатов численного моделирования глубинных
распределений поглощенной дозы пучков электронов в водном фантоме
различными программными пакетами 26
1.2. Разработка численной модели источника на основе выведенного
электронного пучка микротрона ТПУ 31
1.3. Разработка численной модели источника терапевтического пучка
электронов клинического линейного ускорителя 37
1.3.1 Методы определения поглощенной дозы клинического пучка электронов
в водном фантоме 40
1.3.2 Экспериментальное определение глубинного распределения дозы терапевтического пучка электронов клинического линейного ускорителя в
водном фантоме 48
1.3.3 Численное моделирование глубинного распределения поглощенной дозы
пучка электронов в водном фантоме 51
Глава 2. Исследование глубинных дозных распределений клинического пучка электронов в полимерных материалах и в образцах, изготовленных посредством технологий трехмерной печати 58
2.1. Численное моделирование глубинных дозных распределений пучка
электронов в полимерных материалах 58
2.2. Экспериментальное определение глубинных дозных распределений пучка
электронов в полимерных образцах, изготовленных с помощью метода быстрого прототипирования 64
2.2.1 Анализ глубинных дозных распределений пучка электронов в
АБС-пластике 70
2.2.2 Анализ глубинных дозных распределений пучка электронов в
HIPS-пластике 73
2.3. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных глубинного распределения поглощенной дозы в полимерных образцах 75
Глава 3. Формирование профиля выведенного электронного пучка микротрона с помощью полимерного выравнивающего фильтра, изготовленного посредством технологий трехмерной печати 83
3.1. Расчет геометрии выравнивающих фильтров 83
3.2. Изготовление выравнивающего фильтра из АБС-пластика 88
3.3. Формирование профиля выведенного электронного пучка микротрона с
помощью выравнивающего фильтра из АБС-пластика 90
3.4. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных
формирования профиля выведенного электронного пучка микротрона 92
3.5 Оценка радиационной стойкости полимерных объектов, изготовленных с помощью трехмерной печати 95
Глава 4. Формирование дозных полей клинических пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати 100
4.1. Формирование сложного профиля дозного поля терапевтического пучка электронов 100
4.1.1 Формирование сложного профиля дозного распределения
терапевтического пучка электронов с помощью тестового объекта, изготовленного из АБС-пластика 111
4.1.2 Формирование сложного профиля дозного распределения
терапевтического пучка электронов с помощью тестового объекта, изготовленного из HIPS-пластика 114
4.2. Формирование поля облучения клинического пучка электронов полимерным коллиматором для реального медицинского случая
дистанционного облучения 117
4.3. Формирование поля облучения клинического пучка электронов полимерным компенсатором сложной формы для случая интраоперационного
облучения 123
Заключение 130
Список литературы 132
Приложение 1 154
Приложение 2 155
Глава 1. Численное моделирование источников выведенных пучков электронов 20
1.1. Выбор программного пакета для моделирования взаимодействия пучков
электронов с тканеэквивалентными средами 20
1.1.1 Инструментарий численного моделирования взаимодействия
ионизирующего излучения с веществом методом Монте-Карло 22
1.1.2 Сравнение результатов численного моделирования глубинных
распределений поглощенной дозы пучков электронов в водном фантоме
различными программными пакетами 26
1.2. Разработка численной модели источника на основе выведенного
электронного пучка микротрона ТПУ 31
1.3. Разработка численной модели источника терапевтического пучка
электронов клинического линейного ускорителя 37
1.3.1 Методы определения поглощенной дозы клинического пучка электронов
в водном фантоме 40
1.3.2 Экспериментальное определение глубинного распределения дозы терапевтического пучка электронов клинического линейного ускорителя в
водном фантоме 48
1.3.3 Численное моделирование глубинного распределения поглощенной дозы
пучка электронов в водном фантоме 51
Глава 2. Исследование глубинных дозных распределений клинического пучка электронов в полимерных материалах и в образцах, изготовленных посредством технологий трехмерной печати 58
2.1. Численное моделирование глубинных дозных распределений пучка
электронов в полимерных материалах 58
2.2. Экспериментальное определение глубинных дозных распределений пучка
электронов в полимерных образцах, изготовленных с помощью метода быстрого прототипирования 64
2.2.1 Анализ глубинных дозных распределений пучка электронов в
АБС-пластике 70
2.2.2 Анализ глубинных дозных распределений пучка электронов в
HIPS-пластике 73
2.3. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных глубинного распределения поглощенной дозы в полимерных образцах 75
Глава 3. Формирование профиля выведенного электронного пучка микротрона с помощью полимерного выравнивающего фильтра, изготовленного посредством технологий трехмерной печати 83
3.1. Расчет геометрии выравнивающих фильтров 83
3.2. Изготовление выравнивающего фильтра из АБС-пластика 88
3.3. Формирование профиля выведенного электронного пучка микротрона с
помощью выравнивающего фильтра из АБС-пластика 90
3.4. Сравнительный анализ экспериментальных и расчетных данных
формирования профиля выведенного электронного пучка микротрона 92
3.5 Оценка радиационной стойкости полимерных объектов, изготовленных с помощью трехмерной печати 95
Глава 4. Формирование дозных полей клинических пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати 100
4.1. Формирование сложного профиля дозного поля терапевтического пучка электронов 100
4.1.1 Формирование сложного профиля дозного распределения
терапевтического пучка электронов с помощью тестового объекта, изготовленного из АБС-пластика 111
4.1.2 Формирование сложного профиля дозного распределения
терапевтического пучка электронов с помощью тестового объекта, изготовленного из HIPS-пластика 114
4.2. Формирование поля облучения клинического пучка электронов полимерным коллиматором для реального медицинского случая
дистанционного облучения 117
4.3. Формирование поля облучения клинического пучка электронов полимерным компенсатором сложной формы для случая интраоперационного
облучения 123
Заключение 130
Список литературы 132
Приложение 1 154
Приложение 2 155
📖 Аннотация
В данной диссертационной работе исследована и разработана методика формирования индивидуальных дозных полей клинических пучков электронов с применением полимерных изделий, изготовленных методами аддитивных технологий. Актуальность исследования обусловлена глобальным ростом онкологической заболеваемости и необходимостью повышения точности и безопасности лучевой терапии, основного метода лечения рака, принцип которой заключается в максимизации дозы в опухоли при минимизации воздействия на окружающие здоровые ткани. Основные результаты включают разработку и верификацию численных моделей в среде Geant4 для расчета распределения дозы в полимерных средах, экспериментальное доказательство радиационной стойкости АБС- и HIPS-пластиков до доз 150 кГр, а также создание и апробацию технологии изготовления индивидуальных полимерных коллиматоров для формирования заданных конфигураций пучка на исследовательских и клинических ускорителях в диапазоне энергий 6–20 МэВ. Научная значимость заключается в развитии методов физико-технического моделирования и обосновании применения новых материалов в радиационной медицине, а практическая – в создании доступной и гибкой технологии персонализированного коллимирования, способной повысить конформность облучения. Работа опирается на фундаментальные исследования в области радиационной онкологии (Bernier, Hall, Giaccia), данные международных организаций о динамике заболеваемости (IARC) и отечественную статистику онкологической помощи (Каприн, Старинский, Петрова).
📖 Введение
Для современного общества проблема онкологических заболеваний остается приоритетной. По данным Всемирной организации здравоохранения количество новых случаев заболевания раком к 2030 году возрастет, достигнув цифры 21,6 миллиона в год (по сравнению с 14 миллионами в 2012 году) [1]. Последние данные свидетельствуют о глобальном увеличении случаев детской онкологии на 13% за последние два десятилетия [2]. В Российской Федерации, ежегодный прирост больных с впервые установленным диагнозом «злокачественные новообразования» за последние пятнадцать лет составляет 2 - 4 % [3]. На сегодняшний день основой эффективного лечения онкологических заболеваний является оперативность, безопасность и комплексный подход, включающий в себя сочетание современных технологий с основными методами лечения, такими как лучевая терапия, хирургическое вмешательство и химиотерапия [4, 5].
