Бесплатный автореферат и диссертация по биологии на тему

Физические основы нейтроно-захватной терапии

ВАК РФ 03.01.01, Радиобиология

Автореферат диссертации по теме "Физические основы нейтроно-захватной терапии"

На правах рукописи

БОРИСОВ Георгий Иванович

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ НЕЙТРОНО-ЗАХВАТНОЙ ТЕРАПИИ

Специальность 03.01.01-01 - Радиобиология

5 ДПР 2012

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора физико-математических наук

005018172

Москва — 2012

005018172

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном учреждении Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»

Официальные оппоненты: Доктор физико-математических наук

профессор

Климанов Владимир Александрович

Доктор физико-математических наук профессор

Кураченко Юрий Александрович

Доктор технических наук профессор

Наркевич Борис Ярославович

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное учреждение «Медицинский радиологический научный центр». Министерство здравоохранения и социального развития

диссертационного совета Д501.001.65 при Московском государственном университете им. М.В. Ломоносова по адресу: 119899, Москва, Ленинские горы, МГУ, Биологический факультет.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета имени М.В. Ломоносова. Отзывы просим посылать по адресу: Т.В. Веселовой, Биологический факультет МГУ, Ленинские горы, Москва, 119991.

Автореферат разослан «_» «_» 2012 года

г. Обнинск.

Защита диссертации состоится «

» 2012 г. в

часов на заседании

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор биологических наук

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 решённой проблемой медицины. Разработанные в середине прошлого века в США физические основы реализации НЗТ позволяют проводить только ограниченные объёмы 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.

Целью работы являлось создание полного нового и эффективного комплекса теоретических и экспериментальных физических методов и средств реализации 10В-НЗТ. В связи с этим были поставлены и решены следующие задачи:

1. Разработка комплекса теоретических и полуэмпирических методов оперативных расчетов (I1IM) НЗТ, доступного для физиков, врачей, биологов, студентов и всех специалистов, занятых в проблеме НЗТ.

2. Разработка унифицированной экспериментальной базы для обеспечения всего комплекса необходимых физических исследований, измерений, диагностики, планирования и контроля НЗТ на всех стадиях.

3. Теоретическое и экспериментальное обоснование новых методов формирования терапевтических, аналитических, диагностических, и исследовательских пучков нейтронов с использованием касательных каналов исследовательских реакторов средней мощности для различных моделей НЗТ, ориентированных на повышение выживаемости пациентов, увеличение объёмов реализации, снижение их радиационной травматичности и стоимости.

4. Разработка, создание и освоение капиллярных нейтронно—оптических систем (КНОС) для реализации инвазивной 10В—НЗТ (ИНЗТ) на тепловых нейтронах с использованием естественных и создаваемых полостей головы и шейного отдела человека для расширения возможностей 10ß— НЗТ

Научная новизна. Впервые разработан комплекс ТПМ НЗТ для оперативных расчётов 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 Т11М 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 г. Буэнос Айрес (Аргентина) в 2010 г.).

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

Практическая ценность

1. Комплекс теоретических и полуэмпирических методов расчётов (ТПМ) для НЗТ. Разработанный комплекс ТПМ является общедоступным инструментом оперативных расчётов характеристик терапевтических пучков и характеристик самой НЗТ в различных моделях её реализации. Каждый участник работы может производить любые (даже самые фантастические) эксперименты в области «аналитической виртуальной реальности» ТПМ и получать количественные оценки результатов этих экспериментов. Может быстро оценить целесообразность НЗТ в зависимости, например, от достигнутой концентрации дозообразующих препаратов в опухоли и их фармакокинетики в организме пациента. ТПМ можно легко 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 расчётов, 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, графита и водородосодержащих веществ различной толщины, располагаемые 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 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 расчётные 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 обеспечивает многократное повышение эффективности использования касательных экспериментальных каналов исследовательских реакторов и самих исследований.

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

1. Комплекс теоретических и полуэмпирических методов оперативных расчётов (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 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-I3), 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 на русском и английском языках в ЭЧАЯ и Physics of Particles & Nuclei), 2 Авторских свидетельства и 2 Патента.

Структура и объём диссертации. Диссертация изложена на 178 страницах, включая 37 таблиц, 50 рисунков и список литературы из 99 наименований и состоит из Введения, четырёх Глав и Заключения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Введение. Нейтроно-захватная терапия с использованием ядерной реакции 10В(jl, ССу)7Li и дозообразующих 10В-содержащих препаратов (105 — НЗТ) привлекла внимание специалистов физиков и онкологов США, ещё в1936 г.

Ш4 П

■£0кэВ1б.З .1

70кэВ(93,7§| *

1

пщ

С'........ 7ИИ010кэВ1*',Не|1780кэВмб.З |

7М(840кэВ! + "*Не(1470кэВ П93,7%| 1-»Х(478кэВ)

Рис. 1. Современные данные о ядерных характеристик дозообразующей реакции 10В(п,ау)7Ы и характеристиках взаимодействия продуктов этой реакции с биологической тканью.

Из Рис. 1 следует, что суммарный пробег продуктов реакции 10f? (п, ffy)7Li (ОС— частицы и ядра 7Li) 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 поглощённой дозе 30 Гр в каждой клетке протекает от 20 до 30 реакций ^¡¡(п^ССу^Ы. При этом возникает заметная вероятность разрыва обеих спиралей ДНК, что исключает возможность рекомбинации оборванной спирали в процессе жизнедеятельности клетки до её естественной гибели, поскольку деление клеток без полноценных ДНК становится невозможным. Реакция сопровождается излучением фотонов с энергией £«=478 кэВ с высоким выходом /у = 93,7% слабо поглощаемых в мягких биологических тканях

(МВТ), создающее пренебрежимо малыз дозы. Это позволяет использовать дозиметрию нейтронов по мгновенному фотонному излучению на всех стадиях НЗТ от предклинических исследований и диагностики до облучения пациентов. К настоящему времени в Японии достигнуты концентрации

юв

в клетках опухоли до 30 ррт, в 8 раз, превышающие концентрации В в здоровых клетках МВТ. Таким образом, 10 в 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 10В-НЗТ начались в США только со второй половины 50-х годов прошлого столетия. Этот этап связан со стремительным развитием методов математического моделирования и компьютерных нейтронных расчётных технологий. Специалистами США в этой области были проведены расчёты требований к характеристикам терапевтических пучков промежуточных нейтронов и способов реализации этих требований, ставших и остающихся «каноническими» по настоящее время.

Первые эксперименты с пациентами с использованием двух реакторов, соответствующих этим канонам, к сожалению, не дали подтверждения перспективности 10Я — НЗТ для терапии злокачественных опухолей мозга человека. НИР в США в области НЗТ были прекращены до 1996 г.

Реализация 105-НЗТ была продолжена в Японии, начиная 1968 г., где за короткое время было создано 7 реакторов американского типа и были достигнуты определённые успехи, поддержавшие продолжение НИР. В России разработки в области

10В-НЗТ проводятся очень вяло и только на уровне НИР.

Реализация 10В-НЗТ отстаёт от масштабов этой общечеловеческой гуманитарной проблемы во всём 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 10В-НЗТ во всём мире не превышает одной тысячи при выживаемости менее 40%.

Это цифра совершенно очевидно не соответствует уникальным физическим характеристикам реакции 10B(n,CCy)7Li. Альтернативные лучевые и не лучевые методы лечения рака развиваются гораздо быстрее.

На 12—ом Международном Конгрессе по НЗТ в 2006 г. Япония представила полные протоколы результатов своих последних 4-летних исследований по 10В-НЗТ. В работе принимали участие 4 Университета, 2 Онкологических клиники и 12 авторов самой высокой квалификации в области НЗТ. По—видимому, достигнутая выживаемость недостаточна для достижения необходимой конкурентной способности 10В-НЗТ. Во вступительном обращении Президент Конгресса сообщил, что Япония сокращает количество своих терапевтических реакторов с 7 до 2.

Outcome of ВИСТ for 21 Patients

Months after BNCT

Рис. 2. Выживаемость пациентов в 4-летнем эксперименте по реализации — НЗТ в Японии с учётом 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 10В-НЗТ необходима разработка новых

физических направлений её развития и реализации.

ГЛАВА 1. Комплекс теоретических и полуэмпирических методы расчётов (ТОМ) для НЗТ.

Уже более 50 лет все теоретические расчёты 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 основных процессов, протекающих при НЗТ. Этот факт признаётся 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 ноле 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 ИЦфф называется такая масса вещества, в которой протекает такое же количество реакций поглощения медленных нейтронов, какое протекает во всём 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:

ГОэфф = макс (1)

где ДОпог - полное количество реакций поглощения нейтронов в облучаемом объекте, а (йЫП0Г/с1ш)МЮцС— максимальное значение количества реакций поглощения медленных нейтронов в единичной массе облучаемого объекта.

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

Для наглядной оценки области облучаемого объекта, где поглощённая доза нейтронов превышает половину максимального значения, целесообразно ввести ещё одно новое понятие дозиметрии нейтронов — терапевтическая масса, значение которой определяется экспериментальным путём.

Общие аналитические выражения ТПМ.

Из характеристик реакций медленных нейтронов с нормальной биологической тканью и тканью с целенаправленно изменённым составом имеет смысл рассматривать только реакции 1Н(п,у)2Н, 14N(11, р)14С и реакции с дозообразующими препаратами.

Очевидно, парциальный состав всех дозообразующих реакций т9?еаК может быть рассчитан в соответствии с выражениями:

^ак = О^М)/1,1 {а^/Ад, (2)

где I - индекс поглощающего нейтроны нуклида или ядерной реакции; Щ - сечение ядерной реакции, /с^ - относительная массовая концентрация, А^ — атомный вес.

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

Явыд = (^¿М) Е/ Ей/2.1 (3)

где ] - индекс продукта ядерной реакции, Еу - энергия продукта ядерной реакции.

Полное количество выделившейся энергии и поглощённой энергии на один захват нейтрона Евы„ может быть вычислено из выражений (4) - (9):

£Выд = (Xifriki/AO Zj Etf/Zt faki/Ai), (4)

Далее компоненты поглощённой энергии на один захват нейтрона ог рассчитываются в соответствии с выражениями:

Ei,йог = (Ciki/Ai) Yj SijEij)/(Li (Tiki/Ai), (5)

где Sij - доля энергии продуктов ядерных реакций, поглощённая в эффективной

массе. Для электронов, протонов и тяжёлых заряженных частиц Sij = 1 в предположении, что размеры опухоли много больше длин пробегов всех указанны заряженных частиц. Для фотонов можно получить достаточно достоверные приближённые оценки в соответствии с выражениями:

™Эф = Рмбт • (4я/3) • Я^, Ly,cp = (37Г/8) • Д^Цф, (6), (7),

где РмБТ -плотность МБТ, Дщзф - радиус эффективной массы, принимаемую за сферическую, Ly Cp - средний пробег фотонов в эффективной массе, Мэн,/; у —

линейный коэффициент поглощения фотонов. Последние три выражения естественно являются приближенными, но в большинстве случаях форма эффективных масс близка к сферической. А приведенные выше оценки дают именно максимальные значения коэффициентов поглощения фотонов.

Далее полная поглощённая энергия в заданной массе на один захваченный нейтрон Епог определяется из выражения:

£пог = (EiOifciM) Z.j Si,jEij)/(£i Giki/Ai), (9)

Целесообразно ввести общую характеристику радиационной травматичности конкретных методик НЗТ в виде отношения всей энергии покинувшей эффективную массу к поглощённой к ней энергии:

G = (Явыд- Епот)/Епот. (10)

Общие аналитические выражения ТПМ представляют собой очевидный аналитический аппарат вычисления средних значений выделившейся и поглощённой в эффективной массе энергии продуктов ядерных реакций со статистическими весами, равными макроскопическим сечениям дозообразующих ядерных реакций

Теоретические и полуэмпирические методы расчётов (ТПМ) для ИНЗТ.

При ИНЗТ пучок нейтронов вводится внутрь фантома, тела животного или пациента через существующие либо создаваемые хирургическим путём полости. При

этом облучаемый объект представляет собой практически идеальную ловушку нейтронов и подавляющая часть всех нейтронов, попавших внутрь объекта через входное отверстие, будут поглощены внутри него, (и это существенно упрощает теорию). Из этого факта следует, что:

N„or = <Риуч ' *пуч, (dN/dm)макс = • Епог (11). (12) где Nuor — количество поглощённых нейтронов, (рПуЧ - полный поток нейтронов (не зависимо от спектрального состава, поскольку ловушка поглотит все нейтроны), 5пуч

- площадь вводимого пучка нейтронов, <РмедС ~ максимальное значение плотности потока медленных нейтронов в облучаемом объекте, которое из-за процессов многократного рассеяния нейтронов в облучаемом объекте может несколько превосходить $>пуч> а Хпог = Ei ^А ^Ч ~ полное макроскопическое сечение поглощения медленных нейтронов облучаемым объектом.

В точном соответствии с определением эффективной массы:

™эф = («Рпуч/^мед ) ■ OWEnor ) (13)

и l/il + s^/n-Ll-)^^/ <р^с<1 (14)

где ( Ь^ - длина диффузии теплового нейтрона).

Для рассматриваемых случаев 0,9 < <Рпуч/<Рмаед ^ 1,0

Далее расчёт плотности потока терапевтического пучка нейтронов, необходимой для достижения заданной мощности поглощённой дозы в максимуме пространственного распределения медленных нейтронов и кермы промежуточных нейтронов:

<Р = Шмакс/dt) • ТПэф/Епог • (15)

где (бЩцакс/dt)=20 Гр/час Епог. - поглощённая в объекте энергия на один поглощённый нейтрон.

Керма промежуточных нейтронов КПр (включая и быстрые нейтроны) терапевтического пучка нейтронов при ИНЗТ рассчитывается в соответствии с выражением:

*пр = (dDMaKC/dt) . (к/(О) • (1 /(р) , (16)

где (р - полная плотность потока нейтронов (включая тепловые, промежуточные и быстрые нейтроны); к = 0,1- допустимое (по нашему мнению) соотношение

поглощённой дозы промежуточных и быстрых нейтронов на поверхности объекта и дозы медленных нейтронов в максимуме их пространственного распределения; (О к 0,25 парциальный вклад промежуточных и быстрых нейтронов в полный флюенс нейтронов (характеристика конкретных терапевтических пучков).

Общее количество всех ядерных реакций Л^ц, и количество каждой реакции ЭД.кл в одной клетке массой, например, 74^=1,5-1,5-1,5-р^^ = 0,422 ми-соответствующие заданной поглощённой дозе нейтронов можно рассчитать в соответствии с выражениями:

^КЛ = Откл/Епог , ^>кл = Ыкл • 06), (17)

Результаты расчётов характеристик ИНЗТ с использованием ТПМ

Количество приводимых примеров расчетов с использованием ТПМ ограничено, поскольку рассчитать всё многообразие конкретных комбинаций характеристик НЗТ просто невозможно, а для каждой конкретной комбинации проще произвести самостоятельные расчёты, овладев исключительно простой и очевидной теорией ТПМ.

В аналитических выражениях и таблицах нижние индексы н, N. 6ы,10 в, ей, 235и соответствуют ядерным реакциям. Верхние индексы вП,10В, й(1, 235и соответствуют введенным дозообразующим препаратам. Индекс МБТ— соответствует мягкой биологической ткани.

