Doc2All.ru

Общая характеристика диссертационной работы Актуальность работы. По данным «Медицинского радиологического научного центра» (г. Обнинск) в России от рака мозга ежегодно погибает до 30 тысяч человек. Лечение злокачественных опухолей головы, шейного отдела и мозга человека является глобальной гуманитарной не реш?нной проблемой медицины.

Разработанные в середине прошлого века в США физические основы реализации НЗТ позволяют проводить только ограниченные объ?мы НИР, которые на много порядков не соответствуют масштабам проблемы в количественном отношении. Достигнутые уровни выживаемости пациентов не обеспечивают необходимой конкурентной способности НЗТ относительно других методов лучевой терапии.

В–НЗТ. В связи с этим были поставлены задачи:

1. Разработка комплекса теоретических и полуэмпирических методов оперативных расчетов (ТПМ) НЗТ, доступной для физиков, врачей, биологов, студентов и всех специалистов, занятых в проблеме НЗТ.

диагностики, планирования и контроля НЗТ на всех стадиях.

3. Создание, теоретического и экспериментального обоснования формирования терапевтических, аналитических, диагностических, и исследовательских пучков нейтронов для различных моделей НЗТ , ориентированных на повышение выживаемости пациентов, увеличение объ?мов реализации, снижение их радиационной травматичности и стоимости.

Научная новизна. Впервые разработан комплекс ТПМ НЗТ для оперативных расч?тов в клинических условиях, основой которого являются классические разделы нейтронной физики. Большая часть аналитических выражений, являющихся основой ТПМ, при всей их простоте и очевидности впервые увидели свет при выполнении работ, представленных в диссертации.

Впервые разработана унифицированная экспериментальная база для обеспечения полного комплекса необходимых физических исследований, измерений, диагностики, планирования и контроля НЗТ на всех стадиях, основанная на полупроводниковой спектрометрии мгновенного фотонного излучения возникающего при взаимодействии нейтронов с облучаемыми объектами (2 Авторских свидетельства).

Впервые создано, экспериментально и теоретически обосновано с помощью ТПМ новое направление формирования пучков нейтронов различного спектрального состава и различного назначения с использованием различных рассеивателей и фильтров располагаемых в сквозных касательных каналах исследовательских реакторов (Патент).

Впервые рассмотрена возможность получения большого количества нейтронных пучков различного назначения с использованием сквозных касательных каналов исследовательских реакторов. (Первая публикация в Материалах международного Конгресса по НЗТ в Буэнос Айресе в Аргентине в 2010 г.).

Впервые разработана, теоретически и экспериментально обоснована возможность использования капиллярных нейтронно–оптических систем (КНОС) для формирования пучков тепловых нейтронов достаточной интенсивности для инвазивной НЗТ (ИНЗТ) и других фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами (первые публикации по теории ИНЗТ и конфигурации КНОС для ИНЗТ, доклад на международном Конгрессе по НЗТ в 2004 г. в Бостоне, США, Патент).

можно реализовать, например, в Microsoft Office Excel. 2. Экспериментальные физические методы НЗТ. Разработанные физические методы и средства измерений на основе полупроводниковой спектрометрии мгновенного фотонного излучения, возникающего при поглощении нейтронов в облучаемых объектах, обеспечивают оперативное получение всего комплекса экспериментальной информации необходимой для теоретических расч?тов, контроля, эффективности реализации НЗТ, а также исследования свойств новых дозообразующих препаратов. Время получения количественных результатов экспериментов составляет несколько десятков минут и в подавляющем большинстве случаев не превосходит часа.

При использовании разработанных экспериментальных методов все измерения производятся при помощи одного измерительного прибора – полупроводникового спектрометра фотонного излучения, обладающего высокими метрологическими характеристиками и прежде всего высокой эффективностью и разрешающей способностью, а также долговременной воспроизводимостью результатов измерений.