Основополагающим принципом лучевой терапии является уничтожение злокачественных клеток при минимизации повреждения нормальных тканей , находящихся вблизи области облучения [4-14]. Дистанционная лучевая терапия составляет почти 90% случаев применения ионизирующего излучения для лечения рака, и проводится с помощью рентгеновских источников, клинических линейных ускорителей, бетатронов, микротронов, циклотронов, синхротронов, а так же гамма терапевтических аппаратов [5-7]. Данный метод включает в себя доставку электромагнитного излучения к очагу, например, рентгеновские пучки и пучки фотонов высоких энергий, или корпускулярного излучения, например, пучки электронов, протонов и ионов [6-9]. Другим подходом является брахитерапия, представляющая собой контактный вид облучения, при котором в организм пациента помещается источник излучения, находящийся в специальной капсуле [10, 11].
Лучевая терапия пучками электронов является одним из основных методов облучения злокачественных новообразований. Преимущества применения электронов в радиотерапии обусловлены особенностями их взаимодействия со средой и заключаются в большей однородности дозы в объеме очага и меньшем уровне дозовой нагрузки в окружающих и глубоко залегающих нормальных тканях, что обеспечивается высоким градиентом дозы в поперечном и продольном направлениях распространения пучка. При этом достигается основная цель лучевой терапии - максимальное поражение опухолевой ткани при минимизации воздействия на нормальную ткань [4-14].
Современные медицинские линейные ускорители генерируют пучки со средней энергией электронов, изменяющейся в диапазоне от 4 до 20 МэВ [12, 14-16]. Пучки электронов в данном энергетическом интервале нашли применение для лечения поверхностных и неглубоко лежащих новообразований (глубина залегания до 6 см). При энергии электронов более 20 МэВ кривые глубинного распределения дозы в области больших глубин теряют свой резкий спад из-за увеличения интенсивности тормозного излучения. Одновременно с этим снижается градиент дозы в поперечном направлении из-за увеличения вклада множественного кулоновского рассеяния, что ведет к уширению дозного поля в объеме мишени. Поэтому ускорители, генерирующие пучки электронов с энергией больше 20 МэВ, не нашли широкого применения в клинической практике [12, 16].
Дистанционная лучевая терапия пучками электронов мегавольтного диапазона энергий началась в конце 1930-х и начале 1940-х годов с созданием генераторов Ван де Граафа и бетатронов. Генератор Ван де Граафа, разработанный в 1937 году в Мемориальной больнице Хантингтона специально для клинических целей Робертом Ван де Граафом и Джоном Трампом, был одним из первых аппаратов, используемых для лучевой терапии пучком электронов [17, 18]. Подобные ускорители были ограничены энергией пучка до 3 МэВ и применялись для лечения грибовидных микозов и других видов рака кожи [12, 17].
Бетатрон был изобретен в конце 1940-х годов Дональдом Вильямом Керстом (США, университет Иллинойса). Эти циклические ускорители, нашедшие свое применение в клинической практике после Второй мировой войны, генерировали пучки электронов в диапазоне энергий до 45 МэВ, что позволяло проводить облучение не только кожных покровов, но и более глубоко залегающих новообразований (до 6 см от поверхности кожи) [12]. На бетатронах проводилась большая часть ранних физических и клинических исследований, в том числе разрабатывался дизайн рассеивающих фольг и конструкции коллиматора для получения однородного профиля пучка заданной формы, создавался алгоритм проведения процедур калибровки и измерения дозы терапевтического пучка электронов [19-22]. За рубежом бетатроны для клинического применения разрабатывались такими производителями как Siemens, Brown Boveri и Allis Chalmers [12, 23]. В СССР Томском политехническом университете работы по созданию бетатронов начались в 1945 году под руководством Воробьева А.А. [24]. Впоследствии бетатроны на энергии 4 - 25 МэВ, разработанные коллективом Томского политехнического университета, нашли свое применение во многих научно-технических лабораториях и исследовательских медицинских центрах [25].
В течение того же периода времени разрабатывались линейные ускорители электронов с энергиями до 60 МэВ с использованием микроволновых источников, которые применялись в радиолокационных системах [12, 16, 26]. К началу 1950-х годов несколько институтов, использовали коммерческие бетатроны или уникальные линейные ускорители для лечения пациентов на регулярной основе [14]. К 1968 году в мире использовалось 137 клинических бетатронов и 79 линейных ускорителя [12]. Ранние линейные ускорители представляли собой большие громоздкие машины, часто с дополнительными помещениями, необходимыми для размещения источников питания, модуляторов и соответствующей электроники [12, 26]. Данный метод лечения использовался в небольшом количестве учреждений вплоть до 1970 года [14]. В 1970-1980 годах развитие ускорительных технологий стимулировало разработку, создание и производство серийных линейных ускорителей, в том числе для медицинских целей [12, 16]. Прогресс в области новых ускоряющих структур, современной электроники, компьютерного контроля, технологии поворотных магнитов и уменьшение максимальной энергии пучка до 20 МэВ привели к созданию относительно компактных машин, вращающих пучок ионизирующего излучения вокруг пациента на 360° [12, 16].
Отдельный класс представляют собой ускорители электронов для проведения интраоперационной лучевой терапии, представляющей подведение однократной высокой дозы ионизирующего излучения непосредственно во время хирургического вмешательства [27-29]. Подобные специализированные аппараты должны быть компактными и мобильными для размещения непосредственно в операционной, оснащены специальными тубусами для доставки дозы и обеспечены биологической защитой врачебного персонала [27]. Для проведения сеансов интраоперационной лучевой терапии широкое применение нашли линейные ускорители Х-диапазона частот (8 - 12 ГГц) и малогабаритные бетатроны [30-33]. Другим решением становится применение пучка электронов клинического линейного ускорителя или микротрона при транспортировке пациента в бункер для облучения [34, 35].
Для реализации целей современной лучевой терапии необходимо обеспечить доставку высокой однократной дозы непосредственно к патологическому очагу [4-14, 36]. Как следствие, к точности определения качественных и количественных характеристик терапевтических полей (определение поглощенной дозы в мишени, измерение профилей терапевтических пучков) предъявляются высокие требования. Каждая конкретная задача выдвигает свои требования, как к форме поля, так и к профилю пучка. Это приводит к необходимости создания и развития способов их модификации, то есть к управлению такими характеристиками, как глубинное распределение дозы электронов, поперечный профиль и расходимость пучка.
Современные аппараты для дистанционной лучевой терапии пучками электронов представляют собой линейные ускорители S-диапазона частот (2 - 4 ГГц) [16]. Несмотря на некоторые различия в дизайне аппаратов у разных производителей, например, такие как использование ускоряющих структур на стоячей или бегущей волне, дизайн магнетрона или клистрона, различия в конструкциях поворотных магнитов в системе транспортировки пучка, все аппараты имеют терапевтическую головку, состоящую из ряда важных частей, связанных с формированием, коллимацией и контролем пучка [12, 16].
Классическая схема доставки терапевтического пучка электронов современных медицинских ускорителей представляет собой сочетание фильтрующих фольг и коллимирующих устройств [12, 36, 37]. Из ускорительной системы медицинских аппаратов пучок электронов выходит в виде узкого пучка, затем данный пучок проходит через систему формирования, состоящую из двух фольг. На первой рассеивающей фольге узкий электронный пучок превращается в расходящийся. Вторая фольга, так называемый выравнивающий фильтр, используется для создания однородного профиля пучка электронов [38, 39]. В коллимационную систему ускорителя входят первичный и вторичный коллиматоры, позволяющие формировать поля облучения прямоугольной формы на выходе из терапевтической головки аппарата [12, 36, 37].
