УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ

Название	УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ
Разработчик (Авторы)	Капчигашев С.П., Горбушин Н.Г., Цыб Т.С., Захаров Т.О.
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2226729
Дата регистрации	12.07.2002
Правообладатель	Медицинский радиологический научный центр РАМН
Область применения (класс МПК)	G21K 5/00 (2000.01), A61N 5/10 (2000.01)
Медаль имени А.Нобеля

Описание изобретения

Изобретение относится к области физики биологического действия ионизирующих излучений, в частности к изучению биологических эффектов при воздействии нейтронов и смешанного плотно- и редкоионизирующих излучений. Оно может быть использовано в экспериментальной радиобиологии и дистанционной нейтронной терапии злокачественных новообразований.

Известно техническое решение по раздельному воздействию нейтронного и гамма-излучения на биологические объекты. Вначале проводят контактное облучение посредством изотопа калифорния-252, помещенного в полую иглу, а затем осуществляют дистанционную лучевую терапию посредством гамма-терапевтического аппарата [Открытия, изобретения 1985, № 4, авт. св. № 1054960, с.208]. Такое техническое решение используют для лечения больных с неглубоко расположенными злокачественными новообразованиями.

Недостатками способа являются низкая интенсивность нейтронного излучения, невозможность варьирования гамма- и нейтронной компонентами излучения калифорния-252. Кроме этого, в данном способе имеет место раздельное облучение во времени между изотопом калифорния-252 и на гамма-терапевтическом аппарате, что способствует дополнительной репарации опухолевых клеток и приводит к снижению эффективности лечения.

Известно техническое решение для повышения интенсивности гамма-нейтронного воздействия на биологические объекты [см. авт. св. № 1706647 от 06.07.87 г.]. Для этого используют реакторные пучки быстрых нейтронов.

Недостатком такого решения является невозможность системного изменения соотношения компонент реакторного излучения.

Известно техническое решение, предназначенное для формирования соответствующих полей облучения [см. авт. св. № 1762945 от 23.03.90 г.]. Оно содержит ядерный реактор и систему формирования нейтронного пучка с фильтром из борсодержащего материала и коллиматором переменного сечения. Данная система формирования пучка снабжена дополнительным фильтром из титана. Недостатком такого технического решения является малый вклад гамма-излучения в суммарную дозу.

Прототипом предлагаемого технического решения является устройство для формирования смешанных гамма-нейтронных полей [Wang J., Wang В., Chen D. and Luo Y. The Response of dogs to Mixed Neutron-γ Radiation with Different n/γ Rations. // Radiation Research. 1991, № l28. S.42-46]. В качестве источника смешанного гамма-нейтронного излучения используют реактор на тепловых нейтронах с начальным соотношением n/γ равным, 15%. Для изменения соотношения компонент используют устройства, выполненные в виде свинцовых фильтров разной толщины. Таким образом, в зависимости от материала и толщины фильтра формируют смешанные гамма- и нейтронные поля облучения, в которых представляется возможным выделить одни компоненты из первоначального потока излучения и за счет комбинации фильтров ослабить другие составляющие. Недостатками такого технического решения являются:

- значительное уменьшение суммарной дозы смешанного излучения при использовании любой комбинации фильтров;

- неприменимость метода фильтрации для источников реакторного излучения, у которых вклад гамма-излучения в суммарную дозу является очень малой величиной (до 5%).

Целью предлагаемого изобретения является создание устройства для одновременного воздействия нейтронами и гамма-излучением на биологические объекты при любых пучках.

Поставленная цель достигается тем, что в предлагаемом устройстве имеется конвертор нейтронного излучения. Он представляет собой оболочку, внутри которой помещают биологический объект. Конвертор с биологическим объектом размещают внутри объемной полости замедлителя. При этом конвертор содержит один или более слоев, толщины которых соответствуют максимуму выхода гамма-квантов захвата нейтронов. Он размещен на глубине замедлителя, соответствующей максимуму распределения конвертируемых (тепловых, медленных и резонансных) нейтронов и наибольшему выходу гамма-квантов. Замедлитель и конвертор выполнены разъемными и имеют закрывающиеся технологические окна.

Перечень фигур:

Фиг.1 - устройство для облучения: 1 - замедлитель, 2 - полость, 3 - биологический объект, 4 - конвертор, 7 - технологические окна, 8 -крышка;

фиг.2 - конвертор: 5 - слой Cd, 6 - слой W;

фиг.3 - вклад в события радиационного захвата нейтронов в Cd и W разных энергетических групп спектра: n₀ - исходный спектр нейтронов, Cd, W - вклад в события радиационного захвата в Cd и W для разных энергетических групп.

