аппарат для дистанционной нейтронной терапии

Формула изобретения

1. Аппарат для дистанционной нейтронной терапии, включающий основание конструкции, обеспечивающей вращение на ±180° сбалансированной консоли с нейтронной головкой, содержащей генератор нейтронов, радиационную защиту со встроенным нейтронным каналом, отличающийся тем, что генератор нейтронов на основе управляемой ядерной реакции ³T(d, n)⁴He расположен на сбалансированной консоли с механизмом продольного перемещения нейтронной головки, имеющей средства для размещения клиньев, формирующих нейтронные поля определенных размеров, при этом во входном отверстии канала установлены лазерная или микроволновая линейки для измерения расстояния от источника нейтронов до пациента и видеокамера со светодиодами для визуализации совмещения выделенного контура облучения на теле пациента со световым отображением выходного отверстия нейтронного канала, для уменьшения влияния наведенной радиоактивности на обслуживающий персонал охлаждаемая подложка мишени и стенки нейтронного канала выполнены из подобранных материалов, а также введен защитный бокс для размещения в нем нейтронной головки на время укладки пациента, кроме того, для обеспечения конформного лечения пациентов введен блок управления функциональными процессами.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения наведенной радиоактивности подложка мишени выполнена из меди, обедненной изотопом ⁶³Cu более чем в 30 раз по сравнению с естественной смесью ее изотопов.

3. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения наведенной радиоактивности подложка мишени выполнена из серебра, обедненной изотопом ¹⁰⁷Ag более чем в 30 раз по сравнению с естественной смесью его изотопов.

4. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что подложка мишени источника нейтронов выполнена из карбида кремния.

5. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что подложка мишени источника нейтронов выполнена из графита.

6. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что подложка мишени источника нейтронов выполнена из алмаза.

7. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что подложка мишени источника нейтронов выполнена из графена.

8. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что для уменьшения наведенной радиоактивности стенки канала выполнены из вольфрама, обедненного изотопом ¹⁸⁶W более чем в 10 раз.

9. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что для обеспечения радиационной безопасности в отношении обслуживающего персонала от наведенной радиоактивности нейтронной головки в целом введен защитный бокс, в который помещают головку с помощью роботизированного устройства на время укладки пациента.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к медицинской технике, в частности, средствам лучевой терапии злокачественных новообразований.

К настоящему времени ~1,6% населения России нуждаются в лечении онкологических заболеваний, из них 70-75% в лучевой терапии.

Известен гамма-терапевтический аппарат "TERABALT" [Гамма-терапевтический аппарат для дистанционной лучевой терапии. Паспорт UJP - 2011/012 UJP PRAHA, 2011]. Он относится к средствам с редко ионизирующим излучением. Аппарат состоит из защитного контейнера с радиоактивным изотопом Co ⁶⁰ (гамма-головка), в котором расположены затвор, канал гамма-квантов и устройство, с помощью которого формируются определенные конфигурации радиационных полей, требуемых для лечения данной локализации опухоли пациента. Гамма-головка весом ~1 тонна закреплена на консоли и может вращаться на ±180° вокруг своей оси и медицинского стола. С противоположной стороны консоли расположен противовес. Стол имеет возможность для перемещения вперед-назад в продольном направлении оси, а также совершать наклонные движения с боку на бок.

Однако, существует категория больных с тяжелыми радиорезистентными формами злокачественных опухолей. Такой контингент больных по России составляет 40-50 тыс. в год. Для их лечения используют преимущественно более эффективные плотно ионизирующие излучения - нейтроны, протоны, тяжелые ионы. При этом наиболее перспективными и доступными в клинической практике являются быстрые нейтроны в области энергий 0,5-30 МэВ, используемых в дистанционной терапии.