Современные клинические линейные ускорители позволяют проводить облучение пучками, как высокоэнергетических электронов, так и фотонов. Для генерации фотонного излучения на пути следования пучка электронов помещается выдвижная металлическая мишень, при взаимодействии с которой образуется тормозное излучение [16]. Для обеспечения конформности облучения (точного совпадения поля облучения с контуром опухоли) головка ускорителя может быть оснащена дополнительным мультилепестковым коллиматором, состоящим из множества подвижных пластин. Данный коллиматор позволяет формировать поля сложной формы для фотонного излучения [36]. Применение такого мультилепесткового коллиматора для формирования пучков электронов ограничено с одной стороны образованием дополнительного загрязняющего тормозного излучения при взаимодействии с материалом коллиматора, с другой стороны изменением формы поля связанного с рассеянием электронов на воздухе. В настоящее время ведутся исследования по возможности использования встроенного мультилепесткового коллиматора для проведения электронной лучевой терапии с модуляцией интенсивности (MERT), которые показали, что необходимо существенно уменьшать воздушный зазор между пациентом и головкой ускорителя (до 30 см), что накладывает ограничения на угол падения пучка, так как при повороте гантри происходит столкновение головки аппарата со столом [40-42]. Другим аспектом использования лучевой терапии с модуляцией интенсивности стала необходимость применения более точных алгоритмов расчета дозы при проведении дозиметрического планирования, что существенно увеличивает время расчета [42-44].
Другой ряд исследований по формированию терапевтического пучка электронов связан с разработкой специальных дополнительных коллиматоров, фиксирующихся с помощью опорных рамок к головке ускорителя и расположенных близко к поверхности пациента (до 10 см). В работе [45] представлен упрощенный коллиматор (FLEC), состоящий из четырех моторизованных пластин для проведения лучевой терапии с модуляцией интенсивности прямоугольными пучками электронов. В ряде исследований [46-51] представлены прототипы мультилепестковых коллиматоров для пучков электронов (eMLC). К недостаткам подобных разработок можно отнести громоздкость конструкции (вес более 30 кг), наличие большого количества двигателей в непосредственной близости от пациента, сложность обеспечения гарантии качества системы перемещения лепестков и доставки дозы, возможность применения только для прямого падения пучка, так как при наклоне системы возникает прогиб крепежной рамы [45-51].
На сегодняшний день вышеописанные подходы формирования терапевтических полей электронов с применением как встроенного так и дополнительного мультилепесткового коллиматора находятся на стадии экспериментальных исследований и не нашли широкого распространения в повседневной клинической практике.
Ограничения на конструкцию коллимационной системы линейного ускорителя, связанные с размером и весом терапевтической головки аппарата, привели к появлению дополнительных аппликаторов для формирования полей облучения. Применение подобных устройств, фиксированных по размеру поля и представляющих собой металлические пластины или тубусы, является «золотым стандартом» [12]. Передний край такого аппликатора находится на расстоянии 5 см от поверхности пациента в геометрии, где стандартное расстояние источник- поверхность (РИП) составляет 100 см, что позволяет избежать уширения пучка электронов при рассеянии на воздухе и доставить к пациенту поле облучения строго заданной формы [16].
Вопросом доставки выведенного терапевтического пучка электронов занимаются все производители современных клинических ускорителей, например, такие как Elekta, Varian, Siemens, при этом в комплектацию установок входят стандартные наборы аппликаторов, позволяющие формировать поля только круглой или прямоугольной формы с заданными размерами и равномерным распределением дозы в объеме мишени [52-54]. Для формирования границ фигурных полей облучения медицинские аппараты дополнительно комплектуются набором металлических блоков
[52-55]. Однако ограниченный состав таких наборов не позволяет формировать пучки произвольной сложной формы, для обеспечения конформности облучения. Тот факт, что данные блоки устанавливаются оператором вручную для каждого сеанса облучения, ведет к увеличению времени подготовки к лечению, а человеческий фактор вносит погрешность в точность доставки дозы.
Другим решением становится применение специально изготовленных индивидуальных металлических коллиматоров сложной формы [16, 55]. Данные изделия используются в качестве дополнения к стандартным аппликаторам аппарата. Для их изготовления используется резка или отливка из специальных металлических сплавов [56-58]. Необходимо отметить, что работа с такими установками накладывает значительные ограничения, связанные с токсичностью металлических паров (в сплавах применяются кадмий, висмут, свинец), стоимостью оборудования, необходимостью проведения работ в специальных помещениях с системой вентиляции, необходимой квалификацией персонала и временными затратами на изготовление металлических изделий.
Вышеописанные подходы не позволяют сформировать распределение дозы терапевтического пучка электронов в соответствии с особенностями тела человека с заданной точностью, поскольку они не учитывают сложность процессов взаимодействия электронов как вблизи границ раздела двух сред воздух-кожа [59], так и с внутренними органами различной плотности [60, 61]. Решением становятся тканеэквивалентные болюсы, которые располагаются в непосредственном контакте с пациентом, либо металлические компенсаторы, которые располагаются на заданном расстоянии от поверхности кожи [36, 62, 63]. Болюс и компенсатор необходимо изготавливать индивидуально для каждого пациента. Применение подобных устройств, для модификации профиля терапевтического пучка электронов дополнительно к коллимирующим системам, значительно увеличивает время подготовки к лечению, как при планировании, так и непосредственно перед проведением каждого сеанса лучевой терапии.
В рамках настоящей диссертационной работы предложен альтернативный подход, основанный на применении полимерных изделий в качестве элементов формирующих пучок электронов, изготовленных посредством применения технологий быстрого прототипирования.
На сегодняшний день уровень развития технологий трехмерной печати отвечает требованиям к точности и качеству изготовления изделий, и , благодаря своей доступности, находит широкое применение в медицине [64-66]. Скорость и простота трехмерной печати из полимеров на современных устройствах обеспечивают преимущества перед методами, в основе которых лежит использование металла. Применение таких изделий для формирования терапевтических полей электронов индивидуальной конфигурации позволит оперативно и качественно решать клинические задачи и повысить эффективность методов лечения, использующих пучки электронов. Ряд недавних исследований, проведенных на клинических фантомах, показал эффективность применения трехмерной печати в качестве способа изготовления болюсов, как для дистанционной лучевой терапии пучками фотонов и электронов [67-70], так и для контактной лучевой терапии гамма-излучением [70-72].
Целью диссертационной работы является разработка способа формирования терапевтических электронных полей с заданными параметрами дозного распределения в объеме мишени с применением полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати.
В соответствии с общей целью работы в диссертации решаются следующие основные задачи:
• разработка программного кода для расчета дозного распределения пучков электронов в тканеэквивалентных средах;
• исследование возможности применения полимерных объектов для формирования полей электронов;
• выбор полимерных материалов пригодных для устройств трехмерной печати и эксплуатации формирующих элементов;
• экспериментальная оценка радиационной стойкости полимерных материалов и изделий из них, изготовленных методами трехмерной печати;
• расчет геометрических параметров и изготовление методами трехмерной печати формирующих полимерных образцов;
• оценка эффективности применения полимерных изделий, изготовленных методами трехмерной печати, для формирования дозных полей клинических пучков электронов заданной конфигурации, в сравнении с традиционно используемыми металлическими формирующими изделиями.
Научная новизна
Разработан и апробирован способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации клинических пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати.