Каждый результат, полученный с использованием ТПМ НЗТ, представляет собой мини эксперимент в доступном мире «виртуальной аналитической реальности» как по времени, так и по стоимости.

В первом эксперименте (левая колонка Табл. 2) облучалась опухоль МБТ эффективной массой Шэф.= 20г без введения дозообразующих препаратов. Во втором эксперименте (правая колонка Табл. 1) облучалась такая же масса опухоли, содержащей 30 ррш 10В.

Таблица 1. Сравнение характеристик ИНЗТ мягкой биологической ткани (МБП) _и ткани, и ткани, содержащей 30 ррш д_

№ МБТ МБТ+ кюв

1 Шэф = 20 г; 5пуч = 0,442 см2 771дф = 20 г; 5пуч = 0,581 см2

2 т9н = 0,914; т9н = 0,086 $10 з = 0,247

3 Евъщ = 2085 кэВ юв Евыд = 2518 кэВ

4 ^погл ~ 155,3 кэВ юв £'погл = 704кэВ

5 ^МБТ = 12,4 ^МБТ+10В =2'0

6 <р = 1,5-Ю10 см 2-с 1 (р = 2,5-109 см"2 с"1

7 ^МБТ = 2,2-10 13 Гр-см2 -12 2 ^МБТ+10В = 1,31-Ю" Гр-см

8 N =509; Мюв = 0 Nl0B = 27

Из левой колонки Табл. 1 следует общий вывод о том, что НЗТ МВТ без изменения характеристик её взаимодействия с нейтронами практически не имеет физического смысла.

Следует обратить особое внимание на расчётные значения необходимых плотностей полных потоков нейтронов, для достижения максимальной мощности поглощённой дозы нейтронов 30 Гр/час в МБП и для ткани с концентрацией — 30 рртп (правая колонка Табл. 1) Отношение этих значений определяет контрастность терапии.

Для МВТ без 10В и МБП с концентрацией

юв

— 30 рртп

контрастность равна = 6. При отношении концентраций 10В в раковых и здоровых клетках « 8, контрастность снижается до « 5. Это интересный и важный результат.

В диссертации для различных моделей НЗТ и для возможных дозообразующих препаратов с 10В, 6Ы, й(1 И 23®[/ приводится также ограниченное количество примеров расчётов. Рассматриваются также перспективы замены обычной воды тяжёлой водой.

Теория НЗТ на тепловых нейтронах

Для узких пучков нейтронов (зПуЧ « 71 где Ь^ - длина диффузии

теплового нейтрона, 771эф может быть рассчитана из очевидных выражений, также вытекающих из определения эффективной массы:

Щ>ф = (!-/?)• ^пуч/Епог . (18)

где /? — альбедо облучаемого объекта, а множитель (1 — /?) учитывает утечку нейтронов из облучаемого объекта.

Для широких пучков нейтронов » яХ^ эффективная толщина слоя ткани, облучаемой медленными нейтронами, вычисляется из выражения:

Лзфф (г/см2) = (1 - /?)/(! + Ю • Епог . (19)

где множитель (1 + /5) в знаменателе учитывает увеличение плотности потока нейтронов на входе широкого пучка в облучаемый объект за счёт вылетающих нейтронов.

Из общей теории диффузного отражения нейтронов с использованием справочных данных значения альбедо может быть определено из выражения:

р = [1- (2/з)ал)]/[1+(2/з (20)

где Ь^ — • • к^) - длина диффузии, которая зависит от

концентрации введённых препаратов, Ь^ - длина переноса нейтронов. Ь^ И Ь( не зависят друг от друга.

Выражения для вычисления плотности потока тепловых нейтронов для достижения мощности поглощённой дозы нейтронов 30 Гр/час для узких и широких пучков имеют вид:

(р73 = (йЯМ)макстэфф/5пуч£погл(1 - /?) (21)

<РШИР = (^/^Омакс/ЯпоглЦ + /?) (22)

Результаты численных расчётов характеристик НЗТ поверхностных опухолей на

тепловых нейтронах.

Применение ТПМ позволило, наконец, объяснить слабеющий с годами, но не

исчезающий интерес к Сс/-НЗТ при чрезвычайно высоких концентрациях бс/ в опухоли, достигающих 13500 ррт.

Парциальный вклад реакций нейтронов с природными элементами МБТ пренебрежимо мал. Вклад в поглощённую дозу процессов, обусловленных внутренней

конверсией фотонного излучения не играет определяющей роли и составляет

30% и 18% для широких и узких пучков, соответственно.

Таблица 2. Сравнение характеристик НЗТ на широком и узком пучках (правый и левый столбцы таблицы) тепловых нейтронов при концентрации И в ткани 13

500 ррт.

№ МБТ + &И = 13500 ррт МБТ + кда = 13500 ррт

1 Лэф = 0,411 г-см" 7Пэф = 10 г; ^пуч = 24,3 см

2 ^Г = 0,991 С** = 0,991

Еу,вй,выд = 7386 кэВ Ну,Сй1ивд = 738бкэВ

Ее,С<1,*ыд = 64>4 кэВ Ее.Сй,выд = 64>4 кэВ

4 Ey.Gd.nor = И8 кэВ ^у.6^пог = 286кэВ

Ее,ва,пот = 64 >4 кэВ £'е,С(1,пог = 64,4кэВ

5 G =34 G =20

6 (ртеп = 1,5-10 см -с 7 -2 -1 (¡°теп =6,110 см С

7 ^МБТ = 1.2-10 'U Гр-см2 ^МБТ+10В — 2,0-10 Тр-см

8 N = 369, Nqú =366 N = 226,NGd =223

Результат «виртуального эксперимента» {Табл. 2) объясняет, почему остаётся популярной гадолиниевая терапия и почему нужны такие высокие концентрации гадолиния. Эта терапия позволяет достичь необходимой мощности дозы при низких требованиях к характеристикам нейтронных пучков при высокой радиационной травматичное™ НЗТ и высокой стоимости источника фотонов в качестве исследовательского атомного реактора.

№ МБТ + 10fi;/?= 0,637 МБТ+10В + D2O) Р = 0,753

1 /гэф = 4,87 г-см Пэф — 4,87 г-см

2 i9ioB =0,513 дюв =0,806

3 G = 0,51 G = 0,11

4 (ртеп =8,0-10 см -с •Ртеп =5,1-10 см -с

5 ^МБТ = 1.5-10 12 Гр-см2 ^MBT+D20 = 7,6-Ю"12 Гр-см2

Рис. 3. Результаты НЗТ терапии паротидной опухоли гланд.

Наблюдаемый положительный результат, представленный на Рис. 3, оправдывает проведение нами эксперимента в «виртуальной аналитической реальности» МБТ, с внешним введением тяжёлой воды и В- содержащих препаратов, хотябы потому, что такие эксперименты полезны и ничего не стоят.

Таблица 3. Сравнение характеристик НЗТ МБТ и МБТ с В20 (кИ = 0,0185 ) в геометрии широкого пучка кюв = 100 ррт .

BNCT: parotid gland tumor

После облучений 5 месяцев после облучения

ЛГюв = 28

ЛГюв = 32

Полученные результаты (Табл. 3.) показывают, что такая В-НЗТ будет иметь очень хорошие характеристики при низких требованиях к параметрам терапевтических пучков. Но достижение столь высоких концентраций В является проблематичным.

Полуэмпирическая теория НЗТ на промежуточных нейтронах.

Благодаря высоким содержаниям водорода все биологические объекты являются эффективными замедлителями нейтронов. Поэтому при любом энергетическом составе внешнего нейтронного поля, прежде всего в них образуется поле медленных нейтронов Еп < 0,4 эВ. Деление энергетических интервалов для элементов МБТ является довольно условным понятием, поскольку сечения протекающих ядерных реакций обратно пропорционально скоростям нейтронов, а плотности потоков нейтронов им прямо пропорциональны.

Именно продукты ядерных реакций медленных нейтронов с нуклидами МБТ и с введёнными дозообразующими нуклидами и создают терапевтическую дозу при НЗТ.

Для того чтобы использовать ТПМ НЗТ на промежуточных нейтронах достаточно измерить для необходимого дискретного набора жидких тканеэквивалентных фантомов и узких терапевтических пучков следующие характеристики:

1. Значения эффективных и терапевтических масс (Табл. 4). В пределах терапевтической массы плотность потока медленных нейтронов отличается от максимального значения в 2 раза в меньшую сторону;

2. Значения альбедо для конкретных терапевтических пучков (Табл. 4). распределения плотностей потоков медленных нейтронов по оси пучка в фантомах;

3. Распределение плотностей потоков медленных нейтронов по оси пучка.

Подробное рассмотрение экспериментальных методов и средств измерений для

получения экспериментальной информации необходимой для ТПМ приведено в Главе 2 диссертации.

Далее, учитывая, что поверхности с одинаковыми плотностями потоков медленных нейтронов близки к сферическим, выражение для вычисления эффективной массы в зависимости от площади терапевтического пучка нейтронов в соответствии с определением эффективной массы может быть записано в виде:

пуч ) — ™эф,м ин 'Рмакс^пуч/ /д

{(р[у/(Д2+Лй2)]й}с*к, (23)

где ^пуч — радиус пучка нейтронов, Шэф мин - минимально возможное значение эффективной массы биологической ткани при облучении объекта узкими пучками

промежуточных нейтронов, <рмакс максимальный поток медленных нейтронов для узкого пучка, (р (7? 2 + АЯ2^ -постоянная плотность потока медленных

нейтронов на поверхности сферы с радиусом у/(Д2 + АЯ2Х (0 > Я > Япуч), Я -

переменная интегрирования, АЯ-расстояние от максимума пространственного распределения медленных нейтронов до центра сферической поверхности с радиусом

Я.

Введение различных дозообразующих препаратов, естественно приводит к изменению значений эффективных масс, облучаемых медленными нейтронами. В связи с этим возникает необходимость разработки математического аппарата для оперативных теоретических расчётов этих изменений.

Таблица 4. Экспериментальные результаты измерения характеристик пространственных распределений медленных нейтронов в водном растворе мочевины с содержанием азота 2,6% при различных способах формирования

Измеряемая величина Фильтры для формирования энергетического спектра пучка нейтронов

Без фильтра 5702 О/ Ре, А1, 5

-2 -1 «Рмакссм с 4,26-108 1,78-108 1,01-Ю7 2,34-106 6,03-Ю4

Шэф, г 15,5 8,74 238 462 383

/? отн.ед 0,61 0,76 0,43 0,32 0,28

Для узких пучков промежуточных нейтронов выражение для значений эффективной массы может быть записано в виде выражений:

т^ = (4ТГ/3) • (Мпп%УРмБТ (24)

М7АП = [(С6")2 + (^)Г2 (25)

где Мпуч - длина миграции нейтрона (полное среднее расстояние между точкам

рождения и поглощения нейтрона), /?МБП плотность МБП, Ь^ - длина диффузии теплового нейтрона (среднее расстояние между точками рождения и поглощения теплового нейтрона), ¿5)Пуч длина замедления нейтрона (среднее расстояние между точкой рождения и точкой, в которой он достиг тепловой энергии).

Более того, с использованием приведённых выше выражений можно рассчитать длину замедления нейтронов £5(Пуч того спектра терапевтического пучка, который соответствует измеренному значению эффективной массы, а также форме и размерам облучаемого объекта в соответствии с выражением:

, 1/3 >1/2

¿.пуч = {[(9 • [(тзфСГ/16 ■ • Рмвт) - (¿Г)2] ^

,(26)

1преп=1Н202н20/5:преп^ (27)

где - длина диффузии тепловых нейтронов в МБП, - длина диффузии

тепловых нейтронов в воде, Х**2® - макроскопическое сечение поглощения тепловых нейтронов в воде, - макроскопическое сечение поглощения нейтронов в МБТ.

Из теории замедления нейтронов следует, что длина замедления и длина диффузии не зависят друг от друга.

Для расчётов поглощённых доз нейтронов и временных режимов НЗТ необходимо также обладать возможностью оперативных расчётов альбедо облучаемых объектов при изменении их состава путём введения дозообразующих препаратов.

При НЗТ понятие «альбедо» определяется по отношению разности числа нейтронов, упавших на объект и числа поглощённых в нём нейтронов к числу

нейтронов, упавших на объект. Расчёт — альбедо для дискретного набора

облучаемых объектов для конкретных терапевтических пучков при достигнутой концентрации препарата производится в соответствии с выражением:

/СГ = С1" 2/3 ' Чпуч АГП)/(1 + 2/3 • Ь^/ЬПГ). (28)

где - длина переноса нейтронов в фантоме для определённого способа

формирования терапевтического пучка и определённой геометрической форме и размерах фантома, которая измеряется для того же фантома при элементном составе эквивалентном нормальной биологической ткани в выражениях:

/С = (1 - 2/3 . 4а^чЛГ)/(1 + 2/3 • ) (29)

¿МБТ = ¿Н20 Ен20 /£МВТ 5 ¿преп = ¿Н20 ^О /£преп (щ> (31)

Таблица 5. Результаты расчётов значений эффективных и терапевтических масс нормальной биологической ткани для различных площадей терапевтических пучков промежуточных нейтронов.

Измеряемая величина Способ формирования энергетического спектра терапевтического пучка нейтронов

С<1 10В Бе, А1, Б

^.пуч» см 2,79 4,0 3,64

Л фан Р пуч 0,43 0,32 0,28

/фан ™ пуч ' см 1,58 2,04 2,16

*^пуч — ^ ^^ тэфф< г 238 462 383

ТП-гер< г 48 144 83

^пуч = 3,14 см2 тэф,г 286 492 420

ГПкр.г 58 153 91

»$пуч = 12,6 см тэ ф|г 430 595 540

т^.г 87 185 117

¿■пуч = 28,3 см2 тЭф,г 621 753 746

Шгср, г 125 156 161

^пуч = 50,3 см2 тэф,г 897 997 1087

Ш-тер/ г 181 234 235

^пуч =78,5 см тэф,г 1280 1284 1570

ТИгер, г 258 400 340

, „ /?(>ан

5,пуч — длина замедления промежуточных нейтронов терапевтических пучков, р гтуч

- альбедо фантома при облучении его терапевтическим пучком промежуточных нейтронов. - длина переноса нейтронов в фантоме.

Эффективный нижний энергетический порог спектрального распределения медленных нейтронов с фильтром из С(1 составляет 0,4 эВ, с используемым фильтром из 10В 795 эВ. С использованием фильтра Ре, А1, Б получаются квази-моноэнергетические нейтроны с энергией 24 кэВ малой интенсивности. Они могут представлять интерес для многих исследований с нейтронами и, в частности, в медицине.

Важнейшей проблемой НЗТ является оптимальный выбор площадей терапевтических пучков нейтронов. Во всём мире эти площади превосходят 78,5 см2, т.е. имеют диаметр более 10 см. ТПМ позволяет рассчитывать значения ТПЭф и значения отношений плотностей потоков медленных нейтронов в максимуме их

пространственного распределения к максимально возможному <рС^пуч)/•¡Рмако которое достигается при бесконечном увеличении их площади.

Рис. 4. Зависимости Шэф и отношения (р (З'пуч) / <Рмакс от площади терапевтического пучка.

