Аннотация результатов, полученных в 2018 году
На начальном этапе работы при помощи инструментария GEANT4 была создана упрощенная численная модель терапевтического пучка электронов. Данная модель создавалась с учетом специально полученных для этого процентных глубинных доз пучка электронов в водном фантоме. Измерения проводились с применением международных протоколов на клиническом линейном ускорителе ONCOR Impression Plus фирмы Siemens (Московская городская онкологическая больница № 62). Далее расчетная модель пучка совершенствовалась для достижения максимального соответствия реальным пучкам клинических ускорителей. Во-первых, были определены реальные средние значения для номинальных энергий пучков электронов. Во-вторых, было учтено, что реальные пучки электронов не являются моноэнергетическими. Для этого в модели энергия электронов задавалась по распределению Гаусса, для которого были определены оптимальные параметры, такие как математическое ожидание (средняя энергия электронов) и среднеквадратическое отклонение. В-третьих, в модель были добавлены конструктивные элементы головки клинического ускорителя, был добавлен стандартный аппликатор с квадратным отверстием, крепежные и коллимирующие пластины. При помощи разработанной модели были проведены численные эксперименты по определению процентных глубинных доз в воде, на основе результатов которых было показано, что данная модель, позволяет определять такие важные характеристики, как терапевтический диапазон поглощенной дозы, глубину положения максимального значения и практический диапазон. Дополнительно на основе разработанной модели было проведено теоретическое исследование достоверности дозиметрических измерений глубинной дозы пучка электронов с характеристиками близкими к терапевтическим при продольном расположении пленочного дозиметра при разной плотности облучаемой среды. В исследовании рассматривалось влияние плотности среды, в которой распространяются электроны, на достоверность результатов измерения процентной глубинной дозы (ПГД) при помощи продольно расположенного пленочного дозиметра. Исследование показало возможность применения продольного расположения пленочного дозиметра для измерения глубинного распределения дозы пучка электронов в средах с плотностями от 0,9 до 1,8 г/см3, для определения положения максимума поглощения и терапевтического диапазона для сред с плотностями от 0,4 до 2,3 г/см3, для определения глубины половинной дозы для сред с плотностями 0,7 до 2,1 г/см3. Для определения глубинных распределений доз электронов с энергиями 6 – 12 МэВ в полимерах из АБС, ПЛА и HIPS-пластиков с использованием технологии послойного наплавления были изготовлены специальные тестовые образцы. Экспериментальные исследования по определению глубинного распределения поглощенной дозы пучка электронов в пластиках проводились на клинических ускорителях, применяемых в медицинской практике. Необходимые измерения были проведены в отделении лучевой терапии и радиационной онкологии Университетской клиники Гамбург-Эппендорф (г. Гамбург, Германия). В качестве источника излучения использовался клинический линейный ускоритель электронов TrueBeam 2.0 производства компании Varian. Помимо этого, эксперимент также был проведен на базе Московской городской онкологической больницы № 62 (г. Москва, Российская Федерация). В качестве источника излучения использовался клинический линейный ускоритель электронов ONCOR Impression Plus производства компании Siemens. В ходе экспериментов были получены наборы процентных глубинных дозных распределений электронов с номинальной энергией 6 и 12 МэВ в АБС, ПЛА и HIPS-пластиках. Для оценки соответствия созданной модели реальным пучкам сравнивалась форма полученных в расчетах данных, нормированных на максимальное значение поглощенной энергии электронов в полимерном материале, с процентной глубинной дозой, полученной экспериментально. Было показано, что разработанная модель наиболее точно описывает поведение глубинного распределения дозы пучка электронов в пластиках для области за максимумом поглощения. Незначительные отклонения в поведении кривых за пределами практического диапазона обусловлено наличием фонового тормозного излучения при проведении эксперимента. Смещение положения максимума экспериментальных данных в область меньших глубин и отличие в величине поглощенной дозы до области максимума обусловлено как наличием вклада вторичного излучения, так и наличием воздушного зазора между пластинами полимерного материала, и дозиметрической пленкой при проведении экспериментов. Проанализировав полученные результаты сравнения расчетных и экспериментальных данных можно говорить о применимости разработанной модели для определения минимальной толщины полимерного поглотителя при разработке коллимирующих устройств из пластиков в диапазоне энергий терапевтических