Возможности разработанных экспериментальных методов и средств исследований и измерений полностью соответствуют и удовлетворяют все потребности НЗТ. 3. Формирование терапевтических, диагностических, аналитических и исследовательских пучков нейтронов для реализации НЗТ. В предложенных методах формирования квази параллельных пучков тепловых и промежуточных нейтронов используются вторичные источники – рассеиватели из бериллия, водородосодержащих веществ различной толщины, располагаемых в касательных сквозных каналах напротив центра активной зоны и различные фильтры, располагаемые вблизи от обоих выходов. Использование второго выхода ГЭК для формирования диагностических, аналитических и исследовательских пучков нейтронов позволит существенно повысить эффективность НЗТ и использования каналов в целом. Кроме того, работы на касательном канале реактора намного безопасней, чем на радиальных каналах, и поэтому вполне допускают работы с открытым каналом при остановленном реакторе, что позволяет достаточно оперативно изменять формировки терапевтических и диагностических и исследовательских пучков нейтронов. 4. Физические принципы создания капиллярных нейтронно–оптических систем (КНОС) и экспериментального оборудования для НЗТ и других фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами. Разработки и исследования с КНОС подтвердили возможность, целесообразность и перспективность их применения для инвазивной НЗТ (ИНЗТ). С использованием ТПМ получены расч?тные данные характеристик терапевтических пучков, необходимых для ИНЗТ. Экспериментальные возможности применения КНОС в фундаментальных и прикладных исследованиях в естественных науках намного превосходят потребности ИНЗТ. Использование КНОС позволяет за несколько часов полностью изменить назначение и конфигурацию экспериментального оборудования пучков без остановки реактора. Это позволяет многократно повысить эффективность использования экспериментальных каналов исследовательских реакторов и самих исследований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ 1. Комплекс теоретических и полуэмпирических методов оперативных расч?тов (ТПМ) для НЗТ 2. Комплекс экспериментальных физических методов исследования свойств дозообразующих препаратов, оперативной дистанционной дозиметрии облучаемых живых объектов, контроля характеристик терапевтических пучков нейтронов, получения экспериментальных данных для ТПМ НЗТ на основе полупроводниковой спектрометрии мгновенного фотонного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с облучаемыми объектами. 3. Новый метод формирования терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с использованием касательных каналов исследовательских реакторов, различных рассеивателей у активной зоны реактора и различных фильтров в выходной системе коллимации формируемых пучков нейтронов. 4. Физические принципы создания капиллярных создания нейтронно–оптических систем (КНОС) и экспериментального оборудования для НЗТ и других фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами. АПРОБАЦИЯ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ. 1. Third International Symposium on Neutron Capture Therapy, Bremen, FRG 1988. 2. Seventh Symposium on Radiation Measurements and Application, University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, USA, 1990. 3. International Symposium on Neutron Capture Therapy for Cancer, Zurich, Switzerland, 4–7 September 1996. 4. Eighth International Symposium on Neutron Capture Therapy for Cancer. 13-18 September 1998, La Jolla, California, U.S.A. 5. Eleventh International World Congress on Neutron Capture Therapy (ISNCT–11) October 11–15, 2004 Boston USA. 6. X–Ray and Neutron Capillary Optics II. SPIE. Zvenigorod, Russia. 22–26 September 2004. 6. Joint Meeting on Neutron Optics and Detectors. 12–16 January 2004. 7. Всероссийская научно–практическая конференция «Отечественные противоопухолевые препараты», Москва, 17–19 марта 2004. 8. 11th International Congress on Neutron Capture Therapy. USA. October 11–15, 2004. 9. Joint Meeting on Neutron Optics and Detectors. 2004. University of Tokyo, Tokyo, Japan 2004. 10. Всероссийская научно–практическая конференция «Отечественные противоопухолевые препараты», Москва, 16–18 марта 2005. 11. Всероссийская конференция “Радиобиологические основы лучевой терапии”, Москва, 19–20 апреля 2005. 12. VI Всероссийский съезда онкологов, «Современные технологии в онкологии», Ростов–на–Дону, 2005. 12. Международная научно–техническая конференция «Исследовательские реакторы в XXI веке», Москва 20-23 июня 2006 г. Москва. 13. IV съезд онкологов и радиологов СНГ, Баку, 28 октября – 10 ноября 2006. 14. 12th International Congress on Neutron Capture Therapy (ICNCT–12) October 9–13, 2006, Takagava, Kagaka, Japan. 15. 13th International World Congress on Neutron Capture Therapy (ICNCT–13), 2–7 November 2008. Florence, Italy. 16. 14th International Congress on Neutron Capture Therapy (ICNCT–14), 25–29 October 2010, Buenos Ires, Argentina.