Линейная зависимость 7Пэф от ^пу,, (Рис. 4) доказывает, что увеличение площади пучка не приводит к увеличению глубины проникновения поля медленных нейтронов в облучаемый объект. Разумное значение площадей пучков должно определяться отношением <р(5пуч)/(р макс — 1/2 и должно соответствовать размерам опухоли.

Интересно отметить (Табл. 5), что рассчитанные по результатам измерения эффективной массы, длины замедления нейтронов при различных способах формирования их энергетического спектра имеют разумные с физической точки зрения значения. Прежде всего, они несколько меньше справочных данных для замедления нейтронов деления в бесконечной среде. Было бы досадно получить противоположный результат для фантомов с ограниченными размерами. Это подтверждает как обоснованность введения понятия эффективной массы, так и используемого простого математического аппарата ТПМ НЗТ.

Таблица 6. Характеристики НЗТ при формировании терапевтического пучка

2

промежуточных нейтронов диаметром 10 см (5„уЧ = 78 см ) с использованием _фильтра из С(1 для различных концентраций В в опухоли._

кюв, ррт 10 20 40 80 160

™тер>Г 223 199 169 138 115

с10в 2,7 2,0 1,3 0,74 0,40

-1 -2 9 (р, с -см -10 2,1- 1,4- 0,81- 0,42- 0,24-

Кпр Гр-см2-10 13 4,0- 5,9- 10- 20- 35-

Юр N кл,10В 13,6 20 25 29 32

При 5ПуЧ=78,5 см2 НЗТ с удовлетворительными характеристиками начинается с

кюд =30 ррш. При дальнейшем увеличении концентрации заметно снижаются

значения эффективной и терапевтической масс пространственного распределения медленных нейтронов. Данные Табл. 6. соответствуют общепринятым в мире значениям необходимой плотности потоков промежуточных нейтронов при достижимой концентрации в опухоли. Эти результаты соответствуют

общепринятым значениям, что косвенно также подтверждают продуктивность рассматриваемой ТПМ НЗТ.

235

Таблица 7. Характеристики 1/-НЗТ при формировании терапевтического пучка промежуточных нейтронов диаметром 10 см (^пуч = "78, 5 СМ^) с использованием фильтра из Сй для различных концентраций 235Ц в опухоли.

к235ц, РРШ 40 80 160 320 640

"гЭф»г 1280 1270 1260 1242 1206

^Ч-ер' ^ 257 256 254 250 243

с235у 1,9 1,4 0,75 0,40 0,21

-1 -2 9 <р, с -см -10 1,7- м- 0,64- 0,36- 0,18-

Кир Гр-см2-10 13 5,0- 7,7- 13- 23- 47-

235у ^кл235и 0,25 0,32 0,38 0,41 0,43

Для достижения терапевтического эффекта достаточной концентрацией является кгЗ5и = 80 ррш (Табл. 7). Малое количество дозообразующих реакций в одной клетке, скорее всего, исключает использование обогащенного урана в НЗТ.

Применение полуэмпирических методов ТПМ при НЗТ на промежуточных нейтронах для определения пространственных распределений медленных нейтронов в облучаемых объектах.

Расстстие ат тверхнаапи фантома, Ммм) зффенлш&шй 238 г

Расстояние от паеерхн&сти фантом®, г(мм) Масса \ эффектшняя 462 г

Масса 1 теракеетичесноя 48 г масса * тетпеетичесхай (44 г

Шсса 1 зффекттноя 1280г У.оссо \ эффективная ¡284 г

* тервпеет'ачесная 258 г Масса I терапевтическая 400 г

Рис. 5. Пространственные распределения полей медленных нейтронов при различных способах формирования пучков промежуточных нейтронов.

Верхние фрагменты Рис. 5 получены с использованием позитронного эмиссионного томографа специалистами Японии с использованием различных

способов повышения контрастности изображений и обработки цифровой информации и опубликованный в электронном виде в материалах 12 Международного Конгресса по НЗТ в Японии в 2006 г.Фрагменты (А) и (Б) - результаты наших измерений осевых пространственных распределений медленных нейтронов в жидком ткане-эквивалентном фантоме. (Г) и (Д) - пространственное распределение поля медленных нейтронов в фантоме для узкого пучка промежуточных нейтронов, полученные с использованием измеренных осевых распределений. (Ж) и (3) расчётное пространственное распределение в фантоме для широкого пучка промежуточных нейтронов площадью 78,5 см (диаметром 10 см). (И) - пространственное распределение медленных нейтронов на терапевтических реакторах типа TAPIRO (Италия), KUR и JRR (Япония) и подавляющем большинстве остальных реакторов в мире. Маловероятно, чтобы при таких пространственных распределениях было возможно вылечить опухоль, изображённую на Рис. 5, фрагмент (И).

Следует заметить, что при НЗТ на промежуточных нейтронах терапевтические массы составляют не более 20% - 30% от эффективной массы в даже при оптимальном формировании спектров квазипараллельных терапевтических пучков нейтронов.

Выводы. ТПМ позволяет во многих случаях оперативно рассчитывать характеристики различных моделей НЗТ при использовании различных дозообразующих препаратов без проведения экспериментов. Среди них есть и оценки новых возможных направлений в НЗТ.

Общее количество различных проведенных экспериментов в «виртуальной реальности» ТПМ многократно превышает количество приведенных в реферате и в самой диссертации.

Применение ТПМ с использованием исследований с фантомами облучаемых объектов, которое всегда возможно, повышает достоверность получаемых результатов. Результаты таких экспериментов близко соответствуют системе «терапевтический пучок нейтронов+облучаемый объект». Это позволят сформировать и непрерывно пополнять компьютерную базу данных пространственных распределений потоков медленных нейтронов в облучаемых объектах. Причём время таких экспериментов меньшее времени, затрачиваемого при математическом моделировании НЗТ.

Все приведенные результаты расчётов, в приведенных таблицах представляют собой совокупность осмысленных данных, согласующихся между собой и известными характеристикам НЗТ.

Вполне доступная работа с ТПМ порождает заметный эффект понимания возможностей реализации и перспектив развития НЗТ и вообще применения

нейтронов в медицине. Это существенно для всего персонала, участвующего в работах по проблеме НЗТ и в других исследованиях с нейтронами. Глава 2. Экспериментальные физические методы НЗТ.

Для проведения методических разработок и их реализации на животных и человеке необходимо располагать полной совокупностью физических методов и средств исследований, измерений и контроля НЗТ.

Методы и средства исследований фармакокинетики и биологической эффективности дозообразующих терапевтических препаратов.

Наше участие в проблеме НЗТ началось в середине 70-х годов именно с аналитического обеспечения разработок и исследований по созданию новых содержащих препаратов на касательном ГЭК №7 реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт». К настоящему времени по количеству облучённых мышей и результатов анализов на содержание в их органах и тканях мы опережаем любую из стран мира, занимающихся аналогичными проблемами. Этому способствовала поддержка гранта INTAS, объединившая ведущих специалистов Европы, включая и Россию, в области химии бора:

1. ИОЯФ, ИРМТ и другие подразделения РНЦ «Курчатовский институт», г. Москва. 2. Российский онкологический научный центр им. H.H. Блохина, РАМН Москва. 3. ГУ Институт элементоорганических соединений (ИНЭОС) им. А.Н. Несмеянова РАН, г. Москва. 4. ГУ Институт общей и неорганической химии (ИОНХ) им. Н.С. Курнакова РАН г. Москва. 5. ГУ Медицинский радиологический научный центр (МРНЦ) РАМН, г. Обнинск. 6. Страстклайдский Университет г. Глазго Великобритания. 7. Институт органической химии и биохимии г. Гарлих Германия. 8. Бременский Университет г. Бремен, Германия. 9. ООО Институт рентгеновской оптики ИРО, г. Москва. 10. Unisantis SA, Geneva, Switzerland.

12 3 4 5 6 7 8 9

Рис. 6. Экспериментальное оборудование ГЭК №7 для проведения исследований по программе INTAS - синтез новых '"^-содержащих препаратов [53,54]. 1. Ловушка нейтронов. 2. Исследуемые объекты. 3. Полупроводниковый детектор. 4. Радиационная защита детектора. 5. Выходной коллиматор. 6. Внешний шибер экспериментального оборудования. 7. Шибер реактора. 8. Внутренний коллиматор. 9. Бассейн реактора. 10. Активная зона реактора. 11. Бериллиевый расеиватель. 12. Стационарный бериллиевый отражатель. 13. Сменные бериллиевые отражатели. 14. Автоматическое устройство смены исследуемых проб.

С использованием этого экспериментального оборудования (Рис. 6) общее

10D

количество измерении концентрации a m -vitro в органах и тканях экспериментальных животных превысило 10 тысяч, а количество облучённых экспериментальных животных in vivo более 300. В процессе выполнения договора с INTAS были разработаны технологии изготовления новых 50 '"^-содержащих препаратов, исследована их фармакокинетика и биологическая эффективность. Все измерения проводились с использованием полупроводниковой спектрометрии фотонного излучения облучаемых объектов.

Дозиметрия нейтронов по мгновенному фотонному излучению (ДНМФИ), возникающему при взаимодействии нейтронов с облучаемыми объектами in vivo

и in vitro.

Нами предложена, теоретически экспериментально обоснована возможность дозиметрии нейтронов с использованием полупроводниковой спектрометрии мгновенного фотонного излучения, возникающего в реакциях нейтронов с элементами облучаемого объекта (способ ДНМФИ, Авторское свидетельство).

Рис. 7. Экспериментальное оборудование для 10 В—НЗТ и дозиметрии нейтронов мелких животных с использованием ДНМФИ при изучении биологической эффективности новых дозообразующих препаратов.

1. Ловушка нейтронов. 2. Радиационная защита детектора. 3. Германиевый детектор. 4. Облучаемый объект. 5. Бериллиевый рассеиватель нейтронов. 6. Активная зона реактора.

Компоненты поглощённой дозы нейтронов при 10В—НЗТ, создаваемые тепловыми нейтронами в реакциях 1Н(п,у)2Я, 10В(п, ау)7Ы и 14Ы(п, р) 14С рассчитывались по результатам измерений спектров мгновенного фотонного излучения с использованием полупроводниковой спектрометрии облучаемых объектов (Рис. 7).

Методы и средства оперативного контроля полных потоков, спектральных и дозовых характеристик терапевтических, диагностических и исследовательских

пучков нейтронов реактора

Дозиметрия и спектрометрия нейтронов является «узким» местом экспериментальной нейтронной физики вообще. Главными недостатками известных методов являются либо низкая оперативность, либо высокие погрешности измерений, либо не достаточные энергетические диапазоны измерений.

Нами предложено устройство - всеволновой счетчик для регистрации и спектрометрии нейтронов (ВССН). В нём используется регистрация мгновенного фотонного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с многослойными мишенями. Для регистрации мгновенного излучения из реакций радиационного поглощения или неупругого рассеяния нейтронов используется многоканальный полупроводниковый спектрометр. Калибровка ВССН производится экспериментально с нейтронами различных энергетических групп, получаемых с использованием соответствующих фильтров в системе коллимации пучка нейтронов.

Рис. 8. А, Б, В, Г - различные конфигурации ВССН для различных полей нейтронов. Г — спектрометр нейтронов и фотонов является уникальным прибором, позволяющим одновременно измерять спектральный состав фотонных и нейтронных полей, что необходимо для исследований радиационной обстановки в физическом зале реактора и других рабочих помещениях.

Значительный интерес для метрологии нейтронного излучения терапевтических

пучков представляет простой односекционный всеволновой счётчик (ВСН) с гомогенной водородосодержащей мишенью—замедлителем нейтронов (например, из полиэтилена) с входным отверстием. Эффективность регистрации нейтронов такого устройства определяется абсолютной эффективностью регистрации фотонов с энергией Еу =2223 кэВ из реакции 1Н(п, у)2Н используемым полупроводниковым детектором и слабо зависит от энергии нейтронов во всём диапазоне, представляющем практический интерес.

Все измерения с ВСН и получение конечных результатов занимают несколько минут при их воспроизводимости, ограниченной только статистическими погрешностями измерений площадей пиков полного поглощения энергии фотонов. ВСН — это прецизионный, высокопроизводительный и универсальный инструмент для измерения характеристик излучений (включая и фотонное) пучков нейтронов в любом необходимом диапазоне спектральных распределений нейтронов. При этом используются и различные фильтры в системе коллимации пучка нейтронов (Cd, 10В, кварц, силикат висмута - BÍ\2{SiO)2(¡, полиэтилен - СН2, для получения квази моно энергетических нейтронов Fe Al S).

Экспериментальные методы исследований физических характеристик взаимодействия терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с облучаемыми объектами и получения экспериментальной информации для ТПМ.

Экспериментальные исследования с фантомами облучаемых объектов с использованием ВССН, ВСН и метода ДНМФИ, основанные на полупроводниковой спектрометрии мгновенного фотонного излучения и теоретические и полуэмпирические методы расчётов (ТПМ) для НЗТ не исключают, а взаимно дополняют и обогащают друг друга.

В соответствии с определением эффективная масса может быть найдена из выражения:

И ' 'Рп,меда,макс ), (32)

где ,Н,фан/& - скорость счёта импульсов в пике излучения фотонного излучения водорода из фантома, £ср,у,Н,фан - средняя эффективность регистрации фотонного излучения водорода с энергией 2223 кэВ, - макроскопическое сечение

радиационного захвата нейтронов водородом, </Рп,медл,макс~1Ш0ТИ0СТЬ потока медленных нейтронов в максимуме их пространственного распределения.

Пространственное распределение плотности потока медленных нейтронов по результатам экспериментов с мишенью из бора, перемещаемой внутри фантома, находится из выражения:

<р(г)

теп

"в ' ■ Хюд ]> (33)

где с1М(г)у1ов/¿С - скорость счёта импульсов в пике фотонного излучения 10В, из мишени, в(г)у1 ов — эффективность регистрации фотонного излучения 10В с

энергией 478 кэВ, Хюд ~~ макроскопическое сечение реакции нейтронов с

10о ™ 10и

В, Шюд - масса о в мишени.

При использовании всеволнового счётчика нейтронов, фантома облучаемого объекта и спектрометра мгновенного фотонного излучения экспериментальное значение альбедо фантома — /?фан рассчитывается из выражения:

/?фан = 1 ~ (¿ЛГУ|я,фан/^)Лу,Я,фан)/(Му Н сч/сИ • £уЛ)СЧ) (34) где (с1Му1н1 фан/(¿£)/£у,н,фан)/(^у,Н,сч/• £у,н,сч) ~~ отношение числа реакций нейтронов с водородом в единицу времени в фантоме и в ВСН.

С использованием гомогенного ВСН возможно оценить соотношение нейтронной и фотонной компонент формируемых пучков нейтронов в предположении, что все фотоны имеют эффективную энергию 2223 кэВ.

Рис. 9. Экспериментальное оборудование для обеспечения необходимой информацией ТПМ НЗТ: измерений эффективных масс, альбедо облучаемых фантомов, осевых и пространственных распределений для ТПМ НЗТ.

1. Пучок нейтронов. 2. Мишень всеволнового счётчика нейтронов ВСН. 3. Германиевый детектор фотонов. 4. Радиационная защита детектора. 5. Фильтр нейтронов СН2+61л. 6. Стандартная мишень 10В. 7. Фантом облучаемого объекта. 8 Мышь с перевивной меланомой В-16

Оборудование (Рис. 9) позволяет накапливать базу данных пространственных распределений нейтронных полей для различных моделей НЗТ и терапевтически пучков различного спектрального состава.