пучков. Дополнительно, в рамках данного исследования, была проведена работа, направленная на оценку влияния большей, чем у металлических изделий, толщины пластиковых коллиматоров на рассеивание высокоэнергетических электронов в области края отверстия. Для этого при помощи компьютерного моделирования был проведен расчет распределения дозы электронного пучка, часть которого проходит через коллимационное отверстие без препятствий, а часть поглощается в однородном материале коллиматора из пластика или металла. Также было проведено экспериментальное исследование рассеивания терапевтического пучка электронов на краях металлического и пластикового коллиматоров. В результате расчетные и экспериментальные данные показали хорошее согласие дозных распределений на краях коллиматоров. Кроме научных публикаций результаты данного исследования со ссылкой на Российский научный фонд освещались во всероссийских информационных изданиях: - Ученые ТПУ к 2021 году создадут комплекс, чтобы обезопасить лучевую терапию http://www.rscf.ru/ru/node/uchenye-tpu-k-2021-godu-sozdadut-kompleks-chtoby-obezopasit-luchevuyu-terapiyu - Ученые ТПУ к 2021 году создадут комплекс, чтобы обезопасить лучевую терапию https://www.riatomsk.ru/article/20181213/uchenie-tpu-k-2021g-sozdadut-komplekschtobi-obezopasitj-luchevuyu-terapiyu/?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop - Управлять пучком https://za-kadry.tpu.ru/newspaper/article/view?id=10124

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В рамках выполнения работ по второму году реализации проекта был проведен обзор существующих методов трехмерной печати, в том числе струйная трехмерная печать, селективное лазерное спекание и метод послойного наплавления. Были определены принципиальные для выполнения данного проекта преимущества и недостатки данных методов: струйная трехмерная печать использует доступные материалы, при печати нет необходимости использовать дополнительные конструкции – поддержки, однако есть недостатки, связанные с качеством готовых изделий; селективное лазерное спекание обладает рядом преимуществ, таких как высокое качество изделий, большое разнообразие доступных материалов, однако данная технология использует сложное и дорогостоящее оборудование и изготовленные изделия требуют дополнительной постобработки; метод послойного наплавления является наиболее простым в работе, доступным в отношении цены, обеспечивает достаточно высокое качество и скорость изготовления изделий, основным недостатком данного метода является наличие воздушных полостей в изготовленном изделии. Для решения поставленных в проекте задач был выбран метод послойного наплавления. Среди устройств, работающих на данной технологии, с учетом технических требований, обусловленных задачами данного проекта, был выбран принтер Raise3D Рrо3. Далее были проведены эксперименты по оценке радиационной стойкости изделий, изготовленных методом послойного наплавления из различных пластиков. Были изготовлены образцы разной формы, для дальнейшего исследования их механических свойств до и после облучения. Форма образцов соответствовала требованиям к механическим испытаниям пластмассы. Для исследования изменения свойств пластиковых образцов, изготовленных методами трехмерной печати, половина образцов облучалась электронным пучком, а другая половина являлась контрольной. Облучение проводилось на выведенном электронном пучке микротрона ТПУ. Средняя мощность дозы открытого пучка составляла 9 Гр/мин. Текущие значения фиксировались каждую секунду. Суммарная накопленная доза определялась с учетом глубинного распределения доз электронов в соответствующих пластиках путем интегрирования и составила 1,5 кГр для каждого образца. Было показано, что во время облучения образцов их поглощающие свойства не меняются, также оставались неизменными температура на поверхности образца, его цвет и форма. Никаких признаков плавления или кристаллизации материалов в ходе облучения дозой равной 1,5 кГр обнаружено не было. Данная доза была выбрана, как превышающая максимальное значение, получаемое пациентами в рамках полного проведения курса электронной радиотерапии, обычно не превышающей 0,1 кГр. Далее было проведено сравнение физических и механических свойств облученных и необлученных изделий. В работе определялись следующие параметры: физическая плотность, КТ-индексы, напряжение при сжатии, модуль упругости, изгибающее напряжение. В работе было показано, что значения данных параметров для облученных и необлученных образцов остаются неизменными в пределах погрешностей их измерения. Таким образом, полученные результаты показывают возможность использования любого из рассмотренных пластиков для изготовления коллиматоров, однако оптимальным материалом является ПЛА-пластик, так как изделия из него обладают наибольшими значениями физической и рентгеновской плотностей