Проведено сравнение экспериментальных и расчетных распределений дозы электронного пучка с энергией 6 - 20 МэВ в АБС- и HIPS-пластиках, пригодных для изготовления изделий с помощью технологий трехмерной печати, и показано их хорошее согласие.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати выравнивающий фильтр из АБС-пластика. Показана возможность применения подобных элементов для формирования однородного поля облучения.
Исследована радиационная стойкость АБС-пластика. Показано, что в диапазоне поглощенных доз до 150 кГр материал сохраняет свои свойства, влияющие на процесс формирования электронного поля облучения.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати коллиматор сложной формы из HIPS-пластика для случая дистанционного облучения злокачественного новообразования. Проведено сравнение характеристик дозных полей электронов, полученных с помощью полимерного и металлического коллиматоров, показано их хорошее согласие. Обоснована эффективность предложенного способа для формирования терапевтических пучков электронов в клинических условиях.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати компенсатор из HIPS-пластика для процедур интраоперационного облучения. Показана возможность модификации профиля пучка для формирования заданного распределения дозы в объеме мишени.
Практическая значимость работы
Предложенный и апробированный в работе, способ формирования полей электронов индивидуальной конфигурации с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством применения технологий трехмерной печати, найдет применение для решения клинических и производственных задач по модификации профиля пучка и распределения дозы в объеме мишени.
Разработанные программные коды, выполненные с использованием инструментария GEANT4 и программы PCLab «Компьютерная лаборатория», учитывающие параметры пучка электронов и характер взаимодействия частиц с пластиковыми материалами (АБС и HIPS), позволят рассчитывать необходимые характеристики поля облучения и геометрические параметры формирующего элемента.
Основные положения, выносимые на защиту:
Предложенный способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации клинических пучков электронов, основан на использовании полимерных объектов, изготовленных посредством технологий трехмерной печати, для создания полей облучения с такими же характеристиками, как при применении стандартных металлических изделий.
Разработана численная модель, позволяющая рассчитать распределения поглощенной дозы пучков электронов с энергией 6 - 20 МэВ с учетом конкретных экспериментальных условий в тканеэквивалентных средах, в том числе в полимерных материалах, пригодных для изготовления изделий методами трехмерной печати.
Применение полимерного выравнивающего фильтра, изготовленного посредством технологий трехмерной печати, позволяет формировать заданный профиль электронного пучка микротрона с энергией 6,1 МэВ, имеющего неравномерное исходное распределение интенсивности в поперечном сечении. Экспериментально показано, что в диапазоне доз до 150 кГр полимерные материалы сохраняют свойства, обеспечивающие формирование полей облучения.
Экспериментально показана эффективность применения полимерных коллиматоров, фильтров, болюсов и компенсаторов, изготовленных методами трехмерной печати, для формирования профилей клинических пучков электронов в диапазоне энергий 6 - 20 МэВ, имеющих однородное распределение дозы в поперечном сечении пучка и высокий спадающий градиент на краях.
Степень достоверности полученных результатов
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается применением известных и апробированных программных пакетов для численного моделирования, их непротиворечивостью, сравнением результатов с экспериментальными данными и теоретическими оценками, представленными в авторитетных научных работах. Достоверность экспериментальных данных полученных в работе обеспечивается применением современных средств и методик проведения клинической дозиметрии.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих мероприятиях:
1. Конгресс молодых ученых «Актуальные вопросы фундаментальной и клинической медицины», г. Томск, Россия, 2018.
2. 52-я Зимняя Школа Петербургского Института Ядерной Физики НИЦ «Курчатовский Институт», пос. Рощино, Россия, 2018.
3. XII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-17), г. Гамбург, Германия, 2017.
4. XII Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц, посвященный памяти В.П. Саранцева, г. Алушта, Россия, 2017.
5. ХП Всероссийская конференция молодых ученых-онкологов, посвященная памяти академика РАМН Н.В. Васильева «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической онкологии», г. Томск, Россия, 2017.
6. 29th Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM’16, г. Барселона, Испания, 2016.
7. XXV Russian Particle Accelerators Conference, г. Петергоф, Россия, 2016.
8. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2016.
9. RACIRI Summer School 2016: Convergent Science and Technology for Society, пос. Репино, Россия, 2016.
10. XII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, Россия, 2015.
11. XI Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева, г. Алушта, Россия, 2015.
12. VI Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2015.
13. XXIV Russian Particle Accelerators Conference, г. Обнинск, Россия, 2014.
14. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, Россия, 2013.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в выборе применяемых методов исследований, решении задач, разработке программных кодов для численного моделирования, выборе клинических случаев, проведении экспериментальных и численных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке научных публикаций по теме исследования. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад соавторов в основные публикации не превышал 30% от общего объема работы.
Список публикаций
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 9 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, из них 3 статьи в изданиях, включенных в списки ВАК, 6 статей в зарубежных изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, 8 тезисов докладов на международных научных конференциях.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Милойчикова, И. А. Анализ прохождения плоскопараллельных пучков электронов через различные среды методами численного моделирования / И. А. Милойчикова, В. И. Беспалов, А. А. Красных, С. Г. Стучебров, Ю. М. Черепенников, Р. Р. Дусаев // Известия вузов. Физика. - 2017 - Т. 60 - № 12. - C. 57-63.
2. Miloichikova, I. A. Analysis of Plane-Parallel Electron Beam Propagation in Different Media by Numerical Simulation Methods / I. A. Miloichikova, V. I. Bespalov, A. A Krasnykh, S. G. Stuchebrov, Yu. M. Cherepennikov, R. R. Dusaev // Russian Physics Journal: 2018. - Pp. 1-8.
3. Милойчикова, И. А. Анализ характера взаимодействия электронных пучков с модифицированным АБС-пластиком / А. A. Красных, И. А. Милойчикова, С. Г. Стучебров // Вестник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. - 2017 - Т. 6 - №. 2. - C. 108-112.
4. Miloichikova, I. A. Simulation of the microtron electron beam profile formation using flattening filters / I. A. Miloichikova, S. G. Stuchebrov, I. B. Danilova, G. A. Naumenko // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2016. - Vol. 17. - № 3. - Pp. 890-892.
5. Miloichikova, I. A. Formation of electron beam fields with 3D printed filters / I. A. Miloichikova, A. A Krasnykh, I. B. Danilova, S. G. Stuchebrov, V. A. Kudrina // AIP Conference Proceedings. - 2016. - Vol. 1772. - Article number 060016 - Pp. 1-7.
6. Miloichikova, I. A. Numerical simulation of the medical linear accelerator
electron beams absorption by ABS-plastic doped with metal / S. G. Stuchebrov, I. A. Miloichikova, A. A Krasnykh // AIP Conference Proceedings. - 2016. -
Vol. 732. - Article number 012033 - Pp. 1-6.
7. Miloichikova, I. A. Numerical simulation of the microtron electron beam
absorption by the modified ABS-plastic / S. G. Stuchebrov, I. A. Miloichikova, A. L. Melnikov, M. A. Pereverzeva // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 671. - Article number 012036 - Pp. 1-5.
8. Miloichikova, I. A. Application of traditional and nanostructure materials for medical electron beams collimation: numerical simulation / I. A. Miloichikova, S. G. Stuchebrov, G. K. Zhaksybayeva, A. R. Wagner // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 98. - Article number 012011 - Pp. 1-6.
9. Miloichikova, I. A. Comparison of the calculated and experimental data of the extracted electron beam profile / I. A. Miloichikova, A. -. Povolna, S. G. Stuchebrov, G. A. Naumenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 93. - Article number 012067 - Pp. 1-4.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 204 библиографические ссылки. Общий объем диссертации составляет 155 страниц и включает 81 рисунок и 14 таблиц.