Рис. 10. Пространственные распределения потоков медленных нейтронов в тканеэквивалентном МБТ фантоме при ИНЗТ.

При ИНЗТ значение терапевтической массы может достигать 50%- 70% от эффективной массы и более, что зависит от площади фокусного пятна. Это означает, что ИНЗТ обладает низкой радиационной травматичностью в сравнении со всеми другими моделями НЗТ.

100 0 20 40 66 ВО 100 М) 2(мм)

80 ' 100 2/мм)

О 20 40 60 80 100 11мм)

Выводы. Полупроводниковая спектрометрия мгновенного фотонного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с исследуемыми живыми объектами, фантомами и специальными мишенями является универсальным эффективным средством нейтронных измерений и иследований при НЗТ:

1. Для контроля формирования терапевтических диагностических и исследовательских пучков нейтронов с использованием ВССН;

2. Для дистанционной дозиметрии нейтронов методами ДНМФИ;

3. Для массовых исследовний фармакокинетики и биологичесской эффективности

10о

новых о—содержащих препаратов.

4. Для получения экспериментальных данных необходимых для расчётов ТПМ НЗТ.

Глава 3. Формирование терапевтических пучков промежуточных нейтронов.

Введение. «Канонические» требования к характеристикам излучений

терапевтических пучков промежуточных нейтронов {Табл. 8), были получены

американскими специалистами ещё в пятидесятых годах прошлого столетия.

Минимально допустимое значение плотности потока промежуточных нейтронов 9 -1 -2

(рмт1 =10 с -см (Табл. 8) соответствует максимальному значению мощности поглощённой дозы 30 Гр/час в облучаемом объекте при НЗТ на промежуточных нейтронах. Это значение плотности потока промежуточных нейтронов считается общепринятым и хорошо согласуется и с результатами наших расчётов с использованием методов ТПМ. Необходимо заметить, что плотность потока промежуточных нейтронов может быть и в несколько раз ниже. Гораздо важнее наиболее точное соответствие пространственного распределения медленных нейтронов и размеров опухоли. Япония широко использует фракционированные облучения (до 5 фракций). При использовании касательных каналов выполнение ограничений на Керму фотонов выполняется без каких либо проблем. Далее с Кермой промежуточных и быстрых нейтронов можно разобраться и без МСМР.

Таблица 8. Минимально допустимый набор основных характеристик

терапевтических пучков промежуточных нейтронов.

Плотность потока промежуточных и быстрых нейтронов, -1 -2 <Рп,пр с см Керма промежуточных и быстрых нейтронов, 2 Кп,пр> ГРСМ Керма фотонов на единичный поток промежуточных и быстрых 2 нейтронов, Ку1 пр, Гр см

> ю9 < 5 • 10~13 < 2 • Ю-13

Из простых арифметических расчётов следует, что при указанных в Табл. 8 ограничениях, доза, создаваемая промежуточными и быстрыми нейтронами

Measurement

Calen lat ion

Epithemwl neutron fluencerate

Fast ! lent ron fluence rate

üthiatcd Pb concrete Ni polyethylene

Fluorine-19

Aluminium

12x12

терапевтического пучка — 0п пр при времени облучения Т0бл = 3600 с определяется выражением:

Яп,пр = Кп,пР • (Рп,пР • Тоб]1 = 5 • 1СГ13 • 109 • 3600 = 1,8 Гр, (35)

т.е. Сп пр составит всего 6% от максимального значения дозы медленных нейтронов в

максимуме их пространственного распределения.

Допустимые значения кермы промежуточных и быстрых нейтронов определяют глубину проникновения формируемых пространственных распределений медленных нейтронов в облучаемые объекты.

Методы формирования терапевтических пучков нейтронов.

В подавляющем большинстве случаев в мире для формирования терапевтических пучков промежуточных нейтронов используется одна и та же схема, состоящая из источника нейтронов, модификатора исходного спектра, основанного на использовании резонансного рассеянии быстрых нейтронов и коллиматора-отражателя на диффузном отражении нейтронов от свинца или висмута. Такая схема позволяет минимизировать мощности используемых реакторов, но формирует пучки нейтронов с высокой расходимостью, что также существенно уменьшает глубину пространственных распределений медленных нейтронов в облучаемых объектах.

Thermal neutron flucHce rate

Ig Neutron energy (eV:

Рис. 11. Итальянский реактор TAPIRO мощностью всего 5 кВт.

А. Схема модификатора энергетического спектра промежуточных нейтронов. Б. Внешний вид реактора. В. Внешние коллиматоры TAPIRO, размеры и форма которых вызывает недоумение. Г. Формирование энергетического спектра с использованием резонансного рассеяния быстрых нейтронов алюминием и фтором.

В любом случае физические установки с одним терапевтическим пучком нейтронов (Рис. 11) не смогут решить главную проблему НЗТ - лечения значимого количества пациентов и повышения их выживаемости. Для того чтобы НЗТ смогла давать значимый вклад в лечение рака необходимо создавать медицинские центры, возможно на базе атомных реакторов средней мощности с большим числом пучков нейтронов различного назначения и различными характеристиками со всем комплексом медицинского оборудования, всем необходимым персоналом и производительной организацией работы.

Новое направление формирования терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с использованием касательных каналов исследовательских реакторов.

Нами предложен, разработан, и экспериментально исследован на реакторе ИР-8 новый способ формирования терапевтических пучков тепловых и промежуточных нейтронов, основанный на использовании вторичных источников нейтронов в виде водородосодержащих рассеивателей (ВР) или рассеивателей из других материалов, например из бериллия или графита, располагаемых в касательном канале напротив центра активной зоны реактора. ВР состоят из наборов листового полиэтилена толщиной 3 мм, которые располагались под разными углами к оси канала.

•IOtÍS4St

Рис.12. А — Зависимость полного сечения взаимодействия нейтронов с водородом. Б -ВР в касательном канале реактора. В - иллюстрация к методу расчетов кермы промежуточных нейтронов.

Физические основы, обеспечивающие эффективность предложенного вторичного источника просты, очевидны и общеизвестны

Измерены характеристики терапевтических пучков нейтронов получаемых при ВР с различной толщиной в направлении пучка нейтронов. Для измерения, характеристик излучений терапевтических пучков использовался однослойный всеволновой счётчик нейтронов фильтр из Сс1 толщиной 0,5 мм и фильтр из разделённого изотопа 10В толщиной около 1г-см 2 (Табл. 12 и 13).

Физическими моделями всех спектров нейтронов является спектр Ферми, который в логарифмическом масштабе представляет собой прямую параллельную оси абсцисс в измеряемых эффективных границах:

Есй = ОД эВ - нижняя эффективная граница всех спектров нейтронов, фильтруемых

Сс1; толщиной 0,4 мм (является известной общепринятой величиной);

Еюд — нижняя эффективная граница всех спектров нейтронов, фильтруемых 10В;

Е\= 4 МэВ верхняя эффективная граница спектров нейтронов формируемых

рассеивателем из бериллия длиной 400 мм;

= 309 кэВ — верхняя эффективная граница спектров нейтронов формируемых ВР _2

толщиной 3,9 г-см в направлении пучка;

£3— верхняя измеряемая эффективная граница спектров нейтронов формируемых ВР - , -2

толщинои 1 г-см в направлении пучка;

Е4 = 83 кэВ верхняя измеряемая эффективная граница спектров нейтронов,

-2

формируемых ВР толщиной 0,3 г-см в направлении пучка;

Значения кермы быстрых нейтронов СФ ^3,С(1 и ей ПРИ различных толщинах водородосодержащих рассеивателей рассчитывались в соответствии с выражениями:

Кг,сл = К(Ю (ПЕЕ/(1ёЕ2 - \ёЕСА) = 13-Гр-см2 (36)

Кз,Сй = ПЕ) <*1ВЯ/(1ВЕ3 - = 8,5-Гр-см2 (37)

= & К(Е) й\ШЕ/()ёЕ4 - 5,з-гр-см2 (38)

Таблица 9. Спектральные и дозовые характеристики пучков нейтронов полученных с помощью бериллиевого рассеивателя.

-2 -1 9 <ртеп - плотность потока тепловых нейтронов, см "с '10 5,2

Rcd.- отношение плотности потока нейтронов в энергетическом интервале Еп > 0,4эВ к полной плотности потока нейтронов. 0,29

(рпр - плотность потока промежуточных нейтронов в -2-19 энергетическом интервале Еп > 0,4эВ, см с -10 . 2,1-

Керма промежуточных и быстрых нейтронов в энергетическом -12 2 интервале Еп > 0,4эВ, 10 Тртм . 3,8

(Рщ, - плотность потока промежуточных нейтронов в с 9' -2 -1 энергетическом интервале Еп > 0,8 кэВДО см с . U-

Керма промежуточных нейтронов в энергетическом интервале Еп > 0,8 кэВ, 10"12 Тр ем2. 7,3

Плотности потоков промежуточных нейтронов в энергетических интервалах Еп > 0,4 эВ и Еп > 0,8 кэВ вполне достаточны для НЗТ. Использование касательного канала позволяет свободно изменять формировки спектрального состава терапевтических пучков. Пространственное распределение медленных нейтронов в облучаемом объекте, формируемое узким пучком промежуточных нейтронов в энергетическом интервале Еп > 0,8 кэВ создаёт терапевтическую дозу в массе 144 г, а в энергетическом интервале Еп > 0,4эВ только 48 г (Рис. 4.1—4.5). Выигрыш по терапевтической массе и геометрическим характеристикам просто огромный. Для 10Я-НЗТ мозга эти характеристики являются определяющими.

Таблица 10. Спектральные и дозовые характеристики пучков нейтронов полученных с помощью водородосодержащих рассеивателей различной толщины

в направлении пучка при мощности реактора 8МВт

Определяемая величина Толщина рассеивателя, г ■ см-2

3,9 1,0 0,3

Плотность потока тепловых нейтронов -1 -2 -9 фтеп, С -СМ -10 4,9 4,5 3,0

Плотность потока промежуточных нейтронов фщ,, с"'-см"2-10"9, Еп > 0,4эВ, 1,6 1,4 0,7

Плотность потока промежуточных нейтронов (Рщ,, с"'-см"2'10"9, Еп > 0,8 кэВ 1,3 1Д 0,56

Керма промежуточных и быстрых нейтронов в энергетическом интервале Еп > 0,4эВ, 10 Тртм . 13 8,5 5,3

Керма промежуточных нейтронов в энергетическом -13 2 интервале Еп > 0,8 кэВ, 10 Тр-см . 29 21 14

Угловые характеристики пучка заведомо лучше, чем при любых других способах формирования терапевтических пучков нейтронов. При толщине рассеивателя 1 г • см-2 характеристики терапевтического пучка полностью удовлетворяет самым строгим требованиям НЗТ. Хотя и при толщине рассеивателя 3,9- г • см-2, учитывая приведенные ранее замечания и малое значение кермы фотонов, характеристики пучка тоже приемлемы для НЗТ.

Таблица 11. Характеристики 101?-НЗТ при формировании терапевтического пучка промежуточных нейтронов диаметром 10 см (5ПуЧ = 78, 5 СМ ) с использованием фильтра из В толщиной 10 мм для различных концентраций

ю„

_о в опухоли. ___

кюв,ррт 0 10 20 40 80 160

Т^эфф 1280 1170 1092 989 884 805

^тер 400 344 319 289 258 235

в 3,6 2,6 1,9 1,2 0,72 0,40

0 13,4 19 25 29 32

-1 -2 -9 (р ,с см -10 3,2 1,8' 1,3 0,81- 0,47- 0,34-

К, Гр-см2-10 13 2,8- 4,5- 6,4- 10- 18- 25-

При к±ов = 30 ррт расчётные значения плотности потоков и кермы промежуточных нейтронов (Табл. 11) соответствуют данным (Табл. 9 и 10).

Кроме того, из сравнения данных выделенных фрагментов Табл. 2 и Табл. 11 следует, что контрастность терапии заметно уменьшается с ростом эффективной и терапевтической массы. Это связано с тем, что возрастает фотонная компонента поглощённой дозы нейтронов. Тем не менее, при кюв = ЗОррт допустимое значение кермы промежуточных и быстрых нейтронов (Табл. 11) может быть увеличено на порядок. Отсюда следует, что на касательных каналах исследовательских ректоров можно создавать терапевтические пучки промежуточных нейтронов с заданными характеристиками путём подбора массы рассеивающих ядер и толщины фильтров из 10В.

Расчёты были проделаны с помощью полуэмпирической ТПМ НЗТ на промежуточных нейтронах.

Программа и проект реконструкции экспериментального оборудования ГЭК №7 реактора ИР-8 РНЦ «Курчатовский институт»

Добиться повышения конкурентной способности НЗТ в короткие сроки можно используя касательные каналы исследовательских реакторов. И первым шагом России в этом направлении может стать создание нового исследовательского комплекса оборудования для реализации НЗТ на касательном сквозном ГЭК №7 реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт».

ИР-8 по своим характеристикам, конфигурации и техническому состоянию, безусловно, является действующим лидером реакторов России. Именно на этом реакторе, учитывая и общую проработку проблемы в целом, в кратчайшие сроки гарантированно возможно создать первый терапевтический и первый диагностический пучки нейтронов, удовлетворяющие современным физическим требованиям при минимально возможных затратах на реализацию проекта.

1 !_и

¡1

%31 ЦаШ ГжУ ЧР" ¡йг \

1Ж. Ж

Рис. 13. А. Пациент в открытой защитной камере перед НЗТ. Б. Пациент в положении НЗТ. В. Пациент в помещении для подготовки к НЗТ в диагностическом пучке нейтронов [78].

1. Пациент. 2. Аппаратура контроля состояния пациента при НЗТ. 3. Аппаратура климат-контроля. 4. Полупроводниковый спектрометр для оперативного контроля НЗТ. 5. Защитная камера. 6. Пациент. 7. Терапевтический пучок нейтронов. 8. Диагностический пучок нейтронов.

Создание нового комплекса оборудования ГЭК №7 (Рис. 12, 13) необходимо для того, чтобы на практике изучить возможности и перспективность разработанных методов и устройств формировании терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов. Получить, наконец, полноценные пучки тепловых, промежуточных и смешанных терапевтических пучков нейтронов. Конструкторская документация уже частично разработана (на 40-50)%.

Рис. 14. Гипотетический специализированный медицинский реактор из нашего доклада в г. Буэнос Айрес (Аргентина) со многими терапевтическими, диагностическими и исследовательскими пучками нейтронов. А - горизонтальное сечение. Б — вертикальное сечение.

Пройдёт видимо немало лет, прежде чем появятся такие (Рис. 14) или возможно какие—то другие специализированные высокопроизводительные центры НЗТ.

Выводы. У разработанных методов использования сквозных касательных каналов для НЗТ и исследований с использованием капиллярной нейтронно оптики существует реальная перспектива применения, по крайней мере, на 2 реакторах в России: ИР-8 в г. Москве и ВВР-2 в Азии, в Сибири под Екатеринбургом. Реакторы типа ИРТ существуют в Ираке и Ливии.