по сравнению с другими исследованными в работе пластиками, что позволяет уменьшать толщину коллиматоров, а значит экономить время и материалы. Кроме этого ПЛА-пластик достаточно прочен и эффективен, изделия не расслаиваются и не деформируются в рамках печати. На следующем этапе были проведены эксперименты по оценке влияния толщины пластиковых коллиматоров на рассеивание высокоэнергетических электронов в области края отверстия. Для этого был разработан и изготовлен методами трехмерной печати тестовый объект, толщина которого менялась от 1 до 15 см с шагом 1 см. Поперечные размеры каждого элемента составляли 2×3 см2. Пластиковый поглотитель облучался на клиническом ускорителе при энергиях выведенных электронов 6, 12 и 20 МэВ. Были получены экспериментальные кривые, показывающие распределение дозы на границе прямого и поглощаемого пучка. Было показано, что при небольших толщинах пластикового поглотителя значения доз за поглотителем не опускаются до нуля, это обусловлено тем, что в мишени поглощается не весь пучок и, прошедшие через него, электроны вносят вклад в дозу. При приближении толщины поглотителя к толщине, позволяющей полностью поглотить пучок, увеличивается крутизна перепада дозы. Было замечено, что при толщине тестового объекта, позволяющей полностью поглотить пучок и большей кривые совпадают. Это говорит о том, что превышение толщины полного поглощения не вносит дополнительного вклада в рассеяние электронов на краях. В ходе проведения экспериментальных исследований, было обнаружено, что для электронных пучков с энергиями 12 и 20 МэВ при толщинах пластикового поглотителя менее 3 см и менее 4 см соответственно вблизи края коллиматора наблюдается эффект возникновения горячих областей на прямом пучке и холодных областей за поглотителем, который не наблюдался для энергии 6 МэВ. Было определено, что данный эффект «переброски дозы» из области за коллиматором на прямой пучок связан с тем, что электроны, испытавшие рассеяние в поглотителе возле его границы, могут выйти за его пределы, а вероятность вернуться мала. На заключительном этапе работ была проведена оценка эффективности формирования поперечного профиля электронного пучка с помощью пластикового коллиматора. Для этого был разработан и изготовлен пластиковый коллиматор с толщиной – 6 см и поперечными размерами – 10×10 см2. Были проведены эксперименты по формированию поля электронов с энергиями 6 и 12 МэВ с помощью металлического и пластикового коллиматора с отверстием одинаковой формы. Измерения проводились на поверхности тканеэквивалентного фантома и на глубине дозного максимума. Для оценки эффективности формирования полей облучения с помощью предложенного метода, в сравнении со стандартным, для каждого эксперимента были получены матричные данные, представленные в графическом виде, где каждая точка изображения являлась разностью значений доз в данной точке между полями, сформированными металлическим и пластиковым коллиматорами. Было определено, что дозное распределение внутри коллимационного окна, сформированное металлическим и пластиковым коллиматором совпадает в приделах погрешности пленочного дозиметра. Кроме научных публикаций результаты данного исследования со ссылкой на поддержку проекта Российским научным фондом освещались в информационных изданиях. Ниже приведен список ссылок на новости о результатах исследования в СМИ: https://news.tpu.ru/news/2019/11/05/35433/ https://www.riatomsk.ru/article/20200429/tpu-luchevaya-terapiya-onkologiya-patent/ https://news.tpu.ru/en/news/2019/11/06/35482/ https://bioengineer.org/scientists-can-replace-metal-collimators-with-plastic-analogs/

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В рамках выполнения работ по третьему году реализации проекта было проведено исследование по определению минимальных размеров отверстий, позволяющих эффективно формировать медицинский электронный пучок. Для этого было разработано тестовое изделие, которое имело 12 круглых отверстий с разными диаметрами, а именно 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 12, 14, 16, 18, 20 мм. Для исключения взаимного влияния расстояния между отверстиями составляли не менее 10 мм. Тестовое коллимационное изделие было изготовлено из ПЛА-пластика методами трехмерной печати. Были проведены экспериментальные испытания по формированию электронного пучка тестовым объектом. Дозные распределения были получены с помощью пленочных дозиметров. Было показано, что излучение, проходящее через отверстия с диаметрами 4, 5 и 6 мм, доставило до пленки дозу, значительно ниже максимума, соответствующего прямому пучку. Это обусловлено тем, что рассеяние на краях отверстий с такими характерными размерами вносит слишком заметный вклад, что, в свою очередь, не позволяет эффективно сформировать электронный пучок. Полученные результаты говорят, что отверстия в