Известно средство для дистанционной терапии быстрыми нейтронами в НИИ онкологии Томского научного центра РАМН. В качестве источника быстрых нейтронов с энергией 6,5 МэВ, образующихся по ядерной реакции ⁹ Be(d,n)¹⁰B, используют стационарный циклотрон У-12 [Зырянов Б.Н., Мусабаева Л.И., Летов В.Н., Лисин В.А. Дистанционная нейтронная терапия. Томск, 1991]. Интенсивность потока нейтронов на выходе коллиматора составляет 6,5·10⁹ н/стерадиан·мкА·с. Радиационная защита толщиной 85 см выполнена из железа и борированного полиэтилена. При этом мощность дозы на поверхности тела пациента равна 15 сГр/мин. Терапевтический сеанс проводят только с одного поля - статический однопольный метод облучения.

Недостаток средства заключается в отсутствии других методов формирования дозовых полей.

Известно средство в Уральском центре нейтронной терапии на стационарном генераторе "НГ-12И". В качестве источника быстрых нейтронов с энергией 14 МэВ с выходом из мишени 1,5·10¹² н/с используют ядерную реакцию ³T(d,n)⁴He [Важенин А.В., Рыковский Г.Н. Уральский центр нейтронной терапии: история создания, методология, результаты работы. М.: Издательство РАМН, 2008]. В зависимости от локализации заболевания пациента размещают на кресле или на медицинском столе при горизонтальном или вертикальном расположении канала нейтронов, соответственно. Радиационная защита толщиной 65 см выполнена из железа и борированного полиэтилена. Мощность дозы для РИП равным 86 см составляет 9 сГр/мин.

Терапевтический сеанс на этой установке осуществляют только с одного поля - статический однопольный метод облучения.

Недостаток средства заключается в отсутствии других методов формирования дозовых полей. Кроме того, генератор нейтронов "НГ-12И" имеет значительные размеры, что ограничивает его экономическую эффективность при серийном производстве.

Известно средство для дистанционной терапии быстрыми нейтронами в Германском исследовательском онкологическом центре (г. Гейдельберг) [Verbeke JM, Leung KN, Vujic J. Development of a sealed-accelerator-tube neutron generator. Appl Radiat Isot 1998 May-Jun; 49(5-6):723-725]. В качестве источника нейтронов используют ядерную реакцию ³T(d,n)⁴He с выходом нейтронов 5·10 ¹² н/с и энергией 14 МэВ. Нейтронная головка состоит из источника нейтронов, нейтронного канала и радиационной защиты, изготовленной из железа, свинца и борированного полиэтилена. Мощность дозы на расстоянии 100 см от источника нейтронов до пациента составляет более 15 сГр/мин. На стене помещения медицинского блока смонтирован вращающийся диск. На его кромке на консоли установлена нейтронная головка, вращающаяся вокруг пациента на ±180°. Такая конструкция терапевтической установки позволяет перемещать нейтронную головку в одной плоскости.

Отсутствие ротационного конвергентного облучения является основным недостатком этой установки.

Известно средство для дистанционной терапии быстрыми нейтронами по патенту US 3715597 Rotatable neutron therapy irradiating apparatus (Germany, Sept 25, 1970). В качестве источника нейтронов с максимальной энергией 30 МэВ используют ядерную реакцию ⁹Be(p,n) ⁹B. В этой реакции ускоренные протоны бомбардируют бериллиевую мишень, которую окружает радиационная защита. Быстрые нейтроны из мишени к опухоли пациента выводят через нейтронный канал. Конструкция радиационной защиты с нейтронным каналом, а также медицинский стол могут совершать вращательные движения вокруг оси ионопровода ускорителя. Терапевтическая установка смонтирована на балке, жестко закрепленной на потолке помещения. С помощью специального устройства установку перемещают вперед-назад относительно облучаемого участка тела пациента, что позволяет использовать все методы облучения пациента.

Недостатком нейтронной терапевтической установки является ее громоздкость и металлоемкость.