Глава 4. Капиллярные нейтронно-оптических систем (КНОС) для нейтроно-захватной терапии и других фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами

Введение. Капиллярная оптика рентгеновского излучения в настоящее время чрезвычайно широко и успешно используется в фундаментальных и прикладных исследованиях, а также и в коммерческих приборах. Капиллярная оптика нейтронов не получила столь широкого распространения.

Существуют объективные причины такому положению дел с нейтронной капиллярной оптикой во всём мире. Это, прежде всего, отсутствие точечных источников медленных нейтронов вообще, и в тоже время достаточно дешёвых и доступных, как острофокусные рентгеновские трубки.

Кроме того, радикальное различие свойств тепловых нейтронов и фотонов рентгеновского диапазона энергий, что и представляет значительный научный и

практический интерес к исследованиям с нейтронами, но создаёт немалые трудности для реализации экспериментальных возможностей нейтронной капиллярной оптики. Это связано с более высокой прозрачностью стеклянных капиллярных оптических изделий для медленных нейтронов, чем для рентгеновского излучения. Что существенно усугубляет и первую проблему.

КНОС для формирования терапевтических и аналитических пучков нейтронов

при 10В-ИНЗТ.

Малочисленные известные публикации о возможном использовании КНОС для НЗТ не устанавливают количественных связей между характеристиками источников нейтронов, конкретными параметрами КНОС и достигаемым терапевтическим эффектом.

Использование ТПМ В-ИНЗТ позволяет определить характеристики КНОС для облучения необходимой массы биологической ткани, характеристики пучков и режимов облучения для достижения необходимого терапевтического эффекта, например, {Табл. 1)

Флюенс нейтронов — Fn (с-1) на выходе из любой КНОС определяется выражением:

Fn = exp(-^L) • (pnren ■ 5кап • Т ■ б2р/4, (39)

где фп,теп ~ плотность потока тепловых нейтронов на поверхности источника нейтронов; бщ, - критический угол отражения нейтронов от стенок капилляра; 5кап — суммарная площадь отверстий капилляров на входе линзы; Т - трансмиссия линзы, т.е. отношение флюенса нейтронов на выходе из линзы к флюенсу на входе; [i -линейный коэффициент выведения нейтронов из пучка воздухом, L - расстояние от источника нейтронов до детектора нейтронов.

При этом минимальное число отражений определяется выражением :

^Чаин ^кап ' ^кр/^кап» (40)

где LKan и dKan- длина капилляра и его диаметр.

В поли-капиллярных фокусирующих НОС значение Т не превышает 10% при размерах фокуса менее 1мм. Такие КНОС по очевидным причинам не представляют интереса для НЗТ.

Для НЗТ предложена КНОС одного отражения, в которой максимальная длина моно капилляров определяется выражением LMaKC = dKan/бКр.

Рис. 15. Коническая фокусирующая капиллярная нейтронно-оптическая система (КНОС) одного отражения нейтронов от стенок капилляра для получения интенсивных потоков нейтронов при инвазивной НЗТ (ИНЗТ).

1. Коническая сборка прямолинейных моно капилляров. 2. Радиационная защита КНОС. 3. Водородосодержащий рассеиватель в касательном канале реактора -вторичный источник нейтронов. 4. КНОС на сборочном стапеле.

В таких капиллярах (Рис. 15) максимальное число отражений теплового нейтрона равно единице. При этом волновой телесный угол захвата тепловых нейтронов определяется выражением б2р/4, а геометрический - • Отсюда

следует, что КНОС в четыре раза увеличивает соотношение тепловых и промежуточных нейтронов. Кроме того плотность потока тепловых нейтронов в фокусе КНОС близка к плотности потока с коническим коллиматором с точностью до заполнения отверстиями капилляров выходной поверхности КНОС. Пространство между расходящимися моно капиллярами полностью заполняется порошковыми материалами, эффективно поглощающими или рассеивающими нейтроны и фотоны, что практически компенсирует прозрачность стекла для нейтронов всех энергий и жёсткого фотонного излучения.

Таблица 12. Экспериментальные результаты измерения характеристик

фокусирующей КНОС из прямолинейных моно капилляров.

^сЛМВт"1 Т,%

0,21 5,5-Ю6 96

Марка стекла АБ-1. Внутренний диаметр 2,0 мм. Длина 640 мм. Геометрическая

_7

апертура 7,6-10 . Число отражений нейтронов 0,64. Суммарная площадь внутренних

2

отверстий капилляров 2,64 см

Пространственное разрешение предложенной фокусирующей КНОС из 85 прямолинейных моно капилляров составляет 4,75 мм (площадь фокусного пятна 0,18

см ). В реальной геометрии ИНЗТ с такой КНОС получена плотность потока тепловых

9-1 -2

нейтронов в фокусном пятне 2,6-10 -с -см .

Для многих аналитических исследований в НЗТ, необходимы пучки тепловых нейтронов высокой чистоты. С этой целью разработана, изготовлена и исследована фокусирующая КНОС из 8 цилиндрических поли капиллярных стержней диметром 7,7 мм и диаметром капилляров 8 мкм, длиной 30 см из стекла марки АБ-1. Требуемый радиус изгиба поли капиллярных столбиков обеспечивается с высокой точностью в пределах их упругих деформаций. Система коллимации на входе и выходе КНОС исключает возможность прямого попадания излучения из источника нейтронов, каковым является бериллиевый рассеиватель, в измерительную камеру.

1. Водородосодержащий рассеиватель - вторичный источник нейтронов. 2. Поли капиллярные цилиндрические стержни. 3. Радиационная защита оптической системы. 4. Исследуемый образец.

Таблица 13. Характеристики фокусирующей КНОС для получения чистых

пучков тепловых нейтронов для нейтроно-радиационного анализа in vitro.

F^ш С"1-МВт"1 ^Cd(H) Т,%

6,4-10Ь 0,009 17

Марка стекла - АБ-1. длина моно капилляров - L.= 30 см. Радиус изгиба - R = 30 см. Радиус изгиба R — 10 м. Критический радиус изгиба - RKp = 4 м. Диаметр

капилляров d = 8 мкм. Число отражений П = 75. Из данных Табл. 13. следует, что разработанная и изготовленная фокусирующая КНОС позволяет получить чистые пучки тепловых нейтронов с парциальным вкладом надтепловых нейтронов менее 1% с интенсивностью.6,4-105с '-МВт \ При этом трансмиссия КНОС составляет 17%. Пространственное разрешение КНОС составляет 8,0 мм. Эти характеристики не являются предельными. Получение пучков тепловых нейтронов (Рис. 16) позволяет минимизировать расстояние между детектором фотонного излучения и исследуемой

мишенью. Что обеспечивает многократное повышение метрологических характеристик используемых аналитических методов. Возможна дальнейшая оптимизация как коллимирующей, так и оптической части КНОС этого типа.

КНОС с квазиточечным источником нейтронов.

Разработана, изготовлена, исследована и успешно используется в различных экспериментах КНОС с новой системой формирования входного пучка нейтронов, которая представляет собой так необходимый всей нейтронной капиллярной оптике квазиточечный источник нейтронов.

Для достижения этого результата разработана КНОС, отличающаяся тем, что: 1. Входная часть любой линзы, направленная на источник нейтронов, имеет действительный фокус, расположенным между входной частью линзы и источником нейтронов, 2. Отверстие входного коллиматора выполнено в виде двух усеченных конусов, малые основания которых совпадают и расположены в фокальной плоскости входной части линзы, 3. радиус Я источника нейтронов, радиус основания входного коллиматора, примыкающего к линзе, равный радиусу входной части линзы и фокусное расстояние -/1 входной части линзы выбирают из соотношений:

Г^ЛЯ + 71 + в< А < Г^ДЯ + П - 0крЬу), (41)

где Ьу— расстояние от источника нейтронов до входной части линзы.

Относительные масштабы источника нейтронов, входной части поликапиллярной линзы и расстояния между ними значительно изменены для наглядности принципа действия квазиточечного источника нейтронов (см. размеры на Рис. 17).

Рис. 17. КНОС с квази точечным источником нейтронов.

1. Вторичный источник нейтронов - рассеиватель нейтронов. 2. Коллимирующая система КНОС. 3. Поли-капиллярная линза.

Таким образом, положительный эффект достигается за счет того, что минимальный радиус отверстия р\ входного коллиматора КНОС равен радиусу

фокусного пятна входной части линзы, что сводит к минимуму флюенсы всех видов излучений источника нейтронов, попадающих в линзу. При этом все виды излучений, вылетевшие из источника нейтронов и прошедшие через минимальное отверстие входного коллиматора, попадают в линзу под углами, не превосходящими критический угол Ощ,, однако входная часть линзы захватывает и отклоняет от первоначальной траектории только тепловые нейтроны. Это означает, что количество тепловых нейтронов, прошедших по капиллярам, является максимально возможным для данного источника нейтронов. Таким образом, входной коллиматор представляет собой «квазиточечный источник тепловых нейтронов» (Рис. 17) для входной части линзы. Кроме того, при линейных размерах входной части КНОС, удовлетворяющих системе уравнений, углы между осью входной части КНОС и направлениями траекторий всех видов излучений достигают наибольших возможных значений. Что существенно повышает эффективность поглощения всех видов излучений, не прошедших по капиллярам линзы, в радиационной защите, окружающей линзу и выходном коллиматоре и сокращает флюенсы излучений всех видов, рассеянных в самой линзе.

Из экспериментальных данных следует, что в пучке нейтронов реактора КНОС с цилиндрическим входным коллиматором, помимо фокусного пятна, формирует гало тепловых нейтронов, флюенс которого в 3,6 раза превосходит флюенс тепловых нейтронов в фокусе КНОС. КНОС с квазиточечным источником нейтронов в 32 раза увеличивает отношение эффект - фон для тепловых нейтронов, в 15 раз увеличивает отношение эффект - фон для тепловых и надтепловых нейтронов. При этом измеряемый флюенс тепловых нейтронов в фокусе и её трансмиссия не уменьшились, а несколько увеличились, а площадь фокуса, создаваемая КНОС - прототипом в 4,8 раза превосходит площадь КНОС, изготовленную в соответствии с формулой изобретения. Площадь фокуса, создаваемая КНОС с цилиндрическим входным коллиматором, в 4,8 раза превосходит площадь КНОС с квазиточечным источником нейтронов.

В настоящее время можно изготовить линзы различной геометрии. В зависимости от конфигурации выходной части КНОС, может выполнять различные функции: формирование сфокусированного пучка тепловых нейтронов, формирование цилиндрического пучка тепловых нейтронов, формирование квазипараллельных пучков тепловых нейтронов с минимальным углом расхождения отклонение пучка нейтронов от первоначального направления.

Формула Патента не содержит ограничений на размеры входной части линз и используемого источника излучения и их соотношения. Поэтому квази-точечные источники излучений могут быть использованы в капиллярных рентгенооптических системах и, в особенности, в тех случаях, когда необходимо использовать мощные рентгеновские трубки с высоким напряжением более 50 кэВ. При больших токах рентгеновских трубок сложно получить достаточно малые размеры фокусного пятна и, кроме того, при указанных значениях напряжения возникает проблема гало рентгеновского излучения, как и для нейтронов.

Некоторые примеры применения КНОС

КНОС могут найти применение в НЗТ для терапии мозга и головы с использованием тепловых нейтронов и естественных полостей: ушных проходов, дыхательных каналов при терапевтической массе опухоли несколько десятков граммов. Через полость рта вполне возможна терапия, как на тепловых, так и на промежуточных нейтронах и их смесях при терапевтической массе опухоли до ста граммов и более. Хорошим помощником при этом может стать ТПМ ИНЗТ.

Капиллярная нейтронная оптика может найти широкое применение в фундаментальных и прикладных нейтронных исследованиях в физике твердого тела, в ядерной физике, в биологии и медицине в проблемах, не связанных с НЗТ.

Рис. 18. Действующий нейтронный дифрактометр с КНОС.

1. Активная зона реактора - первичный источник нейтронов. 2. Рассеиватель -вторичный источник нейтронов, 3. Касательный сквозной ГЭК № 7. 4. Квазиточечный источник нейтронов. 5. Поли капиллярная линза. 6. Исследуемый образец. 7. Цилиндрический Immerged Plate детектор. 8. Реальное дифракционное изображение на развёрнутом Immerged Plate детекторе.

При мощности реактора 4,5 МВт, время измерения составило 30 мин. Такие

КНОС (Рис.17 и 18) позволяют работать с нейтронами почти также просто, как с

рентгеновским излучением.

Поиск таких задач, представляющих научный и практический интерес, по-видимому, всегда будет актуальной проблемой, требующей привлечения широкого круга специалистов.

11 9 # «9 8 I 7 6

ш

¡ш

•

■ ш.

1 ¡Вей

......

Iг 'г," ..... .....±.........2. Л _±. "X

Рис. 19. Разработанный проект аналитического нейтронно—рентгено-оптического микроскопа с КНОС.

1. Оптический стол. 2. Оптический рельс. 3. Горизонтальная подвижка. 4. Вертикальная подвижка. 5 Стойка рентгеновского микроскопа. 6. Острофокусная рентгеновская трубка с КРОС. 7. Полупроводниковый детектор рентгеновского излучения. 8. Оптический микроскоп. 9. Исследуемый объект. 10. Поворотная подвижка с горизонтальной осью вращения. 11. Полупроводниковый детектор жесткого фотонного излучения. 12. Стойка детектора.

Полную смену экспериментального оборудования (Рис. 18, 19)

диагностического и исследовательского пучка нейтронов можно произвести за

несколько часов без остановки реактора.

Заключение. Получение пучков тепловых нейтронов различной геометрической конфигурации, достаточной интенсивности (для их практического использования) и с малым вкладом других видов излучений является актуальной проблемой современной экспериментальной нейтронной физики. Решение этой проблемы с помощью КНОС позволит:

1. Расширить возможности фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами.

2. Повысить эффективность использования дорогостоящих источников нейтронов и экспериментального оборудования.

3. Уменьшить габариты экспериментальных установок и их радиационных защит, удешевить изготовление экспериментального оборудования за счёт использования коммерческих опто-механических и других изделий, используемых в рентгеновской физике.

4. Существенно улучшить фоновые условия проводимых исследований и их радиационную безопасность.

Проектные работы по реконструкции экспериментального оборудования касательного сквозного ГЭК №7 реактора ИР-8 уже выполнены более чем на 50%.

Экспериментальные возможности КНОС гораздо шире потребностей НЗТ. Но это совсем не плохо, поскольку физикам экспериментаторам хорошего современного уровня квалификации несколько тесновато в физических проблемах только одной НЗТ.

Заключение. Инновационный потенциал диссертации, охватывающий всю совокупность актуальных современных теоретических и экспериментальных физических проблем, представляет собой обоснование нового направления развития и реализации НЗТ, которое соответствует тысячелетним гуманитарным принципам медицины за счёт индивидуального подхода к заболеванию каждого пациента и строгости законов естественных наук

Реализация результатов обширных выполненных НИР позволит России занять, наконец, достойное место среди стран, вступивших на путь освоения технологии НЗТ злокачественных опухолей головы и мозга человека.

Текст диссертации, близкий к опубликованный в ЭЧАЯ монографии [1], может стать основой курса лекций по НЗТ для физических и медицинских ВУЗов.

Список публикаций по теме диссертации.