Основополагающим принципом лучевой терапии является уничтожение злокачественных клеток при минимизации повреждения нормальных тканей , находящихся вблизи области облучения [4-14]. Дистанционная лучевая терапия составляет почти 90% случаев применения ионизирующего излучения для лечения рака, и проводится с помощью рентгеновских источников, клинических линейных ускорителей, бетатронов, микротронов, циклотронов, синхротронов, а так же гамма терапевтических аппаратов [5-7]. Данный метод включает в себя доставку электромагнитного излучения к очагу, например, рентгеновские пучки и пучки фотонов высоких энергий, или корпускулярного излучения, например, пучки электронов, протонов и ионов [6-9]. Другим подходом является брахитерапия, представляющая собой контактный вид облучения, при котором в организм пациента помещается источник излучения, находящийся в специальной капсуле [10, 11].
Лучевая терапия пучками электронов является одним из основных методов облучения злокачественных новообразований. Преимущества применения электронов в радиотерапии обусловлены особенностями их взаимодействия со средой и заключаются в большей однородности дозы в объеме очага и меньшем уровне дозовой нагрузки в окружающих и глубоко залегающих нормальных тканях, что обеспечивается высоким градиентом дозы в поперечном и продольном направлениях распространения пучка. При этом достигается основная цель лучевой терапии - максимальное поражение опухолевой ткани при минимизации воздействия на нормальную ткань [4-14].
Современные медицинские линейные ускорители генерируют пучки со средней энергией электронов, изменяющейся в диапазоне от 4 до 20 МэВ [12, 14-16]. Пучки электронов в данном энергетическом интервале нашли применение для лечения поверхностных и неглубоко лежащих новообразований (глубина залегания до 6 см). При энергии электронов более 20 МэВ кривые глубинного распределения дозы в области больших глубин теряют свой резкий спад из-за увеличения интенсивности тормозного излучения. Одновременно с этим снижается градиент дозы в поперечном направлении из-за увеличения вклада множественного кулоновского рассеяния, что ведет к уширению дозного поля в объеме мишени. Поэтому ускорители, генерирующие пучки электронов с энергией больше 20 МэВ, не нашли широкого применения в клинической практике [12, 16].
Дистанционная лучевая терапия пучками электронов мегавольтного диапазона энергий началась в конце 1930-х и начале 1940-х годов с созданием генераторов Ван де Граафа и бетатронов. Генератор Ван де Граафа, разработанный в 1937 году в Мемориальной больнице Хантингтона специально для клинических целей Робертом Ван де Граафом и Джоном Трампом, был одним из первых аппаратов, используемых для лучевой терапии пучком электронов [17, 18]. Подобные ускорители были ограничены энергией пучка до 3 МэВ и применялись для лечения грибовидных микозов и других видов рака кожи [12, 17].
Бетатрон был изобретен в конце 1940-х годов Дональдом Вильямом Керстом (США, университет Иллинойса). Эти циклические ускорители, нашедшие свое применение в клинической практике после Второй мировой войны, генерировали пучки электронов в диапазоне энергий до 45 МэВ, что позволяло проводить облучение не только кожных покровов, но и более глубоко залегающих новообразований (до 6 см от поверхности кожи) [12]. На бетатронах проводилась большая часть ранних физических и клинических исследований, в том числе разрабатывался дизайн рассеивающих фольг и конструкции коллиматора для получения однородного профиля пучка заданной формы, создавался алгоритм проведения процедур калибровки и измерения дозы терапевтического пучка электронов [19-22]. За рубежом бетатроны для клинического применения разрабатывались такими производителями как Siemens, Brown Boveri и Allis Chalmers [12, 23]. В СССР Томском политехническом университете работы по созданию бетатронов начались в 1945 году под руководством Воробьева А.А. [24]. Впоследствии бетатроны на энергии 4 - 25 МэВ, разработанные коллективом Томского политехнического университета, нашли свое применение во многих научно-технических лабораториях и исследовательских медицинских центрах [25].
В течение того же периода времени разрабатывались линейные ускорители электронов с энергиями до 60 МэВ с использованием микроволновых источников, которые применялись в радиолокационных системах [12, 16, 26]. К началу 1950-х годов несколько институтов, использовали коммерческие бетатроны или уникальные линейные ускорители для лечения пациентов на регулярной основе [14]. К 1968 году в мире использовалось 137 клинических бетатронов и 79 линейных ускорителя [12]. Ранние линейные ускорители представляли собой большие громоздкие машины, часто с дополнительными помещениями, необходимыми для размещения источников питания, модуляторов и соответствующей электроники [12, 26]. Данный метод лечения использовался в небольшом количестве учреждений вплоть до 1970 года [14]. В 1970-1980 годах развитие ускорительных технологий стимулировало разработку, создание и производство серийных линейных ускорителей, в том числе для медицинских целей [12, 16]. Прогресс в области новых ускоряющих структур, современной электроники, компьютерного контроля, технологии поворотных магнитов и уменьшение максимальной энергии пучка до 20 МэВ привели к созданию относительно компактных машин, вращающих пучок ионизирующего излучения вокруг пациента на 360° [12, 16].
Отдельный класс представляют собой ускорители электронов для проведения интраоперационной лучевой терапии, представляющей подведение однократной высокой дозы ионизирующего излучения непосредственно во время хирургического вмешательства [27-29]. Подобные специализированные аппараты должны быть компактными и мобильными для размещения непосредственно в операционной, оснащены специальными тубусами для доставки дозы и обеспечены биологической защитой врачебного персонала [27]. Для проведения сеансов интраоперационной лучевой терапии широкое применение нашли линейные ускорители Х-диапазона частот (8 - 12 ГГц) и малогабаритные бетатроны [30-33]. Другим решением становится применение пучка электронов клинического линейного ускорителя или микротрона при транспортировке пациента в бункер для облучения [34, 35].
Для реализации целей современной лучевой терапии необходимо обеспечить доставку высокой однократной дозы непосредственно к патологическому очагу [4-14, 36]. Как следствие, к точности определения качественных и количественных характеристик терапевтических полей (определение поглощенной дозы в мишени, измерение профилей терапевтических пучков) предъявляются высокие требования. Каждая конкретная задача выдвигает свои требования, как к форме поля, так и к профилю пучка. Это приводит к необходимости создания и развития способов их модификации, то есть к управлению такими характеристиками, как глубинное распределение дозы электронов, поперечный профиль и расходимость пучка.
Современные аппараты для дистанционной лучевой терапии пучками электронов представляют собой линейные ускорители S-диапазона частот (2 - 4 ГГц) [16]. Несмотря на некоторые различия в дизайне аппаратов у разных производителей, например, такие как использование ускоряющих структур на стоячей или бегущей волне, дизайн магнетрона или клистрона, различия в конструкциях поворотных магнитов в системе транспортировки пучка, все аппараты имеют терапевтическую головку, состоящую из ряда важных частей, связанных с формированием, коллимацией и контролем пучка [12, 16].
Классическая схема доставки терапевтического пучка электронов современных медицинских ускорителей представляет собой сочетание фильтрующих фольг и коллимирующих устройств [12, 36, 37]. Из ускорительной системы медицинских аппаратов пучок электронов выходит в виде узкого пучка, затем данный пучок проходит через систему формирования, состоящую из двух фольг. На первой рассеивающей фольге узкий электронный пучок превращается в расходящийся. Вторая фольга, так называемый выравнивающий фильтр, используется для создания однородного профиля пучка электронов [38, 39]. В коллимационную систему ускорителя входят первичный и вторичный коллиматоры, позволяющие формировать поля облучения прямоугольной формы на выходе из терапевтической головки аппарата [12, 36, 37].