Известен аппарат для дистанционной нейтронной терапии по патенту US 5920601 System and method for delivery of neutron beams for medical therapy (USA, Jul 06, 1999), в котором ионопровод ускорителя протонов с мишенью, радиационной защитой, нейтронным каналом расположены на консоли, вращающейся вокруг оси на определенном расстоянии. Блок питания высокого напряжения расположен либо на консоли ближе к оси вращения, либо рядом на стене. Сложную траекторию движения пучка ускоренных протонов в ионопроводе ускорителя к мишени - источнику быстрых нейтронов осуществляют с помощью электромагнитного поля. Нейтронная головка может совершать движения только относительно оси вращения.

Недостатком этой установки является отсутствие возможности перемещения нейтронной головки вперед-назад.

Известно устройство для дистанционной терапии быстрыми нейтронами на исследовательском ядерном реакторе FRM I в г. Мюнхене (ФРГ) [Wagner FM, Kneschaurek P, Kastenmuller at. el. A The Munich Fission Neutron Therapy Facility MEDAPP at the research reactor FRM II. Strahlenther Onkol. 2008 Dec; 184(12):643-6]. В помещении ядерного реактора устанавливают фильтр, который выводит из пучка нейтроны малых энергий и его спектр становится жестче. Пациента располагают на кресле в медицинском блоке. Его перемещение на второе - противоположное поле облучения осуществляют вращением кресла. К настоящему времени исследовательский ядерный реактор FRM I выведен из эксплуатации. Метод дистанционной терапии быстрыми нейтронами с такими же характеристиками пучка нейтронов перенесен на другой исследовательский реактор FRM II, на котором к настоящему времени прошли курс лечения более 100 пациентов.

Недостатком установки является ее дороговизна и большие габариты.

Прототипом предложенного технического решения является Neutrontherapy apparatus using a linear accelerator of electrons (France, Feb.6, 1978) по патенту US 4192998. Он включает основание конструкции, обеспечивающей вращение на ±180° сбалансированной консоли с нейтронной головкой. В головке аппарата расположен ускоритель электронов с вольфрамовой мишенью. При взаимодействии ускоренных электронов с мишенью образуется вторичное жесткое гамма-излучение. В результате ядерной реакции W( , n) взаимодействия гамма-излучения с ядрами вольфрама образуются быстрые нейтроны. Нейтронная головка аппарата окружена радиационной защитой, в которой организован нейтронный канал.

Недостаток нейтронной терапевтической установки заключается в отсутствии ротационно-конвергентного метода облучения пациента.

Технический результат предлагаемого изобретения заключается в расширении возможности лечения с тяжелыми радиорезистентными формами онкологических заболеваний пациентов. Обозначенный результат может быть получен за счет ротационно-конвергентного и других методов облучения пациентов, а также снижения лучевой нагрузки на персонал, обслуживающий аппарат.

Опыт работы в лучевой терапии в ФГБУ МРНЦ Минздрава России с быстрыми нейтронами на реакторе БР-10 (ФГБУ ГНЦ РФ Физико-энергетического института) И.А. Гулидов, Ю.С. Мардынский, А.Ф. Цыб, А.С. Сысоев Нейтроны ядерных реакторов в лечении злокачественных новообразований. Обнинск, 2001, и в создании "Устройства для лучевой терапии быстрыми нейтронами" RU 2442620, свидетельствует о возможности достижения заявленного технического результата.