Монографии.

1. Г.И. Борисов. Теоретические и экспериментальные физические методы нейтронно-захватной терапии. Физика элементарных частиц и атомного ядра. ЭЧАЯ. 2011 г. Том 42. Вып. 5. С. 1371-1479.

Borisov G.I. Theoretical & Experimental Methods of Neutron Capture Therapy. ISSN 1063J7796, Physics of Particles & Nuclei, Vol. 42, No 5 Pleiades Publishing, Ltd., 2011, pp.713-781.

Публикации в рецензируемых изданиях:

2. Г.А. Зедгенидзе, В.К. Бровцин, P.A. Спрышкова, С.Н. Порохов, Г.И. Борисов В.Ф. Леонов. Определение элементного состава с помощью активационного анализа in vitro. Медицинская радиология, №8, 1979, С. 35—42.

3. Г.И. Борисов, М.М.Комков, В.Ф. Леонов и др. Комплекс оборудования для инструментального элементного анализа. Атомная Энергия 1986. 60 (3). С. 186190.

4. Борисов Г.И. Использование спектрометрии мгновенного гамма-излучения для дистанционной дозиметрии нейтронов. Атомная Энергия 1986. 60(5). С. 341-344.

5. Алексеев И.Н. Богомолов Л.М., Борисов Г.И. et. al. Определение содержания бора в дополнительных поглотителях критических сборок методом нейтронно-активационного анализа. Атомная Энергия 1986, 65(1), С. 28-32.

6. Г.И. Борисов, М.М. Комков, В.Ф. Леонов. Применение спектрометрии мгновенного гамма-излучения для оптимизации пучков нейтронов реактора в медико-биологических исследованиях. Атомная Энергия, 1987. 63(6). С. 404—407.

7. Борисов Г.И., Демидов A.M. Всеволновой детектор для спектрометрии нейтронов. Атомная Энергия 1989. 66(6). С. 408-412.

8. R. Spryshkova, М. Naidenov, G. Borisov. et. al. Biological efficacy of thermal neutrons using Na210Bi2HnSH studied in vivo on B-16 mouse melanoma. Strahlentharapie und Onkologie, 1989, Band 165 Heft 2/3, pp 213-215.

9. R.A. Shryshkova, E.Yu, Grigoreva, M.G. Naidenov, J.H. Morris, V.A, Brattsev, G.I. Borisov., et. al. Biodistribution of Na2[Bi2HnSCN] in C57/BL mice bearing melanoma B-16 and in Wistar rats bearing glioblastoma 1018. Proc. 7th International Symposium on Neutron Capture Therapy for Cancer. Zurich, Switzerland 1996. P 253- 257.

10. Борисов Г.И., Боровой А.А. Кузмич B.B., et al. Контроль радиационной обстановки на реакторах методами полупроводниковой спектрометрии. Атомная Энергия. 68(5) 1990.

11. Г.И. Борисов, Л.И. Говор, A.M. Демидов. Формирование пучков для нейтроно-захватной терапии с использованием касательного канала реактора Атомная Энергия 1993. 75(5). С. 394-400.

12. G.I. Borisov, М.А. Kumakhov. Using one reflection neutron optics system for tailoring high flux neutron beams. NUCLEAR INSTRUMENTS & METHODS, A 529 (2004). P. 98-101.

13. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Tailoring of neutron beams spectrum and spatial distribution by means of capillary optics NUCLEAR INSTRUMETS & METHODS , A 529 (2004). P. 102-105.

14. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Poly-capillary lens for neutrons. NUCLEAR INSTRUMTS & METHODS , A 529 (2004). P. 129-133.

15. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko Semi empirical Theory of 10B-NCT. Proc. 12th International Congress on Neutron Capture Therapy. Japan 2006. P. 489—491.

16. G.I. Borisov, L.I. Govor, R.I. Kondratenko et. al. Use of tangential channels of research reactors for neutron capture therapy (NCT). Proc. 14th International Congress on Neutron Capture Therapy. Argentina 2010. P. 424-426.

Авторские свидетельства и патенты

17. Борисов Г.И. Найдёнов М.Г. Способ непосредственного контроля тканевой и эквивалентной дозы тепловых нейтронов. Авторское свидетельство. №1259198.1986. Бюл. изобр. №35.

18. Борисов Г.И., Демидов A.M. Счётчик нейтронов. Авторское свидетельство № 1393523. 1988. Бюл. изобр. № 16.

19. Борисов Г.И. Борисов Д.Г. Патент на изобретение №200914832 Устройство для терапии онкологических заболеваний. Приоритет от 28.12.2007.

20. Борисов Г.И., Ерак Д.Ю. Патент на изобретение №2009914832. Устройство для терапии онкологических заболеваний. Приоритет от 28.12.2009.

Публикации в сборниках

21. Борисов Г.И., Воронов С.Ф., Pay Д.Ф. Полуэмпирический метод определения эффективности германиевых детекторов. Тезисы: Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. XXXV Всесоюзное совещание, Ленинград 1985, Издательствово: «НАУКА», с. 471.

22. R.A. Spryshkova, М. Naidenov, G. Borisov et. al. Biological efficacy of thermal neutrons using Na210Bj2HiiSH studied in vivo on B-16 mouse melanoma. Third International Symposium on Neutron Capture Therapy, Bremen FRG, 31 May- 3 June 1988, part 11-1.

23. John Morris, R. Spryshkova, G. Borisov. et. al. Synthesis and characterization of 7-(CH3)3-N-4-{2,4-(N02)2C6H3S}-nido-7-CBioHii and its Biodistribution in C57BI/6 mice bearing B-16 melanoma. Applied Organometallic Chemistry, 1995, 9, P.l-3.

24. R.A Spryshkova, E.Yu. Grigorieva, M.G. Naidenov, J.A. Morris, V.A, Bratsev, G.I. Borisov, et.al. Biodistribution of [Na2Bi2HnSCN] in C57B1/6 mice Bearing melanoma B-16 and in Wistar rats bearing glioblasnoma 1018. Proc. 7th International Symposium on Neutron Capture Therapy. Zurich. September 1996.

25. Захаркин Л.И. Синтез бис (диалкиламинометил)-о-и-т-карборанов и исследование их в качестве возможных препаратов для боронейтронозахватной терапии, Л.И. Захаркин, В.А. Ольшевская, Р.А. Спрышкова, Е.Ю. Григорьева, В.И. Рябкова, Г.И. Борисов. Хим. фарм. журнал - 2000. т.34. № 6. С. 21-23.

26. G. I. Borisov, R.I. Kondratenko, М.А. Kumahov. Model of focusing capillary neutron optics system for invasive neutron capture therapy. Proc. 11th International Congress on Neutron Capture Therapy. USA 2004. Program Book. P. 44.

27. G. I. Borisov, M.A. Kumahov, R.A Spryshkova. Assessing Estimate Possibilities of Implementing Invasion Neutron Capture Therapy Using Capillary Neutron Optical Systems. Proc. 11th International Congress on Neutron Capture Therapy. USA 2004. P. 58.

28. G.I. Borisov, M.A., Kumakhov. Using one reflection neutron optics system for tailoring high flux neutron beams. Joint Meeting on Neutron Optics and Detectors. 2004. University of Tokyo, Tokyo, Japan 2004. Abstract Book. P. 103.

29. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov.. Tailoring of neutron beams spectrum and spatial distribution by means of capillary optics. 2004 Ibid. P.l 04.

30. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. 2004. Poly-capillary lens for neutrons. 2004 Ibid. P. 105.

31. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Instruments and Methods for Investigation with Neutron Optic System on Reactor IR-8 of RRC Kurchatov Institute. 2004 Ibid. P. 119.

32. G.I. Borisov, R.A.Spryshkova, M.A. Kumakhov at.al. Implementing in Vasion Neutron Capture Therapy (INCT) Using Capillary Neutrons Optical Assessment. Proceedings of SPIE. X-Ray and Neutron Capillary Optics II. 22-26 September 2004 Zvenigorod, Russia. P. 219-222.

33. G.I. Borisov, M.G. Naidenov, E.Yu. Koldaeva at.al. Neutron Capture of Melanoma on New Boron Carriers with Use of Neutrons Capillary Optics, 2004 Ibid. P. 198-201.

34. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko, M.A. Kumakhov. Estimation of Neutron Optical Characteristics of capillaries of different Shapes. Ibid. P. 55-59.

35. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. 2004. Ibid. P.129-133.

36. Г.И Борисов, M.A. Кумахов, Р.И. Кондратенко. Расчётные оценки возможности реализации инвазивной нейтронно-захватной терапии с капиллярных нейтронно-оптических систем. Тезисы. Российский Биотерапевтический Журнал 1/2005. С. 22.

37. Г.И. Борисов, Р.И. Кондратенко. Полуэмпирическая оценка характеристик пучков нейтронов для 10В-НЗТ Российский Биотерапевтический Журнал 1/2006. С. 34, 35

38. Г.И. Борисов, Р.И. Кондратенко. Формирование энергетических и пространственных распределений пучков нейтронов для нейтроно—захватной терапии с использованием касательного экспериментального канала реактора ИР—8 ФГУ РНЦ «Курчатовский институт». Международная научно—техническая конференция «Исследовательские реакторы в XXI веке, Москва 2006 г. Москва. Издательство ГУЛ НИКИЭТ. Доклад №49 на CD (6 стр.).

39. Г.И. Борисов, Р.И. Кондратенко, М.А. Кумахов и др. 2006. Ibid. «Разработки и исследования капиллярных нейтронно-оптических систем на горизонтальном касательном экспериментальном канале реактора ИР-8 ФГУ РНЦ «Курчатовский институт». Ibid. Доклад 112 (8 стр.).

Ю. Г.И. Борисов, Т.М. Варгина, Р.И. Кондратенко. Элементарная теория WB-НЗТ на тепловых нейтронах. Российский Биотерапевтический Журнал 1/2007. С. 80.

И. Григорьева Е.Ю. Колдаева, М.Г. Найденов, Ю.В. Стукалов, А.С. Масько, Г.И. Борисов. Нейтроно-захватная терапия меланомы мышей при использовании линзы Кумахова., Н.Т. Кузнецов, С.М. Лисовский, К.Ю. Жижин. Российский Биотерапевтический Журнал. 2007 № 4. С. 13-16.

12. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko, Sharikov R.S. Program for Reconstruction of Experimental Equipment of horizontal tangent channel №7 of IR-8 reactor at RRC «Kurchatov Institute». Proc. 13th International Congress on Neutron Capture Therapy. Italy 2008. P. 392.

Й. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko, Sharikov R.S. The Basic Theory of 10B-NCT with Thermal Neutrons. Ibid. 2008. P. 556.

Подписано в печать 17.08.2011. Формат 60x90/16 Печать цифровая. Усл. печ. л. 3,0 Тираж 110. Заказ 31

Отпечатано в НИЦ «Курчатовский институт» 123182, Москва, пл. Академика Курчатова, д. 1

Содержание диссертации, доктора физико-математических наук, Борисов, Георгий Иванович

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА

ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ И ПОЛУЭМПИРИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТОВ

ТПМ) ДЛЯ НЗТ

Введение

1.1. Основные ядерные реакции и характеристики продуктов этих реакций нейтронов с нуклидами нормальной биологической ткани.

1.2. Ядерные реакции нейтронов с изотопами (6Х/,10В и 235II), химическими элементами и веществами ((7*/ и Х>2О), способными изменять радиационные свойства биологической ткани при взаимодействии с нейтронами.

1.3. Основные положения ТПМ НЗТ.

1.4. Общие формулы для различных дозообразующих препаратов и моделей НЗТ.

1.5. Теоретические и полуэмпирические методы расчётов (ТПМ) для инвазивной НЗТ.

1.6. Результаты расчётов характеристик ИНЗТ.

1.7. ТПМ НЗТ на тепловых нейтронах.

1.8. Результаты численных расчётов НЗТ на тепловых нейтронах.

1.9. ТПМ НЗТ на промежуточных нейтронах

1.10. Результаты численных расчётов характеристик НЗТ на промежуточных нейтронах.

Введение Диссертация по биологии, на тему "Физические основы нейтроно-захватной терапии"

2.1. Методы и средства оперативного контроля полных потоков, спектральных и дозовых характеристик терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов реактора. 67

2.2. Дозиметрия нейтронов по мгновенному фотонному излучению, возникающему при взаимодействии нейтронов с облучаемыми объектами. 77

2.3. Экспериментальные методы и средства исследований физических характеристик взаимодействия терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с облучаемыми объектами. 82

2.4. Методы и средства исследований фармакокинетики и биологической эффективности дозообразующих терапевтических препаратов. 87 Заключение 92

ГЛАВА 3

ФОРМИРОВАНИЕ ТЕРАПЕВТИЧЕСКИХ ПУЧКОВ НЕЙТРОНОВ Введение 93

3.1. Методы формирования терапевтических пучков нейтронов. 101

3.2. Формирование пучков нейтронов для НЗТ на сквозном касательном канале ГЭК №7 реакторе ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт» и проект нового экспериментального оборудования для НЗТ. 113

3.3. Методика экспериментов и измерений с всеволновым счётчиком нейтронов и обработки экспериментальной информации для определения характеристик терапевтических пучков нейтронов. 117

3.4. Программа и проект реконструкции экспериментального оборудования ГЭК №7 реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт» 124 Заключение 135

ГЛАВА 4.

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИНЦИПЫ СОЗДАНИЯ КАПИЛЛЯРНЫХ НЕЙТРОННО-ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ (КНОС) ДЛЯ НЗТ И ДРУГИХ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПРИКЛАДНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ С

НЕЙТРОНАМИ

Введение 139

4.1. Краткие сведения о прохождении тепловых нейтронов по цилиндрическим капиллярам. 141

4.2. Экспериментальные методы исследования характеристик КНОС. 147

4.3. КНОС для формирования терапевтических и аналитических пучков нейтронов при ИНЗТ. 149

4.4. КНОС с квазиточечным источником нейтронов. 154

4.5. Некоторые примеры применения КНОС. 162 Заключение 165

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 170

ВВЕДЕНИЕ

Не спрашивай никогда, по ком звонит колокол: он звонит по тебе».

Английский поэт, настоятель монастыря святого Павла

Джон Донн (1572- 1631).

Для 70% пациентов лучевая терапия является основным методом лечения злокачественных новообразований. В РФ ежегодно регистрируется до 400 тысяч онкологических заболеваний. Только от рака мозга ежегодно в России умирает до 30 тыс. пациентов в год [1].

Нейтронно-захватная терапия (НЗТ) с использованием 10В-содержащих препаратов является (10б-НЗТ) одним из наиболее сложных, но наиболее перспективных методов лечения злокачественных опухолей мозга. Это связано с необходимостью использования достижений большинства естественных наук на пределе их возможностей: физики, биофизики, химии, биохимии, биологии и медицины.

Реализация и развитие этого метода оправданы возможностью селективного поражения раковых клеток и сохранение здоровых клеток в области опухоли, при минимальной радиационной и химической травматичности организма пациента в целом.