Публикации: По теме диссертации опубликовано 43 работы, из них 16 в рецензируемых изданиях (одна монография в ЭЧАЯ), 2 Авторских свидетельства и 2 Патента. СТРУКТУРА И ОБЪЁМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация изложена на 178 страницах, включая 37 таблиц, 48 рисунков и список литературы из 98 наименований и состоит из Введения, четыр?х Глав и Заключения. Каждая из Глав также содержит введение и заключение.

и дозообразующих –содержащих препаратов привлекла внимание специалистов физиков и онкологов США, ещ? в1936 г. Рис. 1. Современные представления ядерных характеристик дозообразующей реакции и характеристиках взаимодействия продуктов этой реакции с биологической тканью.

( –частицы ядра ) соразмерим с размерами биологических клеток. Это обеспечивает преимущественное поражение ДНК клеток опухоли. Кроме того опухоль представляет собой не гомогенную смесь больных и здоровых клеток, а их конгломераты, что усиливает этот эффект. Далее, при поглощ?нной дозе 30 Гр в каждой клетке протекает от 20 до 30 реакций . При этом возникает заметная вероятность разрыва обеих спиралей ДНК, что исключает возможность рекомбинации оборванной спирали в процессе жизнедеятельности клетки до е? естественной гибели, поскольку деление клеток без полноценных ДНК становится невозможным. Реакция сопровождается излучением фотонов с энергией =478 кэВ с высоким выходом = 93,7% слабо поглощаемых в мягких биологических тканях (МБТ), создающее пренебрежимо малые дозы. Это позволяет использовать дозиметрию нейтронов по мгновенному фотонному излучения на всех стадиях НЗТ от пред клинических исследований и диагностики до облучения пациентов. К настоящему времени в Японии достигнуты концентрации в клетках опухоли до 30 ppm, в 7,8 раза, превышающие концентрации в здоровых клетках. Таким образом, –НЗТ обладает такими уникальными возможностями селективного поражения клеток опухоли, какими не обладает ни один другой метод лучевой терапии, что особенно важно при терапии головы и головного мозга человека, где сохранение максимального количества здоровых клеток является такой же важной проблемой, как и поражение клеток опухоли.

Попытки реализации –НЗТ начались в США только со второй половины 50–х годов прошлого столетия. Этот этап совпал со стремительным развитием компьютерных нейтронных расч?тных технологий. Специалистами США в этой области были проведены расч?ты требований к характеристикам терапевтических пучков промежуточных нейтронов и способов реализации этих требований, ставших «каноническими» по настоящее время.

Первые эксперименты с пациентами с использованием двух реакторов, соответствующих этим канонам, к сожалению, не дали подтверждения перспективности – НЗТ для терапии злокачественных опухолей мозга человека. НИР в США в области НЗТ были прекращены до 1996г.

Реализация –НЗТ была продолжена в Японии, начиная 1968 г., где за короткое время было создано 7 реакторов американского типа и были достигнуты определ?нные успехи, поддержавшие продолжение НИР. В России разработки в области –НЗТ проводятся только на уровне НИР.

Реализация –НЗТ отста?т от масштабов этой общечеловеческой гуманитарной проблемы во вс?м мире, как по количеству, так и основному качественному показателю – уровню выживаемости пациентов. И это на фоне фантастических достижений в науке и технике, в областях высоких технологий и в медицине в том числе. Количество пациентов, прошедших –НЗТ во вс?м мире не превышает одной тысячи при выживаемости менее 40%.

Это цифра совершенно очевидно не соответствует уникальным физическим характеристикам реакции . Альтернативные лучевые и не лучевые методы лечения рака развиваются гораздо быстрее.

В–НЗТ. Во вступительном обращении Президент Конгресса сообщил, что Япония сокращает количество своих терапевтических реакторов с 7 до 2. Рис. 2. Выживаемость пациентов в 4–летнем эксперименте по реализации – НЗТ в Японии с уч?том потери ими здоровья в результате проведенного лечения соответствии с Kaplan–Meier Analysis составила не более 39%.