Сущность изобретения заключается в том, что известное устройство, включающее основание конструкции, на котором смонтирована сбалансированная консоль с нейтронной головкой. Имеются средства, обеспечивающие вращение головки на ±180° вокруг осей X и Y. Головка содержит генератор нейтронов с запаянной трубкой и заземленной мишенью, радиационную защиту со встроенным нейтронным каналом. Дополнительно на консоли расположен механизм для продольного перемещения нейтронной головки. Формирование нейтронных полей различных размеров осуществляют посредством клиньев. Во входном отверстии нейтронного канала установлены лазерная или микроволновая линейки для измерения расстояния от источника нейтронов до пациента, что позволяет определить дозу с требуемой точностью в очаге заболевания. Для визуализации совмещения выделенного контура облучения на теле пациента с отображением выходного отверстия нейтронного канала введена видеокамера. Она расположенная на входе нейтронного канала, освещенного светодиодами. Подложка мишени и стенки нейтронного канала выполнены из специально подобранных материалов с целью уменьшения влияния наведенной радиоактивности на обслуживающий персонал, а также от нейтронной головки в целом имеется защитный бокс. В него перемещают нейтронную головку с помощью роботизированного устройства на время укладки пациента. Мишень охлаждают водой. Аппарат снабжен блоком управления для реализации функциональных процессов, обеспечивающих конформное лечение пациентов, в том числе для регулирования потока нейтронов, образующихся из ядерной реакции ³T(d,n)⁴He.

Перечень фигур.

Фиг.1. Блок-схема конструкции аппарата: 1 - основание конструкции, 2 - консоль, 3 - нейтронная головка, 4 - механизм перемещения, 5 - генератор нейтронов, 6 - мишень, 7 - холодильник для мишени, 8 - радиационная защита, 9 - нейтронный канал, 10 - клинья, 11 - линейка для измерения расстояния от источника нейтронов до пациента, 12 - видеокамера, 13 - медицинский стол, 14 - блок управления аппаратом, 15 - защитный бокс.

Фиг.2. Основные схемы облучения пациента: а - статическое однопольное, б - статическое многопольное перекрестное, в - ротационное круговое, г - ротационное секторное, д - ротационное тангенциальное, е - ротационное эксцентрическое, ж - ротационно-конвергентное, з - конусно-конвергентное.

Описание аппарата для дистанционной нейтронной терапии

Блок-схема аппарата для дистанционной нейтронной терапии приведена на Фиг.1. Основание конструкции (1) аппарата, включающее привод, выход которого посредством вала соединен со сбалансированной консолью (2) и обеспечивает ее вращательное движение на ±180° вокруг осей X и Y. На консоли установлена нейтронная головка (3). Головка с помощью механизма перемещения (4) совершает движения вперед-назад. Головка включает генератор нейтронов (5) с запаянной трубкой с заземленной мишенью. С внутренней стороны трубки на подложку мишени (6), выполненной из специально подобранных материалов с высокой теплопроводностью, например, меди. На медную подложку нанесен титан тонким слоем, насыщенный тритием. В результате ядерной реакции ³ T(d,n)⁴He при бомбардировке тритиевой мишени ускоренными до энергии ~200 кэВ дейтронами образуются быстрые нейтроны с энергией 14 МэВ. С внешней стороны подложка мишени охлаждается теплоносителем, обычно водой (7). Генератор нейтронов с запаянной трубкой помещен в радиационную защиту (8) со встроенным нейтронным каналом (9). Внутренние стенки канала выполнены из вольфрама. Для изменения размеров выходного отверстия нейтронного канала используют клинья (10). Клинья плотно вставляют в нейтронный канала таким образом, чтобы размер и форма входного отверстия со стороны источника нейтронов оставались постоянными, а выходное отверстие изменяют в зависимости от формы поля облучения пациента. Крепление клиньев в канале осуществляют с помощью специального приспособления. Оно на схеме не показано. По кромке отверстия входного канала, на специальной монтажной плате размещены светодиоды миниатюрных размеров с направленным световым потоком. При этом в монтажной плате имеются два отверстия. В одном из них вмонтирована лазерная или микроволновая линейка (11) для измерения расстояния от источника нейтронов до пациента. На теле пациента врач обозначает контур облучения. На контур помещают специальную пластину, предназначенную для измерения расстояния соответствующими линейками по отраженному лазерному (микроволновому) лучу. В другом отверстии платы помещена видеокамера (12) миниатюрных размеров для совмещения на мониторе размеров светового потока из отверстия нейтронного канала с разметкой контура облучения. Совмещение границ светового поля и контура облучения осуществляют перемещением медицинского стола (13) и подбором клиньев (10). Аппарат для дистанционной нейтронной терапии имеет блок для управления функциональными процессами, обеспечивающими конформное лечение пациентов (14). В состав аппарата введен защитный бокс (15), предназначенный для размещения в нем нейтронной головки с повышенной наведенной радиоактивностью на время укладки пациента.