Это достигается за счёт введения в организм пациента не токсичных 10б-содержащих препаратов, способных накапливаться преимущественно в раковых клетках и формирования пучков нейтронов необходимой геометрической формы и спектрального состава. При этом терапевтический эффект создаётся в основном за счёт разрыва одной или обеих спиралей ДНК тяжелыми заряженными продуктами ядерных реакции медленных нейтронов с нуклидом 10В, имеющими сравнимый с размерами клетки пробег в биологической ткани (Рис. 1 и 2). Таким образом, 10В-НЗТ является классической бинарной иаио биотехнологией (на уровне ДНК и клеточных мембран) лечения онкологических заболеваний. Только в 5 поле медленных нейтронов практически безвредный ,0В-содержащий препарат превращается в мощное средство поражения ДНК опухолевых клеток. Вместе с тем необходимо отметить, что по объёмам реализации НЗТ на много порядков отстаёт от других методов лучевой терапии.

Первая публикация о принципиальной возможности лечения рака с использованием нейтронов, в сочетании с введением в организм человека 102?-содержащих препаратов [2], появилась в 1936 г. вскоре после открытия реакции10 В(п,а/У Ы .

Реализация НЗТ началась в 50-х годах прошлого столетия в США [3] несколько преждевременно и потому, к сожалению, слишком неудачно. Свойства и фармакокинетика использованных '"^-содержащих препаратов ещё не были достаточно полно изучены. Это на много лет остановило разработки и освоение НЗТ. К счастью, в этих экспериментах принимал участие мало кому известный в то время японский хирург Хироши Хатанака, учёный ставший легендой, с именем которого связана почти половина успехов, достигнутых в НЗТ в Японии и во всём мире [4, 5].

В СССР появление сведений о возможности использования нейтронов для лечения рака связано с именами И.В. Курчатова и его сподвижников [6]. п п

СГ10в=3838 барн Е?и= 1010 кэВ(6,3%)

Е7, .= 840кэВ (93,7%) и

5 мкм

10В + п—►["вн

7мкм * п Е 4Н (а)= 1780кэВ(6,3%) Е"4Н =1470 кэВ(93,7% п > п

Еу=478кэВ (93,7%) п 7Ы(1010 кэВ)+ 4Не(1780кэВ )(6,3%)

7П'(840юВ) + 4Не(1470кэВ ) (93,7%) 1-►^|478кэВ)

Рис. 1. Схема и характеристики продуктов реакции " В{п,ау)' Ы. 6 з 5 6

Рис. 2. Схематическое изображение ядерных реакций при "'В - НЗТ в масштабе клеточной структуры. Достигнутое отношение концентрации клетках опухоли и здоровых клетках составляет 7,8.

1. Здоровые клетки. 2. Клетки опухоли. 3. tt-частица из реакции 10В(п,ауУLi. у

4. Ядро Li из реакции wB(n,ay)7Li. 5. Протоны из реакции ]4N(n,p)^C. 6. Фотоны из реакции ]Н(п,у)2Н. 7. Ядра клеток. 8. Молекулы ДНК.

Пробег ядра Li со средней энергией 851 кэВ - 5 мкм. Пробег а-частицы со средней энергией 1490 кэВ - 7 мкм. Пробег фотона с энергией 2 -3 МэВ - 20 см (в масштабе данного рисунка 300 м).

Первые публикации в области НЗТ в России принадлежат Ю.С. Рябухину. [7, 8].

Большой вклад в разработку биологических основ НЗТ в России и в мире принадлежит Р.А. Спрышковой [9-11].

Физические принципы и биологические основы НЗТ вполне понятны (Рис. 1 и 2).

Существуют и технологии производства 1 ^-содержащих дозообразующих препаратов, способных селективно накапливаться в клетках опухоли. Достигнуто отношение концентраций 1°В в тканях опухоли и здоровой ткани равное 7,8 [12]. Во многих странах мира ещё со второй половины прошлого века существуют терапевтические пучки нейтронов [1315]. Несмотря на это применение НЗТ в миллионы раз отстаёт от масштабов этой общечеловеческой гуманитарной проблемы медицины (табл. 1). И это на фоне фантастических достижений в науке и технике, в областях высоких технологий и в медицине в том числе.

Таблица!. Количество пациентов, прошедших курс НЗТ к 2005 г. [13]

Реактор, организация, страна Дата или период Количество пациентов

HTR, Технологический Институт Мусаши; JRR; KUR, Исследовательский реакторы Университета в Киото - все три в Японии С 1968 >500 К настоящему времени

HFR, Петтен, Нидерланды 1997-2005 26

LVR-15, Реж, Чешская республика 2001-2005 5

BMRR, Брукхэйвен, США 1994-1999 53

MITR-II, М67 MIT, США 1996-1999 20

MITR-II, FCB MIT, США 2001-2005 5

FiRl, Хельсинки, Финляндия 1999-2005 21

На вопрос, почему так медленно развивается и осваивается НЗТ трудно дать однозначный ответ. С одной стороны, разумеется, это связано со сложностью и высокой стоимостью реализации. Но дело не только в этом и не столько в этом. Развитие НЗТ требует объединения усилий специалистов в большинстве естественных наук: физике, химии биологии и преяеде всего в медицине. И в самой физике необходимо привлечение специалистов многих специальностей. Необходимо гармоничное слияние тысячелетнего опыта гуманизма медицины с точным пониманием и применением законов физики и всех других естественных наук. По проблемам НЗТ опубликовано немало интересных и содержательных обзоров [13-15], но процесс реализации НЗТ в мире совершенно явно не соответствует огромным объёмам интеллектуальных и материальных затрат.

Вместе с тем необходимо признать, что во всём мире НЗТ до сих пор не сформировалась как научное направление медицины, как например, рентгенология, кардиология, хирургия и многие, многие другие. Все они имеют свою историю, освоенные методики лечения, свои учебные программы подготовки специалистов, и системы образовательных и лечебных учреждений. Причём наиболее тяжёлая ситуация именно с физикой. Не существует общей физической теории НЗТ, доступной широкому кругу пользователей. Нет учебных курсов или программ такой дисциплины как, например, «Физические основы НЗТ» или что-то в этом роде. Не существует общепринятого комплекса средств оперативного контроля НЗТ и измерения характеристик терапевтических пучков нейтронов. Нет даже проектов создания источников нейтронов, позволяющих обеспечить многократное увеличение производительности НЗТ при не менее значимом снижении себестоимости. В России просто нет ни одного терапевтического пучка, пригодного для НЗТ человека, а лечат только исключительно собак и крыс.

В связи с этим даже в материалах уже четырнадцати Международных Конгрессов по НЗТ (1С>ГСТ) слишком большое количество противоречащих друг другу, спорных, бесполезных, ошибочных и даже вредных докладов, причём именно в области физических основ и оптимальных физических направлений развития и реализации НЗТ.

Диссертация основана в значительной степени на наших многолетних разработках и исследованиях в области НЗТ и направлена на решение основных актуальных физических проблем: многократного повышения эффективности НЗТ по основным показателям - выживаемости пациентов, производительности и себестоимости.

Для решения этих проблем необходимо: создание комплекса теоретических и полуэмпирических расчётных программ НЗТ для оперативного применения в клинических условиях, разработка нового комплекса эффективных экспериментальных методов исследований и оперативного контроля НЗТ в клинических условиях, разработка новых методов и средств формирования терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с использованием касательных каналов исследовательских реакторов средней мощности, разработка методов формирования терапевтических пучков на основе капиллярной нейтронной оптики для инвазивной НЗТ.

Заключение Диссертация по теме "Радиобиология", Борисов, Георгий Иванович

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Огромная современная наука - медицина состоит из множества вполне сформировавшихся научных дисциплин со своими школами, своими методиками лечения пациентов, с достаточным количеством специалистов необходимых квалификаций, обеспеченных рабочими местами со всем современным оборудованием. Например, медицинская рентгенология - это огромный штат врачей рентгенологов по многим направлениям медицины, это целые отрасли медицинского приборостроения, - это миллионы и миллионы пациентов.

Но если набрать словосочетание медицинская нейтронология или врач нейтронолог, то компьютер покажет, что таких слов в русском языке не существует, как в объективной реальности пока практически не существует, ни такой научной дисциплины, ни такой специальности. Хотя такое словообразование не противоречит канонам русского языка. А в английском языке словосочетания neutron medicine и neutron doctor не вызывают негативной реакции компьютера. Но дело конечно не в терминологии.

Разработанный полный комплекс теоретических и экспериментальных физических методов и средств, необходимый для реализации, развития и увеличения вклада нейтронных методов в лечение онкологических заболеваний представляет собой шаг вперёд в становление этой дисциплины.

По существу, это значимая часть физических теоретических и экспериментальные основ НЗТ, близких к современному пониманию проблемы в целом. При этом со всем вниманием рассматривались и интересные экспериментальные результаты, и перспективные проекты мировой практики НЗТ, которые, в отличие от России, представляет собой объективную реальность.

Диссертация представляет собой теоретическое и экспериментальное обоснование нового направления развития НЗТ, предназначенного для повышения уровня выживаемости пациентов и её конкурентоспособности, а также увеличения объёмов реализации.

С этой целью:

Впервые в мировой практике разработан и уже используется для реальных расчётов в НЗТ Комплекс теоретических и полуэмпирических методов - ТПМ, основой которого 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 различных энергий, длин замедления, диффузии и миграции нейтронов, ядерных и атомных данных, а также простом и с физической точки зрения очевидном математическом аппарате, а не на методах математического моделирования. Большая часть аналитических выражений, являющихся основой ТПМ, при всей их простоте и очевидности впервые увидели свет при выполнении работ, представленных в диссертации. ТПМ в первую очередь предназначена для планирования оптимальных режимов и конфигураций нейтронно-оптических систем (НОС) формирования терапевтических пучков.

Впервые в мировой практике разработан и внедрён в практику экспериментальных исследований комплекс универсальных методов и средств: контроля формирования терапевтических диагностических и

166 исследовательских пучков нейтронов, дистанционной дозиметрии нейтронов, массовых исследовний фармакокинетики и биологичесской эффективности новых 10В-содержащих препаратов, получения экспериментальных данных необходимых для ТПМ. При этом используется один полупроводниковый спектрометр мгновенного фотонного излучения, возникающего при взаимодействии нейтронов с исследуемыми живыми объектами, фантомами и специальными мишенями (два авторских свидетельства).

Впервые в мировой практике теоретически и экспериментально обоснован новый метод оперативного (при остановленном реакторе) формирования спектралного состава терапевтических, диагностических и исследовательских пучков нейтронов с использованием обоих выходов касательных каналов исследовательских реакторов, различных рассеивателей у активной зоны реактора и различных фильтров в выходных секциях НОС (Патент).

Впервые в мировой практике теоретически (с использованием ТПМ) и экспериментально показана возможность и целесообразность применения капиллярных нейтронно-оптических систем для НЗТ мозга (Патент).

При внедрении результатов этих разработок и исследований у России появятся реальные возможности в кратчайшие сроки занять лидирующее положение в мире в области НЗТ.

Тексты диссертации и принятого к публикации обзора в ЭЧАЯ представляют собой курс лекций по НЗТ для физических и медицинских ВУЗов для одного семестра. И если иметь в виду развитие работ по НЗТ на ИР-8, то чтение лекций необходимо начинать в самом ближайшем будущем. Курс может быть дополнен лабораторными работами на ГЭК №7.

Материалы диссертации в тоже время представляют собой завершённый комплекс НИР, необходимый для перехода к стадии ОКР и реализации НЗТ на касательном канале реактора ИР-8 НИЦ «Курчатовский институт».

НА ЗАЩИТУ ВЫНОСЯТСЯ

Комплекс теоретических и полуэмпирических методов оперативных расчётов (ТПМ) для НЗТ

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.

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.

Физические принципы создания капиллярных создания нейтронно-оптических систем (КНОС) и экспериментального оборудования для НЗТ и других фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами.

БЛАГОДАРНОСТИ

Как автор настоящей диссертационной работы считаю своим долгом и приятной обязанностью поблагодарить:

Всех моих коллег и друзей, имена которых Вы обнаружите в списке публикаций рядом с моей фамилией и далеко не только таковых.

Виктора Лазаревича Аксёнова, подвигнувшего меня к этой работе, результаты которой оказались интересными и новыми, прежде всего для меня самого, а также публикации её в обзорном журнале ЭЧАЯ в России и за рубежом. Ему же принадлежит также и весьма своевременная идея о необходимости преподавания курса НЗТ в соответствующих ВУЗах.

Японских коллег, охотно и подробно публикующих наиболее обширные в мире результаты своих разработок и исследований. Именно это позволяет проводить заочные совместные эксперименты, разделённые как временем, так и пространством, путём сопоставления полученных экспериментальных результатов.

Библиография Диссертация по биологии, доктора физико-математических наук, Борисов, Георгий Иванович, Москва

1. Г. И. Борисов. Теоретические и экспериментальные физические методы нейтронно-захватной терапии. Физика атомного ядра и элементарных частиц. 2011 г, Том 42. Вып. 5. С. 713-781.

2. Original Russian Text © G.I. Borisov, 2011, published in Fizika Elementarnykh Chastits i Atomnogo Yadra, 2011, Vol. 42, No. 5.

3. Цыб А.Ф., Ульяненко C.E., Мардынский Ю.С. и др. Нейтроны в лечении злокачественных новообразований. Научно-методическое пособие. Обнинск: БИСТ, 2003. 112 стр.

4. Locher G.L. Biological Effects and Therapeutic Possibilities of Neutrons. Amer. J. Roentgenology. 1936.36. P. 1-13.

5. Farr L.E., Sweet W.H., Robertson J.S., et al. Neutron Capture Therapy with Boron in the Treatment of Glioblastoma Multiform. Amer. J. Roentgenology. 1954. 71. P. 279-293.

6. Hatanaka H., Nakagava Y. Clinical results of long-surviving brain tumor patients who underwent patientsioBcapture therapy. Int. J. Radiat. Oncol.

7. Biol. Phys. 1994. 28. P. 1061 1066.

8. Hatanaka H., Masuzawa Т. Amano К., et. al. Basic and clinical studies on boron-neutron capture therapy. Nippon Acta Neuropathology. 1968 9. P 3740.

9. И.В. Курчатов. Избранные труды в 3-х томах. Том 2. Нейтронная физика. Издательство Наука 1983 С. 346.

10. Рябухин Ю.С. Нейтронно-захватная терапия злокачественных опухолей. Мед. радиол. 1970, № 8, с. 81-91.

11. Рябухин Ю.С., Успенский В.А., Лыскова М.Н. и др. Мед. радиол. 1972, № 3. С. 24-30.

12. R. Spryshkova, M. Naidenov, G. Borisov. et. al. Biological efficacy of thermal neutrons using Na210B12H11SH studied in vivo on B-16 mouse melanoma. Strahlentharapie und Onkologie, 1989, Band 165 Heft 2/3, pp 213215.

13. John Morris, R. Spryshkova, G. Borisov. et. al. Synthesis and characterization of 7-(CH3)3 -N-4-{2,4-CN02)2C6H3S}-nido-7-CB1oH11 and its Biodistribution in C57B1/6 mice bearing B-16 melanoma. Applied Organometallic Chemistry, 1995, 9. P. 1-3.

14. Rolf F. Barth, Albert H. Solovey, and Robert M. Brugger. Neutron Capture Therapy of Cancer: Current Status and Future Prospects. Clin. Cancer Res. 2005; 11(11). P. 214-229.