Из рис. 2 следует, что возможности существующих методов исчерпаны и для дальнейшего прогресса в области –НЗТ необходимо создание новых физических направлений е? развития и реализации. ГЛАВА 1. Комплекс теоретических и полуэмпирических методы расч?тов (ТПМ) для НЗТ.

Уже более 50 лет все теоретические расч?ты для НЗТ практически полностью монополизированы методами математического моделирования, в большинстве случаев, с использованием различных модификаций Monte Carlo Neutron Program (MCNP).

Расширение областей применения методов математического моделирования неизбежно приводит к отчуждению специалистов, непосредственно работающих в «объективной реальности» естественных наук, от полного, точного и ясного понимания от основных процессов, протекающих при НЗТ. Этот факт призна?тся и самими специалистами, работающими в «виртуальной реальности».

Основой ТПМ являются классические разделы нейтронной физики: теория замедления, диффузии, рассеяния, отражения и поглощения нейтронов. ТПМ базируется на фундаментальных понятиях физики нейтронов: макроскопических сечениях процессов взаимодействия нейтронов с веществом, альбедо нейтронов, длин замедления, диффузии и миграции нейтронов, ядерных и атомных данных, а также простом и с физической точки зрения очевидном и главное оперативном математическом аппарате.

Эффективная масса вещества в поле медленных нейтронов.

Для создания ТПМ потребовалось введение нового физического понятия – эффективной массы вещества, находящейся в поле медленных нейтронов. Это понятие возникло совершенно естественным образом при рассмотрении нами возможности дистанционной дозиметрии нейтронов по мгновенному фотонному излучению, возникающему при взаимодействии нейтронов с облучаемыми объектами. И только спустя много лет при разработке теории инвазивной НЗТ стало очевидным, что эта количественная характеристика полей медленных нейтронов в облучаемых объектах является столь необходимым недостающим звеном для создания ТПМ НЗТ.

Эффективной массой называется такая масса вещества, в которой протекает такое же количество реакций поглощения медленных нейтронов, какое протекает во вс?м облучаемом объекте, а количество этих реакций в единичной массе постоянно и равно максимальному значению этой величины в облучаемом объекте. Эффективная масса может быть измерена экспериментально и имеет такое же право на существование, как и множество других понятий, используемых в физике.

В соответствии с данным определением:

, (1) где – полное количество реакций поглощения нейтронов в облучаемом объекте, а – максимальное значение количества реакций поглощения медленных нейтронов в единичной массе облучаемого объекта.

Из определения эффективной массы следует, что при делении всей энергии, поглощ?нной в эффективной массе, на эффективную массу получается максимальное значение поглощ?нной дозы медленных нейтронов в эффективной массе. Это определяет физическую значимость понятия эффективной массы для ТПМ. [Дж]/[Гр]=[кг] в системе СИ.

Общие аналитические выражения ТПМ.

Из характеристик реакций медленных нейтронов с нормальной биологической тканью и тканью с целенаправленно измен?нным составом имеет смысл рассматривать только реакции , и реакции с дозообразующими препаратами.

Очевидно, парциальный состав всех дозообразующих реакций может быть рассчитан в соответствии с выражениями:

, (2) где i – индекс поглощающего нейтроны нуклида или ядерной реакции; – сечение ядерной реакции, – относительная массовая концентрация, – атомный вес.

Далее, количество энергии, выделяющейся в каждой ядерной реакции на захват одного медленного нейтрона может быть рассчитано в соответствии с выражениями:

, (3) где – индекс продукта ядерной реакции, – энергия продукта ядерной реакции.

Далее компоненты поглощ?нной энергии на один захват нейтрона рассчитываются в соответствии с выражениями:

, (5) где – доля энергии продуктов ядерных реакций, поглощ?нная в эффективной массе. Для электронов, протонов и тяж?лых заряженных частиц = 1 в предположении, что размеры опухоли много больше длин пробегов всех указанны заряженных частиц. Для фотонов можно получить достаточно достоверные приближ?нные оценки в соответствии с выражениями:

Страницы: 1 2 3 4

Авторефераты, диссертации, научные работы

Публикации 20.02.2012

Другие разделы

Физические основы нейтроно-захватной терапии