Описание принципа действия аппарата для дистанционной нейтронной терапии.

Головка (3) аппарата для дистанционной нейтронной терапии расположена на сбалансированной вращающейся консоли (2) относительно осей X, Y и перемещается вперед-назад с помощью механизма перемещения (4). В дистанционной лучевой терапии существует несколько методов облучения для максимального воздействия на опухоли различных локализаций при минимальном повреждении здоровых тканей. На Фиг.2 приведены методы облучения опухолей пациентов [Сулькин А.Г. Гамма-терапевтические аппараты. М.: Энергоатомиздат. 1986]. При статическом облучении с одного поля (однопольное) пациент располагается неподвижно относительно терапевтического пучка (Фиг.2а). При облучении с нескольких полей и разных направлений доза в очаге заболевания суммируется, а здоровые ткани значительно разгружаются от облучения - это статический многопольный перекрестный метод (Фиг.2б). В ротационном круговом методе (Фиг.2в) нагрузка на здоровые ткани также существенно снижается за счет равномерного распределения дозы в очаге заболевания. Если очаг заболевания расположен ближе к поверхности тела, используют ротационный секторный метод (Фиг.2г), при близком расположении опухоли к поверхности тела используют ротационное тангенциальное облучение (Фиг.2д). Если очаг заболевания имеет форму, близкую к цилиндрической, а внутренние ткани тела пациента здоровые, то используют метод ротационного эксцентрического облучения (Фиг.2е). При ротационном конвергентном облучении терапевтический луч совершает одновременно вращательное и возвратно-поступательное движения (Фиг.2ж). При конусно-конвергентном облучении терапевтический луч совершает движение по окружности под определенным углом к оси ее симметрии (Фиг.2з). Перемещение нейтронной головки вращением, вперед-назад с использованием названных методов, позволит пациенту пройти курс конформного лечения на аппарате для дистанционной нейтронной терапии.

Головка (3) аппарата для дистанционной нейтронной терапии состоит из источника нейтронов генератора НГ-24 (5) и радиационной защиты (8) со встроенным в нее каналом (9) с определенным входным и выходным размерами. В настоящее время дистанционная терапия быстрыми нейтронами осуществляется на стационарных источниках нейтронов - ядерных реакторах и ускорителях. В лучевой терапии для формирования радиационных полей необходимых размеров используют коллиматоры. На ядерных реакторах с расстоянием от источника нейтронов до пациента 4÷10 м, элементами, формирующими профиль пучка нейтронов, являются чередующиеся пластины из борированного полиэтилена и железа (или свинца). Эти пластины перемещаются перпендикулярно оси нейтронного канала в горизонтальном или вертикальном направлениях. На ускорителях для расстояния от источника нейтронов до пациента ~1 м с расходящимся потоком быстрых нейтронов формирование профиля пучка нейтронов осуществляется с помощью набора вставок в форме усеченной пирамиды вершиной к источнику нейтронов с определенными внутренним входным и выходным отверстиями. В дистанционном нейтронном терапевтическом аппарате с нейтронным каналом (9) в форме усеченной пирамиды изменить размер выходного отверстия с 8×8 см ² до, например, 6×6 см² можно с помощью клиньев (10). Клин в передней проекции представляет собой равнобедренную трапецию с основаниями равными 8 см и 2 см. В боковой проекции эта деталь имеет форму клина размером нижнего основания равным 2 см, верхний размер минимальный ~0,5 мм. Высота клина меньше на ~1 см длины нейтронного канала. Клин вставляется в канал острием к источнику нейтронов генератора НГ-24, сверху и снизу он фиксируется специальными устройствами. На Фиг.1 показан принцип формирования профиля пучка нейтронов с помощью клиньев (10). Например, с помощью клина № 1 выходное отверстия канала имеет размер 8×6 см ². Если нужен размер выходного отверстия, нейтронного канала 8×5 см², в этом случае вставляется клин № 2 подобной формы с противоположной стороны нейтронного канала с толщиной большего основания равной 1 см. Для размера выходного отверстия канала 6×6 см² клин № 3 подобной формы с длиной большего основания 6 см вставляется в нейтронный канал таким образом, чтобы клинья № 1 и № 3 имели общий угол - соприкасались передней поверхностью клина № 1 и боковой клина № 3. Другие размеры выходных отверстий устанавливаются подобным образом исходя из набора клиньев определенных размеров, имеющихся в запасном имуществе аппарата для дистанционной нейтронной терапии.