Современные клинические линейные ускорители позволяют проводить облучение пучками, как высокоэнергетических электронов, так и фотонов. Для генерации фотонного излучения на пути следования пучка электронов помещается выдвижная металлическая мишень, при взаимодействии с которой образуется тормозное излучение [16]. Для обеспечения конформности облучения (точного совпадения поля облучения с контуром опухоли) головка ускорителя может быть оснащена дополнительным мультилепестковым коллиматором, состоящим из множества подвижных пластин. Данный коллиматор позволяет формировать поля сложной формы для фотонного излучения [36]. Применение такого мультилепесткового коллиматора для формирования пучков электронов ограничено с одной стороны образованием дополнительного загрязняющего тормозного излучения при взаимодействии с материалом коллиматора, с другой стороны изменением формы поля связанного с рассеянием электронов на воздухе. В настоящее время ведутся исследования по возможности использования встроенного мультилепесткового коллиматора для проведения электронной лучевой терапии с модуляцией интенсивности (MERT), которые показали, что необходимо существенно уменьшать воздушный зазор между пациентом и головкой ускорителя (до 30 см), что накладывает ограничения на угол падения пучка, так как при повороте гантри происходит столкновение головки аппарата со столом [40-42]. Другим аспектом использования лучевой терапии с модуляцией интенсивности стала необходимость применения более точных алгоритмов расчета дозы при проведении дозиметрического планирования, что существенно увеличивает время расчета [42-44].
Другой ряд исследований по формированию терапевтического пучка электронов связан с разработкой специальных дополнительных коллиматоров, фиксирующихся с помощью опорных рамок к головке ускорителя и расположенных близко к поверхности пациента (до 10 см). В работе [45] представлен упрощенный коллиматор (FLEC), состоящий из четырех моторизованных пластин для проведения лучевой терапии с модуляцией интенсивности прямоугольными пучками электронов. В ряде исследований [46-51] представлены прототипы мультилепестковых коллиматоров для пучков электронов (eMLC). К недостаткам подобных разработок можно отнести громоздкость конструкции (вес более 30 кг), наличие большого количества двигателей в непосредственной близости от пациента, сложность обеспечения гарантии качества системы перемещения лепестков и доставки дозы, возможность применения только для прямого падения пучка, так как при наклоне системы возникает прогиб крепежной рамы [45-51].
На сегодняшний день вышеописанные подходы формирования терапевтических полей электронов с применением как встроенного так и дополнительного мультилепесткового коллиматора находятся на стадии экспериментальных исследований и не нашли широкого распространения в повседневной клинической практике.
Ограничения на конструкцию коллимационной системы линейного ускорителя, связанные с размером и весом терапевтической головки аппарата, привели к появлению дополнительных аппликаторов для формирования полей облучения. Применение подобных устройств, фиксированных по размеру поля и представляющих собой металлические пластины или тубусы, является «золотым стандартом» [12]. Передний край такого аппликатора находится на расстоянии 5 см от поверхности пациента в геометрии, где стандартное расстояние источник- поверхность (РИП) составляет 100 см, что позволяет избежать уширения пучка электронов при рассеянии на воздухе и доставить к пациенту поле облучения строго заданной формы [16].
Вопросом доставки выведенного терапевтического пучка электронов занимаются все производители современных клинических ускорителей, например, такие как Elekta, Varian, Siemens, при этом в комплектацию установок входят стандартные наборы аппликаторов, позволяющие формировать поля только круглой или прямоугольной формы с заданными размерами и равномерным распределением дозы в объеме мишени [52-54]. Для формирования границ фигурных полей облучения медицинские аппараты дополнительно комплектуются набором металлических блоков
[52-55]. Однако ограниченный состав таких наборов не позволяет формировать пучки произвольной сложной формы, для обеспечения конформности облучения. Тот факт, что данные блоки устанавливаются оператором вручную для каждого сеанса облучения, ведет к увеличению времени подготовки к лечению, а человеческий фактор вносит погрешность в точность доставки дозы.
Другим решением становится применение специально изготовленных индивидуальных металлических коллиматоров сложной формы [16, 55]. Данные изделия используются в качестве дополнения к стандартным аппликаторам аппарата. Для их изготовления используется резка или отливка из специальных металлических сплавов [56-58]. Необходимо отметить, что работа с такими установками накладывает значительные ограничения, связанные с токсичностью металлических паров (в сплавах применяются кадмий, висмут, свинец), стоимостью оборудования, необходимостью проведения работ в специальных помещениях с системой вентиляции, необходимой квалификацией персонала и временными затратами на изготовление металлических изделий.
Вышеописанные подходы не позволяют сформировать распределение дозы терапевтического пучка электронов в соответствии с особенностями тела человека с заданной точностью, поскольку они не учитывают сложность процессов взаимодействия электронов как вблизи границ раздела двух сред воздух-кожа [59], так и с внутренними органами различной плотности [60, 61]. Решением становятся тканеэквивалентные болюсы, которые располагаются в непосредственном контакте с пациентом, либо металлические компенсаторы, которые располагаются на заданном расстоянии от поверхности кожи [36, 62, 63]. Болюс и компенсатор необходимо изготавливать индивидуально для каждого пациента. Применение подобных устройств, для модификации профиля терапевтического пучка электронов дополнительно к коллимирующим системам, значительно увеличивает время подготовки к лечению, как при планировании, так и непосредственно перед проведением каждого сеанса лучевой терапии.
В рамках настоящей диссертационной работы предложен альтернативный подход, основанный на применении полимерных изделий в качестве элементов формирующих пучок электронов, изготовленных посредством применения технологий быстрого прототипирования.
На сегодняшний день уровень развития технологий трехмерной печати отвечает требованиям к точности и качеству изготовления изделий, и , благодаря своей доступности, находит широкое применение в медицине [64-66]. Скорость и простота трехмерной печати из полимеров на современных устройствах обеспечивают преимущества перед методами, в основе которых лежит использование металла. Применение таких изделий для формирования терапевтических полей электронов индивидуальной конфигурации позволит оперативно и качественно решать клинические задачи и повысить эффективность методов лечения, использующих пучки электронов. Ряд недавних исследований, проведенных на клинических фантомах, показал эффективность применения трехмерной печати в качестве способа изготовления болюсов, как для дистанционной лучевой терапии пучками фотонов и электронов [67-70], так и для контактной лучевой терапии гамма-излучением [70-72].
Целью диссертационной работы является разработка способа формирования терапевтических электронных полей с заданными параметрами дозного распределения в объеме мишени с применением полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати.
В соответствии с общей целью работы в диссертации решаются следующие основные задачи:
• разработка программного кода для расчета дозного распределения пучков электронов в тканеэквивалентных средах;
• исследование возможности применения полимерных объектов для формирования полей электронов;
• выбор полимерных материалов пригодных для устройств трехмерной печати и эксплуатации формирующих элементов;
• экспериментальная оценка радиационной стойкости полимерных материалов и изделий из них, изготовленных методами трехмерной печати;
• расчет геометрических параметров и изготовление методами трехмерной печати формирующих полимерных образцов;
• оценка эффективности применения полимерных изделий, изготовленных методами трехмерной печати, для формирования дозных полей клинических пучков электронов заданной конфигурации, в сравнении с традиционно используемыми металлическими формирующими изделиями.
Научная новизна
Разработан и апробирован способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации клинических пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати.
Проведено сравнение экспериментальных и расчетных распределений дозы электронного пучка с энергией 6 - 20 МэВ в АБС- и HIPS-пластиках, пригодных для изготовления изделий с помощью технологий трехмерной печати, и показано их хорошее согласие.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати выравнивающий фильтр из АБС-пластика. Показана возможность применения подобных элементов для формирования однородного поля облучения.
