Климанов Дозиметрическое планирование лучевой ч2 2008

ускоряющий протоны до энергии 50,5 МэВ. Общий вид гантри установки показан на рис. 3.19.

Протоны в стандартном варианте падают на толстую бериллиевую мишень (толщина 10,5 мм), теряют в ней примерно 50 % своей энергии и окончательно тормозятся в водяном охладителе с медными стенками. Спектр стандартного пучка, который использовался для терапии быстрыми нейтронами, показан на рис. 3.18. Применение БНР усиления к этому пучку давало эффект ~ 7 % на глубине 6 см для поля 10×10 см2 и концентрации 10B равной 100 мкг/г.

Модифицированная мишень состоит из 5 мм слоя бериллия, 2,5 мм слоя вольфрама и водяного охладителя с медными стенками. Спектр пучка с новой мишенью обогащен низкоэнергетическими нейтронами за счет уменьшения числа нейтронов со средней энергией (рис. 3.20). Высокоэнергетическая часть спектра при этом практически не изменилась. Величина БНР усиления при использовании новой мишени увеличилась в два раза, а для поля 20×20 см2 достигла 22 %. Тем не менее, полученное усиление существенно меньше, чем при введении в

пучок замедлителя.

Рис. 3.20. Спектры пучков нейтронов для стандартной (_______) и модифицированной ( – – –) мишеней на нейтронной терапевтической установке в клинике Университета Вашингтона [30]

В заключение отметим, что БУТБН может использоваться не только для лечения опухолей мозга. Например, буст с помощью БУТБН можно

211

создать при лечении рака простаты и др. Однако если традиционная лучевая терапия дает положительные результаты при лечении конкретной опухоли, то вряд ли целесообразно применять такой дорогой и сложный метод как БУТБН.

3.3. Нейтрон-захватная борная терапия на базе реакторов

В настоящее время ряд научных центров мира проводит исследования и опытное применение НЗБТ на базе существующих исследовательских реакторов. В разных странах имеются проекты по созданию специализированных ядерных реакторов применительно к лучевой терапии, но в силу ряда причин они пока не реализованы. Использование для НЗБТ исследовательских реакторов является сегодня, по-видимому, наиболее практичным решением для получения стабильных и достаточных по интенсивности пучков эпитепловых нейтронов. Сложной задачей при такой реализации НЗБТ является получение пучков, свободных от «загрязнений», т.е. с оптимальным соотношением между интенсивностью разных компонент радиационного поля.

Особенно важно добиться, как отмечалось выше, большого вклада эпитепловых нейтронов в суммарный поток. Это связано с тем, что тепловые нейтроны быстро поглощаются в биологических тканях. Поэтому их воздействие эффективно только для поверхностных новообразований. Если же мишень находится на глубине нескольких сантиметров, то обеспечить требуемую дозу за счет реакции захвата на боре при не превышении толерантных доз на поверхности и в окружающих тканях можно только с помощью эпитепловых нейтронов. Вероятность поглощения этих нейтронов в ткани существенно меньше, чем тепловых. Проходя через биологические ткани, эпитепловые нейтроны на первых сантиметрах пути, в основном, замедляются до тепловых энергий, создавая максимальную плотность потока тепловых нейтронов на глубине 20 – 40 мм.

Второй проблемой является получение достаточно высокой абсолютной величины плотности потока эпитепловых нейтронов (φ ≥ 109 см-2·с-1), ибо в противном случае время облучения превысит разумные пределы. В решении этих сложных задач можно выделить два основных направления: использование конверторов нейтронов; модернизация каналов вывода нейтронов из реактора.

212

3.3.1. Применение конверторов деления

Первое сообщение о создании специализированной установки для НЗБТ на реакторе MITR-II Массачузеттского Технологического Института, в которой для получения пучка эпитепловых нейтронов был использован конвертер деления, появилось в работе [34]. Многоцелевой исследовательский реактор MITR-II мощностью 5 МВт работает 300 дней в году по 24 часа в день. Установка с конвертером деления (УКД) смонтирована на отдельном пучке реактора и функционирует независимо от другого оборудования. УКД позволяет получать пучок эпитепловых нейтронов высокой чистоты и интенсивности. УКД оснащена разнообразной аппаратурой для измерения характеристик пучка, дозовых распределений, оперативного определения содержания бора-10 у пациентов и др. Весь комплекс аппаратуры дает возможность реализовывать план облучения с погрешностью не больше 2 % [35]. Эта установка имеет единственную в США официальную лицензию на клиническое применение НЗБТ для лечения глиобластомы и меланомы.

На рис. 3.21 представлен схематический план УКД. Конвертер деления спроектирован на мощность 250 кВт, но пока сконфигурирован на мощность 83 кВт. Горизонтальный пучок нейтронов от конвертора по специальному защищенному каналу длиной 2,5 м направляется в помещение для облучения. Внутри канала размещены нейтронные фильтры/замедлители из алюминия (81 см), тефлона (13 см), кадмия (0,5 мм), свинцовая защита от гамма-излучения (8 см) и большой конический коллиматор длиной 1,1 м со свинцовыми стенками толщиной 15 см. Затем нейтроны попадают в коллиматор пациента длиной 0,42 м, сделанный из смеси свинца, бора или лития (95 % обогащение 6Li). На линии пучка находятся три независимых затвора, первый из которых, расположенный вблизи активной зоны, контролирует интенсивность пучка нейтронов, падающих на конвертор.