Подложка мишени (6) запаянной трубки генератора НГ-24 (5) изготовлена из меди. Во время работы генератора мишень нагревается, поэтому ее охлаждают водой (7). Ресурс работы генератора НГ-24 с постоянным выходом нейтронов определяется соблюдением температурного режима работы мишени - недопустим ее перегрев, что может привести к уменьшению ядер трития в мишени и, следовательно, уменьшению выхода нейтронов. Поэтому подложки мишени изготавливают из материалов с высоким коэффициентом теплопроводности. Теплопроводность материалов при 300°K, которые могут использоваться для мишеней, составляет: меди 401 Вт/(м·°K), серебра 430 Вт/(м·°K), карбида кремния 490 Вт/(м·°K), графита 278÷2435 Вт/(м·°K) и зависит от его марки, алмаза 1000÷2600 Вт/(м·°K), графена ~5000 Вт/(м·°K) [Химическая энциклопедия в пяти томах, Советская энциклопедия, М., 1988].

В результате ядерных реакций взаимодействия нейтронов с материалами конструкции аппарата образуется наведенная радиоактивность, которая определяет время выдержки после терапевтического сеанса для соблюдения норм радиационной безопасности обслуживающим персоналом.

Образование радиоактивных ядер N после окончания терапевтического сеанса определяется выражением:

n - количество ядер в образце (мишени) в поле облучения,

- сечение взаимодействие нейтронов с энергией 14 МэВ с веществом,

- плотность потока нейтронов с энергией 14 МэВ,

- скорость распада радиоактивных ядер, =0,693/T_1/2,

T_1/2 - период полураспада радиоактивных ядер,

t _обл - время облучения или работы генератора НГ-24,

t_выд. - время выдержки (после выключения генератора НГ-24).

В качестве примера рассмотрим время работы генератора НГ-24 в течение 20 минут, время выдержки после выключения генератора и укладки больного на второе поле облучения по 5 минут. Продолжительность терапевтического сеанса с одного поля облучения составит 30 минут - 1 цикл.

Основным процессом, приводящим к образованию наведенной радиоактивности от нейтронов с энергией 14 МэВ, является (n, 2n) ядерная реакция на материалах вблизи источника нейтронов - подложки мишени. Рассмотрим несколько вариантов материалов подложки мишени.