Исследована радиационная стойкость АБС-пластика. Показано, что в диапазоне поглощенных доз до 150 кГр материал сохраняет свои свойства, влияющие на процесс формирования электронного поля облучения.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати коллиматор сложной формы из HIPS-пластика для случая дистанционного облучения злокачественного новообразования. Проведено сравнение характеристик дозных полей электронов, полученных с помощью полимерного и металлического коллиматоров, показано их хорошее согласие. Обоснована эффективность предложенного способа для формирования терапевтических пучков электронов в клинических условиях.
Впервые разработан и изготовлен при помощи технологий трехмерной печати компенсатор из HIPS-пластика для процедур интраоперационного облучения. Показана возможность модификации профиля пучка для формирования заданного распределения дозы в объеме мишени.
Практическая значимость работы
Предложенный и апробированный в работе, способ формирования полей электронов индивидуальной конфигурации с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством применения технологий трехмерной печати, найдет применение для решения клинических и производственных задач по модификации профиля пучка и распределения дозы в объеме мишени.
Разработанные программные коды, выполненные с использованием инструментария GEANT4 и программы PCLab «Компьютерная лаборатория», учитывающие параметры пучка электронов и характер взаимодействия частиц с пластиковыми материалами (АБС и HIPS), позволят рассчитывать необходимые характеристики поля облучения и геометрические параметры формирующего элемента.
Основные положения, выносимые на защиту:
Предложенный способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации клинических пучков электронов, основан на использовании полимерных объектов, изготовленных посредством технологий трехмерной печати, для создания полей облучения с такими же характеристиками, как при применении стандартных металлических изделий.
Разработана численная модель, позволяющая рассчитать распределения поглощенной дозы пучков электронов с энергией 6 - 20 МэВ с учетом конкретных экспериментальных условий в тканеэквивалентных средах, в том числе в полимерных материалах, пригодных для изготовления изделий методами трехмерной печати.
Применение полимерного выравнивающего фильтра, изготовленного посредством технологий трехмерной печати, позволяет формировать заданный профиль электронного пучка микротрона с энергией 6,1 МэВ, имеющего неравномерное исходное распределение интенсивности в поперечном сечении. Экспериментально показано, что в диапазоне доз до 150 кГр полимерные материалы сохраняют свойства, обеспечивающие формирование полей облучения.
Экспериментально показана эффективность применения полимерных коллиматоров, фильтров, болюсов и компенсаторов, изготовленных методами трехмерной печати, для формирования профилей клинических пучков электронов в диапазоне энергий 6 - 20 МэВ, имеющих однородное распределение дозы в поперечном сечении пучка и высокий спадающий градиент на краях.
Степень достоверности полученных результатов
Степень достоверности полученных результатов обеспечивается применением известных и апробированных программных пакетов для численного моделирования, их непротиворечивостью, сравнением результатов с экспериментальными данными и теоретическими оценками, представленными в авторитетных научных работах. Достоверность экспериментальных данных полученных в работе обеспечивается применением современных средств и методик проведения клинической дозиметрии.
Апробация работы
Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих мероприятиях:
1. Конгресс молодых ученых «Актуальные вопросы фундаментальной и клинической медицины», г. Томск, Россия, 2018.
2. 52-я Зимняя Школа Петербургского Института Ядерной Физики НИЦ «Курчатовский Институт», пос. Рощино, Россия, 2018.
3. XII International Symposium «Radiation from Relativistic Electrons in Periodic Structures» (RREPS-17), г. Гамбург, Германия, 2017.
4. XII Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц, посвященный памяти В.П. Саранцева, г. Алушта, Россия, 2017.
5. ХП Всероссийская конференция молодых ученых-онкологов, посвященная памяти академика РАМН Н.В. Васильева «Актуальные вопросы экспериментальной и клинической онкологии», г. Томск, Россия, 2017.
6. 29th Annual Congress of the European Association of Nuclear Medicine - EANM’16, г. Барселона, Испания, 2016.
7. XXV Russian Particle Accelerators Conference, г. Петергоф, Россия, 2016.
8. VII Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2016.
9. RACIRI Summer School 2016: Convergent Science and Technology for Society, пос. Репино, Россия, 2016.
10. XII Международная конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Перспективы развития фундаментальных наук», г. Томск, Россия, 2015.
11. XI Международный семинар по проблемам ускорителей заряженных частиц памяти В.П.Саранцева, г. Алушта, Россия, 2015.
12. VI Школа-конференция молодых атомщиков Сибири, г. Томск, Россия, 2015.
13. XXIV Russian Particle Accelerators Conference, г. Обнинск, Россия, 2014.
14. Всероссийская научная конференция молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации», г. Новосибирск, Россия, 2013.
Личный вклад автора
Личный вклад автора состоит в выборе применяемых методов исследований, решении задач, разработке программных кодов для численного моделирования, выборе клинических случаев, проведении экспериментальных и численных исследований, анализе и интерпретации полученных результатов, формулировке выводов и положений, выносимых на защиту, подготовке научных публикаций по теме исследования. Результаты, представленные в диссертации, получены автором лично. Вклад соавторов в основные публикации не превышал 30% от общего объема работы.
Список публикаций
По материалам диссертации опубликовано 24 работы, в том числе 9 статей в журналах, входящих в перечень рецензируемых научных журналов, из них 3 статьи в изданиях, включенных в списки ВАК, 6 статей в зарубежных изданиях, индексируемых базами данных Scopus и Web of Science, 8 тезисов докладов на международных научных конференциях.
Основные публикации по теме диссертации:
1. Милойчикова, И. А. Анализ прохождения плоскопараллельных пучков электронов через различные среды методами численного моделирования / И. А. Милойчикова, В. И. Беспалов, А. А. Красных, С. Г. Стучебров, Ю. М. Черепенников, Р. Р. Дусаев // Известия вузов. Физика. - 2017 - Т. 60 - № 12. - C. 57-63.
2. Miloichikova, I. A. Analysis of Plane-Parallel Electron Beam Propagation in Different Media by Numerical Simulation Methods / I. A. Miloichikova, V. I. Bespalov, A. A Krasnykh, S. G. Stuchebrov, Yu. M. Cherepennikov, R. R. Dusaev // Russian Physics Journal: 2018. - Pp. 1-8.
3. Милойчикова, И. А. Анализ характера взаимодействия электронных пучков с модифицированным АБС-пластиком / А. A. Красных, И. А. Милойчикова, С. Г. Стучебров // Вестник Национального исследовательского ядерного университета МИФИ. - 2017 - Т. 6 - №. 2. - C. 108-112.
4. Miloichikova, I. A. Simulation of the microtron electron beam profile formation using flattening filters / I. A. Miloichikova, S. G. Stuchebrov, I. B. Danilova, G. A. Naumenko // Physics of Particles and Nuclei Letters. - 2016. - Vol. 17. - № 3. - Pp. 890-892.
5. Miloichikova, I. A. Formation of electron beam fields with 3D printed filters / I. A. Miloichikova, A. A Krasnykh, I. B. Danilova, S. G. Stuchebrov, V. A. Kudrina // AIP Conference Proceedings. - 2016. - Vol. 1772. - Article number 060016 - Pp. 1-7.
6. Miloichikova, I. A. Numerical simulation of the medical linear accelerator
electron beams absorption by ABS-plastic doped with metal / S. G. Stuchebrov, I. A. Miloichikova, A. A Krasnykh // AIP Conference Proceedings. - 2016. -
Vol. 732. - Article number 012033 - Pp. 1-6.
7. Miloichikova, I. A. Numerical simulation of the microtron electron beam
absorption by the modified ABS-plastic / S. G. Stuchebrov, I. A. Miloichikova, A. L. Melnikov, M. A. Pereverzeva // Journal of Physics: Conference Series. - 2016. - Vol. 671. - Article number 012036 - Pp. 1-5.
