Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планирование 2011
.pdf
ке ослабляется существенно медленнее. Представленные в работе [31] данные свидетельствуют, что БНР усиление для пучка с замедлителем составляет почти 50 % на глубине 7 см, что приблизительно равняется глубине средней линии человеческой головы. Однако применение замедлителя сильно снижает мощность дозы. Так биологически взвешенная доза на глубине 2,5 см для использованной мишени равняется 4 сГр/мин, что приводит к относительно долгому времени облучения (~ 1 час). За это время концентрация боросодержащего соединения в опухоли заметно меняется [33]. Новая мишень, предлагаемая в работе [32], поднимет дозу на глубине 2,5 см выше 13 сГр/мин, что позволит получить уже приемлемое время облучения.
Рис. 9.19. Общий вид гантри нейтронной терапевтической установки в клинике Университета Вашингтона [30]
Другой подход к задаче повышения степени БНР усиления был реализован в работе [30]. Авторы пошли по пути модернизации мишени на нейтронной терапевтической установке в клинике Университета Вашингтона (г. Сиетл, США). Для генерации пучка быстрых нейтронов на этой установке используется циклотрон, ускоряющий протоны до энергии 50,5 МэВ. Общий вид гантри установки показан на рис. 9.19.
151
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. 9.18. 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-миллиметрового слоя бериллия, 2,5-миллиметрового 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. 9.20). 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. 9.20. Спектры пучков нейтронов для стандартной (_______) и модифицированной ( – – –) мишеней на нейтронной терапевтической установке в клинике Университета Вашингтона [30]
152
В заключение отметим, что БУТБН может использоваться не только для лечения опухолей мозга. Например, буст с помощью БУТБН можно создать при лечении рака простаты и др. Однако если традиционная лучевая терапия дает положительные результаты при лечении конкретной опухоли, то вряд ли тогда 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 оказывается 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 непревышении 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 (θ ≥ 109 см-2∙с-1), ибо в противном случае время облучения превы-
153
сит разумные пределы. В решении этих сложных задач можно выделить два основных направления: использование конверторов нейтронов; модернизация каналов вывода нейтронов из реактора.
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. 9.21 представлен схематический план УКД. Конвертор 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 гаммаизлучения (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. 9.22 показаны экспериментальные глубинное и поперечное распределения мощности доз для фотонной и нейтронных компонент полной дозы в водном фантоме при работе конвертора
154
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. 9.22, следует учитывать, что основной 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. 9.21. Схематическое изображение УКД на реакторе MITR-II ( адаптировано из[36])
155
Рис. 9.22. Результаты измерения глубинного распределения поглощенной дозы вдоль оси пучка диаметром 16 см (а) и в поперечной плоскости (б) на глубине 2,5 см в водном фантоме 60х60х60 см3 при работе конвертора на мощности 83 кВт:
–фотоны; ○ – тепловые нейтроны; ◊ – быстрые нейтроны [36]
3.3.2.Модернизация каналов вывода нейтронов
из реактора
Как отмечалось выше, первое успешное применение реакторов
как источников тепловых нейтронов для НЗБТ было осуществлено проф. H. Hatanaka (Япония) в 1968 г. Учитывая неудачный опыт
ученых США, он внес ряд усовершенствований в их методику. Эти усовершенствования, в основном, касались фармакологических и хирургических аспектов лечения. Вместе с тем, предпринимались
меры для уменьшения кожной дозы и уменьшения поглощения тепловых нейтронов на пути к опухоли. Для этого проф. H. Hatanaka
вскрывал кожу и череп, по возможности максимально раскрывал
156
объем опухоли и помещал в образовывающуюся полость напол-
ненный воздухом 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 гаммаизлучения 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. 9.23 демонстрируется по годам количество пациентов, получивших НЗБТ, и реакторы, где проводилось облучение.
Рис. 9.23. Реакторы и число пациентов, получивших НЗБТ (реактор MIT находится
вСША, остальные – в Японии) [37]
В1994 г. клиническое применение НЗБТ было возобновлено в США на реакторах Массачузеттского технологического института
(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 En-
157
gineering and Environmental Laboratory). При модернизации в кон-
струкцию ENIF (эпитепловая нейтронная облучательная установка) был введен оксид алюминия (Al2O3) с целью создания пучка эпитепловых нейтронов. Схематическое представление ENIF после модернизации показано на рис. 9.24. 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. 9.24. Схематическое представление ENIF на медицинском реакторе BNL (BMRR) (адаптировано из[42])
В 1990 г. была проведена модернизация реактора HFR мощностью 45 МВт в Петтене (США) [43]. На рис. 9.25 дан эскиз уста-
новки 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 ма-
158
териал, 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 пучок обладает по сравнению с другими установками очень высокой направленностью вперед.
Рис. 9.25. Эскиз установки HB11 реактора HFR в Петтене (США) (адаптировано из
[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
159
(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. 9.26 показана схема этой установки.
Рис. 9.26. Эпитепловая нейтронная установка на Финском исследовательском реакторе FIR-1 (Финляндия) (адаптировано из [42])
На рис. 9.27 приводятся энергетические распределения пучков нейтронов, формируемых на этих реакторах для проведения НЗБТ. Как видно из рисунка, внешне спектры достаточно похожи. Однако если на основе этих спектров провести расчет зависимости ожидаемых биологических эффектов от дозы облучения, то выявляются существенные различия между ними.
Работы по модернизации исследовательских реакторов с целью создания пучков нейтронов для проведения НЗБТ начаты и в России. Так разработан проект и выполнена значительная часть работ по переделке ниши тепловой колонны реактора ВВР (ГНЦ ФХИ) для создания нейтронного пучка, удовлетворяющего условиям НЗБТ. Конструкция системы коллимации и фильтрации пучка по-
казана на рис. 9.28 [10]. В качестве основного фильтрующего материала был выбран Fluental, который по составу полностью совпада-
160