Подложка мишени выполнена из меди. Медь состоит из двух изотопов: ⁶³Cu с содержанием ~69% и ⁶⁵Cu ~31%. В результате ядерной реакции ⁶³Cu(n, 2n)⁶²Cu и образуется радиоактивное ядро ⁶²Cu, которое с вероятностью 98% испускает + частицу и затем два гамма-кванта с энергией 511 кэВ каждый с периодом полураспада 9,7 мин. Мощность дозы от гамма-излучения ⁶²Cu на выходе из канала на расстоянии 25 см от мишени после 20 минут облучения и выдержки 5 минут составит 44,5 мкР/с. При этом предельно допустимая мощность дозы на основании норм радиационной безопасности не должна превышать 20 mЗв/год или 0,33 мкР/с [Нормы радиационной безопасности НРБ-76/87, Энергоатомиздат, М., 1988]. В такой же ядерной реакции на другом изотопе меди ⁶⁵Cu(n, 2n)⁶⁴Cu образуется радиоактивное ядро ⁶⁴Cu. С периодом полураспада 12,7 часа оно испускает - и + частицы. Выход гамма-квантов аннигиляции с энергией 511 кэВ изотопа ⁶⁴Cu составляет 36%. Для изотопа ⁶⁴Cu за один цикл облучения мощность дозы составит 0,17 мкР/с. Суммарная мощность дозы по двум изотопам меди на конец рабочего дня составит ~52,8 мкР/с. Для уменьшения дозы от подложки мишени из меди необходимо содержание изотопа ⁶³Cu уменьшить до ~1%.

Подложка мишени изготовлена из серебра. Серебро состоит из двух изотопов: ¹⁰⁷Ag - 51,4%, ¹⁰⁹Ag - 48,6%. В результате ядерной реакции ¹⁰⁷Ag(n, 2n)¹⁰⁶Ag с периодом полураспада 30 мин испускаются аннигиляционные гамма-кванты с энергией 511 кэВ с выходом 145%. После первого цикла облучения на выходе из канала мощность дозы от изотопа ¹⁰⁶Ag составит 24 мкР/с. Мощность дозы от наведенной радиоактивности продукта ядерной реакции ¹⁰⁹Ag(n, 2n)¹⁰⁸Ag составит ~0,5 мкР/с, на конец рабочего дня суммарная мощность дозы ~47,4 мкР/с. Для уменьшения мощности дозы от подложки из серебра, необходимо содержание изотопа ¹⁰⁷Ag уменьшить до 1÷2%.

Подложка для мишени выполнена из карбида кремния - SiC. В результате основной ядерной реакции ²⁸Si(n, p)²⁸Al образуется радиоактивное ядро ²⁸ Al. С периодом полураспада 2,24 минуты оно испускает гамма-квант с энергией 1,78 МэВ с выходом 100%. После первого цикла терапевтического сеанса на выходе из канала мощность дозы составит 9,2 мкР/с. Однако величину ее можно уменьшить в ~5 раза, если увеличить время выдержки после терапевтического сеанса до 10 минут. С оперативной точки зрения можно поместить нейтронную головку в защитный бокс (15), что позволит сократить цикл облучения на время выдержки. К концу рабочего дня доза останется прежней в виду малого периода полураспада изотопа ²⁸Al.

Наибольший интерес в качестве подложки для мишени представляет использование материалов: графита, алмаза и графена, состоящих из углерода. В продукте основной ядерной реакции ¹²Cu(n, )⁹Be отсутствует наведенная радиоактивность.

Стенки нейтронного канала (9) аппарата для дистанционной нейтронной терапии выполнены из вольфрама. В продукте реакции захвата нейтрона ядром вольфрама ¹⁸⁶W(n, )¹⁸⁷W испускаются гамма-кванты в области энергией 0,35÷1,25 МэВ с выходом ~72% с периодом полураспада 23,4 часа. После первого цикла терапевтического сеанса мощность дозы от гамма-излучения ¹⁸⁷W на выходе из канала составит ~4 мкР/с, к концу рабочего дня она увеличится кратно количеству циклов облучения. При времени выдержки ~15 часов - до начала следующего рабочего дня, мощность дозы от изотопа ¹⁸⁷ W уменьшится в 1,5 раза, к концу рабочей недели она составит ~8,3 мкР/с. Для соблюдения норм радиационной безопасности необходимо содержание изотопа ¹⁸⁶W, уменьшить в, например, 20-30 раз.