8. Miloichikova, I. A. Application of traditional and nanostructure materials for medical electron beams collimation: numerical simulation / I. A. Miloichikova, S. G. Stuchebrov, G. K. Zhaksybayeva, A. R. Wagner // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 98. - Article number 012011 - Pp. 1-6.
9. Miloichikova, I. A. Comparison of the calculated and experimental data of the extracted electron beam profile / I. A. Miloichikova, A. -. Povolna, S. G. Stuchebrov, G. A. Naumenko // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. - 2015. - Vol. 93. - Article number 012067 - Pp. 1-4.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, двух приложений и списка цитируемой литературы, содержащего 204 библиографические ссылки. Общий объем диссертации составляет 155 страниц и включает 81 рисунок и 14 таблиц.
✅ Заключение
Основные результаты работы
Разработаны и экспериментально испытаны программные коды, выполненные с использованием инструментария Geant4 и программы PCLab, для численного моделирования распределения поглощенной дозы пучков электронов в тканеэквивалентных средах, в том числе в полимерных материалах, пригодных для изготовления изделий методами трехмерной печати. На основе полученных расчетных данных определены геометрические параметры полимерных поглотителей для задач формирования полей облучения.
Проведено исследование радиационной стойкости полимерных материалов, пригодных для трехмерной печати методом послойного наплавления. Показано, что в диапазоне доз до 150 кГр АБС- и HIPS-пластики сохраняют свойства, влияющие на процесс формирования электронного поля облучения.
Предложен способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати из АБС- и HIPS- пластиков. Результаты подтверждены экспериментально на исследовательских и клинических ускорителях электронов в диапазоне энергий 6 - 20 МэВ.
Проведена экспериментальная оценка возможности формирования заданного дозного распределения клинического пучка электронов полимерным коллиматором в сравнении со стандартным металлическим коллиматором. Показано, что применение коллиматора из HIPS-пластика, изготовленного с помощью технологии послойного наплавления, позволяет формировать равномерное распределение дозы с такой же эффективностью, как и при использовании металлических изделий.
На примере клинического случая изготовлен и экспериментально апробирован тестовый полимерный компенсатор для процедуры облучения передней грудной стенки пациента пучком электронов. Экспериментальные данные показали возможность снижения дозовой нагрузки на критические органы более чем в два раза за счет модификации глубинного распределения дозы.
В рамках выполнения работы получены два акта о внедрении результатов научных исследований (приложения 1 и 2).
Автор диссертации выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Потылицыну А.П. за постоянную помощь и многочисленные обсуждения аспектов работы. Автор искренне благодарна сотрудникам Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета Стучеброву С.Г., Красных А.А., Черепенникову Ю.М.,
Вагнеру А.Р., Науменко Г.А., Беспалову В.И., Дусаеву Р.Р., Тургуновой Н.Д. и Шевелеву М.В. за неоценимую помощь при выполнении данной работы. Автор выражает искреннюю признательность коллективу радиологического отделения Московской городской онкологической больницы № 62 Гаврикову Б.М и Лундиной А.В. за предоставленную возможность проведения цикла
экспериментальных работ на клиническом ускорителе. Отдельную благодарность автор выражает Элизабет Гарджони (Dr. Elisabetta Gargioni) за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований на базе клинического оборудования отделения радиотерапии Университетской клиники Гамбург- Эппендорф (г. Гамбург, Германия) и обсуждения рассматриваемых в данной работе вопросов, а также Шевченко М.В. за помощь в решении технических вопросов. Автор искренне признательна коллективу Научно-исследовательского института онкологии Томского НИМЦ Лисину В.А., Старцевой Ж.А., Тюкалову Ю.И., Демидову И.И. и Старцеву В.А. за предоставленную возможность проведения цикла экспериментальных работ на интраоперационном бетатроне и участие в конструктивных дискуссиях по рассматриваемым в данной работе вопросам. Также хочу поблагодарить Белоусова Д.А. за помощь в оформлении диссертации и участие в обсуждении отдельных аспектов работы.
Разработаны и экспериментально испытаны программные коды, выполненные с использованием инструментария Geant4 и программы PCLab, для численного моделирования распределения поглощенной дозы пучков электронов в тканеэквивалентных средах, в том числе в полимерных материалах, пригодных для изготовления изделий методами трехмерной печати. На основе полученных расчетных данных определены геометрические параметры полимерных поглотителей для задач формирования полей облучения.
Проведено исследование радиационной стойкости полимерных материалов, пригодных для трехмерной печати методом послойного наплавления. Показано, что в диапазоне доз до 150 кГр АБС- и HIPS-пластики сохраняют свойства, влияющие на процесс формирования электронного поля облучения.
Предложен способ формирования дозных полей индивидуальной конфигурации пучков электронов с помощью полимерных изделий, изготовленных посредством технологий трехмерной печати из АБС- и HIPS- пластиков. Результаты подтверждены экспериментально на исследовательских и клинических ускорителях электронов в диапазоне энергий 6 - 20 МэВ.
Проведена экспериментальная оценка возможности формирования заданного дозного распределения клинического пучка электронов полимерным коллиматором в сравнении со стандартным металлическим коллиматором. Показано, что применение коллиматора из HIPS-пластика, изготовленного с помощью технологии послойного наплавления, позволяет формировать равномерное распределение дозы с такой же эффективностью, как и при использовании металлических изделий.
На примере клинического случая изготовлен и экспериментально апробирован тестовый полимерный компенсатор для процедуры облучения передней грудной стенки пациента пучком электронов. Экспериментальные данные показали возможность снижения дозовой нагрузки на критические органы более чем в два раза за счет модификации глубинного распределения дозы.
В рамках выполнения работы получены два акта о внедрении результатов научных исследований (приложения 1 и 2).
Автор диссертации выражает глубокую признательность и благодарность своему научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Потылицыну А.П. за постоянную помощь и многочисленные обсуждения аспектов работы. Автор искренне благодарна сотрудникам Исследовательской школы физики высокоэнергетических процессов и Инженерной школы ядерных технологий Томского политехнического университета Стучеброву С.Г., Красных А.А., Черепенникову Ю.М.,
Вагнеру А.Р., Науменко Г.А., Беспалову В.И., Дусаеву Р.Р., Тургуновой Н.Д. и Шевелеву М.В. за неоценимую помощь при выполнении данной работы. Автор выражает искреннюю признательность коллективу радиологического отделения Московской городской онкологической больницы № 62 Гаврикову Б.М и Лундиной А.В. за предоставленную возможность проведения цикла
экспериментальных работ на клиническом ускорителе. Отдельную благодарность автор выражает Элизабет Гарджони (Dr. Elisabetta Gargioni) за предоставленную возможность проведения экспериментальных исследований на базе клинического оборудования отделения радиотерапии Университетской клиники Гамбург- Эппендорф (г. Гамбург, Германия) и обсуждения рассматриваемых в данной работе вопросов, а также Шевченко М.В. за помощь в решении технических вопросов. Автор искренне признательна коллективу Научно-исследовательского института онкологии Томского НИМЦ Лисину В.А., Старцевой Ж.А., Тюкалову Ю.И., Демидову И.И. и Старцеву В.А. за предоставленную возможность проведения цикла экспериментальных работ на интраоперационном бетатроне и участие в конструктивных дискуссиях по рассматриваемым в данной работе вопросам. Также хочу поблагодарить Белоусова Д.А. за помощь в оформлении диссертации и участие в обсуждении отдельных аспектов работы.
ИЛИ
Поиск аналога
📕 Список литературы
🖼 Скриншоты
🛒 Оформить заказ
⚡ Работу высылаем в течении 5 минут после оплаты.