ПЛА-пластике с диаметрами менее 6 мм не могут качественно коллимировать медицинский электронный пучок с энергией 12 МэВ, и при создании устройств, формирующих поперечный профиль, необходимо избегать линий с радиусом кривизны менее 7 мм, при этом для линий с радиусом кривизны менее 9 мм, необходимо учитывать, что в области таких искривлений будет уменьшение дозы от прямого пучка. Полученные в экспериментах результаты показали, что при изготовлении коллиматора с двумя и более непересекающимися отверстиями необходимо учитывать повышение дозы в закрытой области. Также, данный эффект приводит к уменьшению дозы в области отверстий. Полученные результаты показали, что отверстия с диаметром более 16 мм позволяют получить максимум дозы, соответствующий прямому пучку, в центральной области отверстия, в то время как отверстия с диаметрами 10, 12 и 14 мм позволяют получить распределение, максимум дозы в котором составляет лишь 75% от дозы прямого пучка. С уменьшением диаметров отверстий уменьшается максимум дозы в сформированном распределении. Описанные эффекты необходимо учитывать при планировании процедур облучения. На следующем этапе было разработано программное обеспечение, которое, основываясь на данных, полученных программным пакетом, предназначенным для расчета и планирования процедур лучевой терапии, создает виртуальную объемную модель коллиматора с заданными характеристиками, учитывающими результаты расчетов планирующей системы. Программное обеспечение разрабатывалось на высокоуровневом языке программирования Python. Разработанная программа является встраиваемым модулем для профессионального программного обеспечения c открытым кодом, предназначенного для создания трёхмерной компьютерной графики Blender. Для создания коллиматора в системе дозиметрического планирования XiO с помощью встроенной функции в соответствии с контуром новообразования определяется форма отверстия, необходимая для корректного облучения очага. Система планирования описывает форму отверстия замкнутой ломанной линией и задает координаты вершин фигуры. Эти данные можно экспортировать в файл формата DAT, который содержит данные о координатах коллимационного отверстия, центром которого является начало координат. Разработанное программное обеспечение имеет графический пользовательский интерфейс, с помощью которого можно задавать энергию облучения и необходимые поперечные размеры коллиматора в соответствии с планом облучения и используемым аппликатором ускорителя. Также интерфейс программы позволяет импортировать файл, экспортированный из системы планирования. Для выбора толщины коллиматора в соответствии с энергией электронного пучка были использованы результаты, полученные на первом году реализации проекта. Программное обеспечение на основе введенных пользователем данных и импортированного файла создает трехмерную модель коллиматора, которая экспортируется в файл формата STL, пригодный для работы устройств трехмерной печати. Для дальнейших испытаний коллиматоров были выбраны три реальных клинических случая, требующих облучения опухолей кожи носа электронными пучками с разной энергией: 6, 9 и 12 МэВ. На основе планов облучения выбранных случаев с помощью разработанного программного обеспечения были созданы модели коллимационных устройств. Коллиматоры были изготовлены из ПЛА-пластика. На следующем этапе исследования были проведены эксперименты по формированию клинических электронных пучков с помощью изготовленных пластиковых коллиматоров. Эксперименты проводились на медицинском линейном ускорителе Elekta Synergy. В качестве детектора использовался широко применяемый в клинической дозиметрии матричный детектор MatriXX Evolution, который располагался на глубине дозного максимума в твердотельном тканеэквивалентном фантоме. Глубина дозных максимумов в фантоме для энергий 6; 9 и 12 МэВ составляла 1,3; 2,0 и 2,7 см соответственно. Были получены результаты экспериментальных исследований пластиковых коллиматоров, которые показали возможность формирования поперечного профиля медицинского электронного пучка с энергией 6; 9 и 12 МэВ с помощью коллиматоров из ПЛА-пластика, изготовленных методами трехмерной печати. Для всех рассмотренных случаев в области поля закрытого пластиком доза не превышает 0,1 Гр, что говорит об эффективном поглощении электронного пучка материалом коллиматора. Далее было проведено сравнение сформированных электронных полей облучения, которые были получены в системе планирования и измерены экспериментально. Для каждого рассмотренного случая было показано, как количественное совпадение рассчитанного и экспериментального дозного распределения электронного пучка, так и качественное совпадение формы поля с коллимационным окном. Все полученные в экспериментах профили совпали с расчетными с точностью 2%, что соответствуют требованиям к верификации планов облучения.