15. D.N. Slatkin. A history of boron neutron capture therapy of brain tumors. Brain. 1991. 114. P. 1609-1629.

16. Rolf F. Barth, Albert H. Solovey, and Robert M. Brugger. Boron Neutron Capture Therapy of Cancer: Current Status and Future Prospects Cancer Investigation. 1996. 14(6). P. 534-550.

17. Б.М. Исаев, Ю.И. Брегадзе. Нейтроны в радиобиологическом эксперименте. Издательство «Наука» Москва 1967. 292 с.

18. O.R. Frisch. The Nuclear Hand Book. London, George Newnes Limuted 1958. Справочник по ядерной физике. Перевод под редакцией JI.A. Арцимовича. Государственное издательство физико-математической литературы. Москва 1963. С. 244-326.

19. К.Н. Мухин. Введение в ядерную физику. Госатомиздат. Москва 1963. С 249-275.

20. Н.А. Власов. Нейтроны. Издательство Наука. Москва 1971. С. 395-456.

21. А.И. Алиев, В.И. Дрынкин, В.И Лейпунская et.al. Ядернофизические константы для нейтронного активационного анализа. Атомиздат Москва1969. С. 6-46.

22. В.И. Гума, A.M. Демидов, В.А. Иванов et.al. Нейтронно-радиационный анализ. Энергоатомиздат Москва 1984. С. 55-61.

23. Nuclear data sheets. N.Y. London Acad. Press, 1970-1982, V 3-33.

24. Э. Сторм, X. Исраэль. Сечения взаимодействия гамма-излучения. Москва. Атомиздат 1973. 252 стр.

25. Hughes D, Schwartz С. Neutron Gross Section BNL 325. Upton New York 1958. 373 p.

26. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М.: Атомиздат 1968, 325 стр.

27. I.N. Sheino. Dose-suplimentary of Malignfnt Tumors. Proc. of 12th International Congress on Neutron Capture Therapy. October 9-13, 2006. Japan. P 531-534.

28. N. Cerullo, D. Bufalino, G. Daquino. Progress in the Gadolinium for NCT. Proc. 13th ICNCT. Italy 2008. P. 541.

29. Борисов Г.И. Использование спектрометрии мгновенного гамма-излучения для дистанционной дозиметрии нейтронов. Ат. Эн. 1986. 60(5). С. 341-344.

30. Г.И. Борисов, М.Г. Найденов. Способ непосредственного контроля тканевой и эквивалентной дозы тепловых нейтронов. Авторское свидетельство № 1259198, 1986. Бюллетень изобретений №35.

31. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko, М.А Kumakhov. Model of focusing capillary neutron system (CNOS) for invasive neutron capture therapy (INST). Proc. 11- World Congress on Neutron Capture Therapy, October 11-15 2004. Boston USA. Program book. P. 45.

32. Г.И Борисов, M.A. Кумахов, Р.И. Кондратенко. Расчётные оценки возможности реализации инвазивной нейтронно-захватной терапии с использованием капиллярных нейтронно-оптических систем. Российский Биотерапевтический Журнал 1/2005. С. 22.

33. Арзуманов С.С., Бондаренко JI.H., Загрядский В.А. и др. Нейтрон-захватная терапия ультрахолодными нейтронами. Ат. Эн. Е. 109. Вып. 1. Июль 2010.ИНЗТ

34. Г.И. Борисов, Т.М. Варгина, Р.И. Кондратенко. Элементарная теория 10В-НЗТ на тепловых нейтронах. Российский Биотерапевтический Журнал 1/2007. С. 80.

35. Н.А. Власов. Нейтроны. Издательство Наука. Москва 1971. С. 441-444.

36. G.I Borisov, R.I. Kondratenko. Semi empirical Theory of 10B-NCT. Proc. 12- ICNCT. Japan 2006. P. 489^91.

37. H.A. Власов. Нейтроны. Издательство Наука. Москва 1971. С. 207-209.

38. East L., Walton R. Polyethylene moderated 3He neutron detectors. Instr. Meth., 1969. 72, p. 161-166.

39. Бекурц К., Виртц К. Нейтронная физика. М. Атомиздат 1968. С. 62-64.

40. Стрижак В.И. Физика быстрых нейтронов. М. Атомиздат 1977. С. 5-64

41. Абрамов А.И., Казанский Ю.Я., Матусевич Е.Е. Основы экспериментальных методов ядерной физики. М. Атомиздат 1977. С. 463469.

42. Evans A., Brandenberger J. High resolution fast neutron spectrometry . without time of flight. Trans. Nucl. Sei., 1979, V. HS-W 1. P. 1484-1487.

43. Лапенас A.A. Измерение спектров нейтронов активационным методом. Рига. Зинатне 1975, 112 с.

44. Борисов Г.И., Демидов A.M. Счётчик нейтронов. Авторское свидетельство № 1393523. 1988. Бюл. № 16. Нейтронный счётчик

45. Борисов Г.И., Демидов A.M. Всеволновой детектор для спектрометрии нейтронов. Ат. Эн. 1989. 66(6). С. 408-412.

46. Борисов Г.И., Воронов С.Ф., Pay Д.Ф. Полуэмпирический метод определения эффективности германиевых детекторов. Тезисы: Ядерная спектроскопия и структура атомного ядра. ХХХУ Всесоюзное совещание, Ленинград 1985, Издательство НАУКА, с. 471.

47. Борисов Г.И., Боровой A.A. и др. Контроль радиационной обстановки на реакторах методами полупроводниковой спектрометрии. Ат. Эн. Том 68, 1990 г. С 385, 386.

48. Борисов Г.И. Использование спектрометрии мгновенного гамма-излучения для дистанционной дозиметрии нейтронов. Ат. Эн. 1986. 60(5). С.341-344.

49. Борисов Г.И., Найдёнов М.Г. Способ непосредственного контроля тканевой и эквивалентной дозы тепловых нейтронов. Авторское свидетельство № 1259198. 1986. Бюл. 35.

50. Y. Sakurai, A. Maruhash, К. Ono. Appl. Rad. and Isotopes. P. 829-833

51. Борисов Г.И., Комков M.M. Леонов. Применение спектрометрии мгновенного у-излучения для оптимизации пучков нейтронов реактора в медико-биологических исследованиях. Ат. Эн. 1987. 63(6). С. 404^07.173

52. Г.И. Борисов, Р.И. Кондратенко. Полуэмпирическая оценка характеристик пучков нейтронов для 10В-НЗТ. Российский Биотерапевтический Журнал 1/2006. С. 34, 35

53. Борисов Г.И., Комков М.М., Леонов В. Ф. Комплекс оборудования для инструментального элементного анализа. Ат. Эн. 1986. Т. 60, Вып. 3. С. 186-190.

54. Алексеев И.Н. Богомолов JI.M., Борисов Г.И. и др. Определение содержания бора в дополнительных поглотителях критических сборок методом нейтронно-активационного анализа. Ат. Эн. 1986, 65(1), С. 2832.

55. Itsuro Kato, Koji Ono, Yoshinore Sakurai et. al. BNCT for Recurrent Head and Neck Malignancies. Proceedings of 12th ICNCT 2006, Japan. P. 1-4.

56. Yoshinobi Nakagawa. Ibid. President's Address.

57. Wheeler F., Ruston В., Parsons D. et. al. Reactor physics design for an epithermal neutron beam at the Power Burst reactor Facility. Strahlentherapie und Onkologie, 1989, Band 165 Heft 2/3. P. 69-71.

58. Fairchild R., Kalef-Ezra J., Fiarman S. et al. Optimization on epithermal beam for NCT at the Brookhaven Medicine Research Reactor (BMRR). Strahlentherapie und Onkologie, 1989, Band 165 Heft 2/3. P. 84-86.

59. Less T, Brugger R. Reactor moderated intermedie energy neutron beams for neutron capture therapy. Strahlentharapie und Onkologie, 1989. Band 165 Heft 2/3. P. 87-89.

60. Harling O, Clement S., Choi J. et. al. Neutron Beams for neutron capture therapy. Strahlentherapie und Onkologie, 1989. P. 90-92.

61. Harling О. Boron neutron capture therapy research at the MIT Research Reactor. Neutr. News. 1994. 5(4) P. 23-28.

62. K.W. Burn, L Casalini, S. Martini et. al. Final Design and Construction Issues of the TAPIRO Epithermal Column. Proc. 13~ International Congress on Neutron Capture Therapy, November 2-7. 2008. Florence, Italy. P. 564567.

63. E. Nava, S. Agosteo, R. Bedogni et. al. Proc. Рис. ЗОБ. Вторичный источник тепловых и промежуточных нейтронов.

64. Активная зона реактора первичный источник нейтронов. 2. Водородосодержащий рассеиватель - вторичный источник нейтронов. 3. Касательный ГЭК №7. 4. Свинцовый экран. 5. Стационарный отражатель из бериллия. 6. Сменные отражатели из бериллия.

65. Ргос. 13~ International Congress on Neutron Capture Therapy, November 27. 2008 . Florence, Italy. P. 537-540.

66. J. Burian, G. Gambarini, M. Marec et. al. Physical parameters and biological effects of the LVR-15 epithermal neutron beam. Proc. 12-International Congress on Neutron Capture Therapy, October 9-13. 2006. Takamatsu, Tagava, Japan. P 481^84.

67. H. Koivunoro, P. Kotiluoto, I. Auterinen et. al. J.Burian, G. Gambarini,

68. M. Marec et. al. Simulation study of the photon quality correction factor oftbionization chambers for FiRl epithermal neutron beam. Proc. 12- International Congress on Neutron Capture Therapy, October 9-13. 2006. Takamatsu, Tagava, Japan. P 470-474

69. Zhou Yongmao, Gao Zhixian, Li Yiguo et. al. Design and Construction ofththe In-Hospital Neutron Irradiator 1<IHNI-1>. Proc. 13- International Congress on Neutron Capture Therapy, November 2-7. 2008 . Florence, Italy. P 557-561.

70. Jiang Xinbiao, Zhu Yangni, Gao Jijin et. al. Ibid. 576-579.

71. Портнов A.A., Хохлов В.Ф., Зайцев K.H., и др. Российский Биотерапевтический Журнал. 1/2005. С. 27.

72. Хохлов В.Ф., Кулаков В.Н., Шейно И.Н. и др. Международная научно-техническая конференция «Исследовательские реакторы в XXI веке», Москва 20-23 июня 2006 г. Москва. Издательство ГУП НИКИЭТ. Доклад №46 на CD.

73. А.А. Portnov, K.N. Zaitsev, V.A. Savkin et.al. Proc. 13ш ICNCT. Italy 2008. P. 435-438.

74. A.A. Portnov, K.N. Zaitsev, et.al. Proc. Proc. 14- World Congress on Neutron Capture Therapy, October 25-29. 2010. Buenos Aires, Argentina. P. 375-379.

75. S. Belousov, K. Ilieva. Proc. 14- World Congress on Neutron Capture Therapy, October 25-29. 2010. Buenos Aires, Argentina. P. 384-387.

76. Yoshiharu Mori and Masayuki Muto. Neutron Source with FFAG-ERIT.th

77. Proc. 12- International Congress on Neutron Capture Therapy, October 9-13. 2006. Takamatsu, Tagava, Japan. P.360-363.

78. Г.И. Борисов, Л.И. Говор, A.M. Демидов. Формирование пучков для нейтронно-захватной терапии с использованием касательного канала реактора. Ат. Эн. 1993. 75(5). С. 359-373.

79. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko. Program for Reconstruction of Experimental Equipment of horizontal tangent channel №7 of IR-8 reactor at RRC «Kurchatov Institute». Proc. 13ш ICNCT. Italy 2008. P. 392.

80. G.I. Borisov, G.I. Govor, R.I. Kondratenko et. al. Use of tangential channelstV»of research reactors for neutron capture therapy (NCT). Proc. 14- ICNCT. Argentina 2010. P. 424-426.

81. Борисов Г.И., Ерак Д.Ю. Патент на изобретение №200914832 Устройство для терапии онкологических заболеваний. Приоритет от 28.12.2009.

82. В.В. Гончаров. Экспериментальная база атомных реакторов и её развитие. Исследования и разработки в реакторных научных центрах. РНЦ «Курчатовский институт». Москва 1993. С. 14, 15.176

83. G.I. Borisov, M.A., Kumakhov. Using one reflection neutron optics system for tailoring high flux neutron beams. Joint Meeting on Neutron Optics and Detectors. 12-16 January 2004. University of Tokyo, Japan. Abstract Book. P.103.

84. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Tailoring of neutron beams spectrum and spatial distribution by means of capillary optics. Ibid. P. 104.

85. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Idid. Poly-capillary lens for neutrons. P. 105.

86. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Instrumtnts and Methods for Investigation with Neutrons Optics Systems on Reactor IR-8 Reactor RRC "Kurchatov Institute". Neutron. Idid. P.l 19.

87. M.A. Kumakhov. Neutron Capillary Optics Status and Perspectives. Idid. P. 22.

88. Y.Kiyanagi, H. Nakagava, G.Koike et.al. Ibid. Measurements of Neutron Transport Characteristics of Multy-Capillary fibers as a Function of Energy. P. 100.

89. G.I. Borisov, B.V. Odinov, A.V. Puhov. X-Ray Optic Analytical Microscope with Parallel Axes of Microscope and Kumakhov Polycapillary Lens. X-Ray Lenses European Conference on X-Ray Spectrometry 2004 Algero, Italy. Book of Abstracts 2004. P. 31.

90. G.I. Borisov, B.V. Odinov, A.V. Puhov. Energy-Dispersion XRF Analyzer with Several X-ray Tubes. Ibid. P 32.

91. И.И. Гуревич, JI.B. Тарасов. Физика нейтронов низких энергий. Издательство «Наука». Главная редакция физико-математической литературы. Москва 1965. Стр. 14-78.

92. Б.Д. Кузмин (перевод), О.Д. Казачковский (редакция) Оптимизация нейтронных пучков. Атомиздат. Москва 1965. 164 стр.

93. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Using one reflection neutron optics system for tailoring high flux neutron beams. Nucl. Instr & Meth., A 529 (2004). P. 98-101.

94. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Tailoring of neutron beams spectrum and spatial distribution by means of capillary optics. Nucl. Instr. & Meth., A 529 (2004). P. 102-105.

95. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Poly-capillary lens for neutrons. Nucl. Instr. & Meth., A 529 (2004). P. 102-105.

96. Борисов Г.И., Борисов Д.Г. Капиллярная нейтронно-оптическая система. Патент на изобретение №2340023. Приоритет от 14 марта 2007 г.

97. G.I. Borisov, R.I. Kondratenko, M.A. Kumakhov. Esimation of Neutron Optical Characteristics of capillaries of different Shapes. Proceedings of SPIE. X-Ray and Neutron Capillary Optics II. 22-26 September 2004 Zvenigorod, Russia. P. 55-59.

98. G.I. Borisov, M.A. Kumakhov. Poly-capillary lens for neutrons. Proceedings of SPIE. X-Ray and Neutron Capillary Optics II. 22-26 September 2004 Zvenigorod, Russia. P. 129-133.

99. Zhou Yongmao, Gao Zhixian, Li Yiguo et. al. Design and Construction of the In-Hospital Neutron Irradiator 1<IHNI-1>. Proc. 13~ International Congress on Neutron Capture Therapy, November 2-7. 2008 . Florence, Italy. P557-561.