Для уменьшения мощности дозы от наведенной радиоактивности головку помещают в защитный контейнер (15) на время работы медицинского персонала в медицинском блоке. Его располагают на расстоянии 2÷3 м от аппарата. Кроме того, это позволит уменьшить время выдержки после терапевтического сеанса. Перемещение нейтронной головки осуществляется роботизированным устройством.

В дистанционной терапии быстрыми нейтронами погрешность в определении дозы не должна превышать 5%, при этом расстояние от источника нейтронов до пациента составляет 4÷10 м. При точности измерения этого расстояния ~1 см неопределенность в дозе из-за геометрии составит 0,5÷0,2%. При лечении на аппарате для дистанционной нейтронной терапии пациента располагают на расстоянии 20÷25 см от источника нейтронов, поэтому погрешность в измерении расстояния от источника нейтронов до пациента не должна превышать 0,25 см. Во время терапевтического сеанса расстояние от выходного отверстия нейтронного канала до тела пациента составляет 1÷2 см. Для измерения расстояния от источника нейтронов до пациента используют лазерную или микроволновую линейки. В зазоре по контуру входного отверстия нейтронного канала расположена монтажная плата размерами 2×2 см² со светодиодами, в отверстии сбоку закреплена лазерная или микроволновая линейка (11). На теле пациента в размеченном контуре помещается отражатель света соответствующих линеек. Результаты измерений расстояния от источника нейтронов до пациента заносятся в блок управления аппарата, в соответствии со схемой лечения определяется длительность терапевтического сеанса.

Для визуализации совмещения контура облучения на теле пациента с выходным отверстием нейтронного канала, на монтажной плате сбоку помещают видеокамеру (12) миниатюрных размеров. С ее помощью врач, перемещая медицинский стол с пациентом, совмещает размеры выходного отверстия нейтронного канала с разметкой поля облучения.

Вблизи генератора НГ-24 устанавливают детектор для измерения нейтронной дозы. В соседнем помещении размещают блок для управления функциональными процессами, обеспечивающими конформное лечение пациентов (14), в том числе для регулирования потока нейтронов, образующихся из ядерной реакции ³ T(d, n)⁴He.

На начальном этапе проводят исследования доз в фантоме - по глубине и по радиусу пучка нейтронов. После расчетно-экспериментального анализа данных дозиметрии приступают к терапии.

Подтверждение достижения технического результата.

Предлагаемый аппарат для дистанционной нейтронной терапии с источником нейтронов генератором НГ-24 позволит реализовать клинический опыт ФГБУ МРНЦ Минздрава России, накопленный на стационарном ядерном реакторе БР-10 ГНЦ РФ ФЭИ в лечении некоторых разновидностей онкологических заболеваний методом дистанционной терапии быстрыми нейтронами. При этом соблюдается конформное лечение с учетом необходимой мощности дозы в очаге заболевания и минимальной нагрузки на здоровые ткани с использованием перемещения сформированного нейтронного поля облучения. Основание конструкции аппарата обеспечивает вращение нейтронной головки на ±180° и может быть реализовано с помощью роботизированного устройства, например, фирмы KUKA Robot Group's. Перемещение нейтронной головки аппарата в защитный бокс с помощью роботизированного устройства улучшает радиационную обстановку для обслуживающего персонала от наведенной радиоактивности.

Кроме того, стоимость нейтронного терапевтического аппарата существенно ниже стоимости стационарного источника быстрых нейтронов - ядерного реактора. Такое решение обозначенной проблемы позволит оснастить медицинские клиники и онкологические диспансеры безопасными в эксплуатации терапевтическими аппаратами и получить требуемые медицинские услуги контингенту больных с тяжелыми радиорезистентными формами злокачественных опухолей.