На рис. 3.22 показаны экспериментальные глубинное и поперечное распределения мощности доз для фотонной и нейтронных компонен полной дозы в водном фантоме при работе конвертора на мощности 83 кВт. Значения доз на малых глубинах близки к расчетным результатам. Отметим также малый вклад в дозу, создаваемый быстрыми нейтронами, и достаточно большие размеры (больше 40 мм) пенумбры (полутени) по сравнению с традиционными методами ЛТ. Анализируя данные, представленные на рис. 3.22, следует учитывать, что основной

213

вклад в дозу при НЗБТ создается за счет реакции поглощения тепловых нейтронов ядрами 10В, концентрация которых по облучаемому объему и определяет пространственное распределение полной поглощенной дозы.

Рис. 3.21. Схематическое изображение УКД на реакторе MITR-II [36]

214

шарик [37]. В конце семидесятых и начале восьмидесятых годов прошлого века последователи проф. Н. Hatanaka внесли ряд усовершенствований в систему вывода нейтронных пучков. В частности, им удалось уменьшить вклад в дозу от гамма-излучения и увеличить поток эпитепловых нейтронов. Для этого была применена методика смешивания в пучке тепловых и эпитепловых нейтронов [37]. Позднее в Японии начались работы по модернизации реактора KUR специально для целей НЗБТ. На рис. 3.23 демонстрируется по годам количество пациентов, получивших НЗБТ, и реакторы, где проводилось облучение.

Рис. 3.23. Реакторы и число пациентов, получивших НЗБТ (реактор MIT находится в США, остальные – в Японии) [37]

В 1994 г. клиническое применение НЗБТ было возобновлено в США на реакторах Массачузеттского Института Технологии (MIT) [38] и Брукхевенской Национальной Лаборатории (BNL) в Нью-Йорке [39]. В 1999 г. клиническое применение НЗБТ в BNL было закрыто, в MIT оно продолжалось некоторое время, но затем установка для НЗБТ была переделана под использование конвертора деления [34].

Реактор BMRR мощностью 3 МВт [40] был модернизирован в 1988

г. [41] совместными усилиями BNL/INEEL (Idaho National Engineering and Environmental Laboratory). При модернизации в конструкцию ENIF

(эпитепловая нейтронная облучательная установка) был введен оксид алюминия (Al2O3) с целью создания пучка эпитепловых нейтронов. Схематическое представление ENIF после модернизации показано на

216

рис. 3.24. Выходной порт пучка размещен на расстоянии 1,9 м от центра активной зоны. На наружной поверхности Al2O3 вблизи выходного порта находится слой кадмия для уменьшения компоненты тепловых нейтронов и защита из висмута для уменьшения вклада от гамма-излучения. В 1991 г. была добавлена защита из полиэтилена с висмутом для уменьшения поперечного рассеяния нейтронов и в 1996 г. был сконструирован новый 120 мм коллиматор.

Рис. 3.24. Схематическое представление ENIF на медицинском реакторе BNL (BMRR) [42]

В 1990 г. была проведена модернизация реактора HFR мощностью 45 МВт в Петтене (США) [43]. На рис. 3.25 дан эскиз установки HB11, сконфигурированной для эпитеплового пучка. Ввиду ограниченности доступа к активной зоне высокой мощности выход пучка расположен на удалении 5 м от центра зоны, поэтому из-за большого расстояния было сложно использовать замедляющий материал, как сделали на реакторе BMRR. Вместо этого для модификации спектра нейтронного пучка применили набор фильтров из материалов, имеющих резонансы в сечении рассеяния в «нежелательной» области энергий и, наоборот, «окна» в «желательной» области. В качестве таких материалов были выбраны алюминий, сера, титан, кадмий и аргон с толщинами 15,0, 5, 1, 0,1 и 150 см соответственно. Сконфигурированный таким образом

217

пучок обладает по сравнению с другими установками очень высокой направленностью вперед.

Рис. 3.25. Эскиз установки HB11 реактора HFR в Петтене (США) [42]

Исследовательскую группу по применению НЗБТ для лечения опухолей мозга создали в Финляндии в начале 90-х годов прошлого века. Для этих целей была проведена модернизация 250 кВт реактора TRIGA II. Для получения пучка эпитепловых нейтронов использовали патентованный материал, состоящий из AlF3 (69 %), Al (30 %) и LiF (1 %) [44]. Этот материал был спрессован в блоки, из которых изготовили фильтр толщиной 0,75 м. В результате получился пучок с минимальным вкладом в дозу от быстрых нейтронов и фотонов. На рис. 3.26 показана схема этой установки.

218