Описание устройства.

Устройство по фиг.1 состоит из замедлителя 1 - полиметилметакрилатного блока с полостью 2, расположенной на определенной глубине. Глубину размещения полости задают таким образом, чтобы потоки нейтронов n₀ для различных энергетических групп проявляли максимальный выход. При этом геометрия полости 2 может быть различной в зависимости от геометрии облучаемого объекта 3. Внутри полости располагается полый конвертор 4, состоящий из одной или нескольких оболочек 5, 6 (фиг.2). Для удобства размещения облучаемого объекта 3 имеются технологические окна 7 и крышка 8 (фиг.1).

Подготовка к работе.

Для облучения биологического объекта (например, пробирки с суспензией клеток) используют замедлитель с цилиндрической полостью 2 для размещения в ней конвертора 4. Биологический объект 3 помещают внутрь конвертора 4 и устанавливают их в полости 2, которую закрывают крышкой 8. Замедлитель и крышка выполнены из одного и того же материала. Таким образом, получаем однородный блок из полиметилметакрилата с расположенными внутри конвертором 4 и биологическим объектом 3, что позволяет одновременно облучать биологический объект нейтронами и гамма-излучением.

Механизм действия устройства.

При облучении замедлителя 1 потоком быстрых нейтронов n₀ часть их преобразуется в тепловые и медленные нейтроны и тем самым устанавливается пространственно распределенное поле конвертируемых нейтронов (медленных и резонансных), которые за счет радиационного захвата в материале конвертора 4 создают поле гамма-излучения в соответствии с реакциями

Применение конвертора 4 (фиг.1, 2) позволяет преобразовать тепловые, медленные и резонансные нейтроны, а также значительно увеличить поток γ-квантов. Так, из физики взаимодействия нейтронов с веществом известно, что в результате радиационного захвата на элементах конвертора 4, то есть при поглощении нейтрона ядром с атомным номером А, образуется изотоп (А+1) в возбужденном состоянии, энергия которого определяется энергией связи нейтрона с ядром и его кинетической энергией. Возбужденное состояние атома неустойчиво и в результате его распада образуется излучение одного или нескольких γ-квантов. Так, в случае применения в качестве конвертора такого материала, как кадмий (Cd), гамма-излучение возникает при реакции на тепловых нейтронах (1). Выход γ-квантов преимущественно зависит от материала конвертора и от энергетического спектра пучка нейтронов. Ожидаемая интенсивность выхода потока γ-квантов на один захват может быть определена по формуле

Nγ = nλγсрΣF(Ei)ΔEiσγ(Ei)exp[-nσ(Ei)],

где n - число ядер на один кв. см, λγср - средний выход гамма-квантов на 1 захват, F(Ei)ΔEi - поток нейтронов в i-той энергетической группе, σ(Ei) - полное сечение взаимодействия нейтронов с используемым элементом конвертора, кв.см., σγ -сечение радиационного захвата нейтронов.

На фиг.3 представлены расчетные данные по вкладу в события радиационного захвата в кадмии и вольфраме разных энергетических групп спектра. Из этих данных видно, что число событий захвата на тепловых нейтронах в основном обусловлено кадмием, а в области резонансных нейтронов - вольфрамом (W). Полученный результат объясняется тем, что в естественном вольфраме наибольшее значение сечения захвата приходится на область резонансных нейтронов, а в таких элементах, как кадмий, наибольшее сечение приходится на тепловые нейтроны.

Положительный эффект от предлагаемого изобретения заключается в существенном повышении гамма-составляющей излучения при облучении нейтронами медико-биологических объектов. Устройство может быть использовано в научно-исследовательской и клинической практике.

Формула изобретения

1. Устройство для облучения биологических объектов, содержащее конвертор нейтронного излучения, отличающееся тем, что конвертор выполнен в виде оболочки с возможностью размещения внутри нее биологического объекта и установлен в объемной полости замедлителя, причем объемная полость расположена в области максимума распределения конвертируемых (тепловых, медленных и резонансных) нейтронов в гамма-кванты.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что конвертор выполнен многослойным из различных материалов.

3. Устройство по п.l, отличающееся тем, что замедлитель и конвертор выполнены разъемными.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что замедлитель и конвертор имеют закрывающиеся технологические окна.

Изобретение "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ БИОЛОГИЧЕСКИХ ОБЪЕКТОВ" (Капчигашев С.П., Горбушин Н.Г., Цыб Т.С., Захаров Т.О.) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога