Файл: Обоснование выбора темы и ее актуальность 7.docx

Введение 7

Обоснование выбора темы и ее актуальность 7

Протонно-лучевая терапия является одним из наиболее перспективных методов лучевой терапии при лечении различных онкологических заболеваний. Этот метод представляет собой использование ускоренных частиц (протонов) для локализованного воздействия на злокачественные опухоли, что позволяет снизить негативное воздействие на окружающие здоровые ткани и органы. Однако, для эффективного применения протонно-лучевой терапии необходимо обеспечить точное подведение пучка протонов к нужному месту биологического объекта. Для этого требуется разработка специальных систем управления, контроля и мониторинга лучевого лечения, а также создание фантомов для проведения биологических экспериментов и оптимизации процесса лучевой терапии. 7

Важность обеспечения точной доставки пучка протонов заключается в том, что любое отклонение может привести к нежелательным последствиям, таким как повреждение здоровых тканей и органов, а также снижение эффективности лечения. Поэтому, разработка и использование специальных систем управления и мониторинга позволяет обеспечить максимально точное подведение пучка протонов к нужному месту биологического объекта и повысить эффективность лечения. 7

Создание фантомов для проведения биологических экспериментов также является важным аспектом протонно-лучевой терапии. Фантомы представляют собой имитацию биологического объекта, которая используется для проведения различных экспериментов и оптимизации процесса лучевой терапии. Использование фантомов позволяет получить более точные и достоверные данные о воздействии пучка протонов на злокачественную опухоль, а также оценить возможные побочные эффекты на окружающие здоровые ткани и органы. Кроме того, разработка фантомов позволяет проводить более точную калибровку оборудования и проводить более точные расчеты дозы лучевого воздействия. Это позволяет снизить риск нежелательных последствий и повысить эффективность лечения. 8

Таким образом, обеспечение точной подводки пучка протонов к нужному месту биологического объекта и разработка фантомов для проведения биологических экспериментов являются важными аспектами протонно-лучевой терапии. Эти меры позволяют повысить эффективность лечения и снизить риск нежелательных последствий, что делает этот метод лучевой терапии более перспективным и эффективным при лечении онкологических заболеваний. 8

Цели и задачи исследования: 8

1 Литературный обзор 9

1.1. Общая характеристика протонной терапии 9

1.2. Известные эксперименты по облучению биологических объектов 19

1.3. Известные методы верификации положения 33

Глава 2. Экспериментальная часть 40

2.1. Выбор конструкции фантома для облучения яиц 40

Глава 3. Экономическая часть 45

3.1. Организация и планирование работ по теме 45

3.2. Расчёт стоимости проведения работ 47

Заключение 51

Работа посвящена подготовке радиобиологических экспериментов по облучению клеточных культур, переелиных яиц и других биологичских объектов малого размера в условиях потонного пучка с энергией 160 МэВ. Решена задача снижения радиационного фона в помещении после облучения фантома и поддержания температуры воды за счет уменьшения габаритов конструкции фантома. Спроектирован компактный водосодержащий фантом, проведена оценка его работоспособности в условиях системы формирования терапевтического пучка на установке ИЯИ РАН. Исследование показало применимость устройства в заданных условиях работы, размер однородной области поля составил.... Составлена методика проведения экспериментов за счет переключения между дозиметрическим и компактным фантомами, включающая верификацию положения системы относительно выходного пучка. Спроектированный фантом и методика прошли проверку на сеансе работы ускорителя ИЯИ РАН в апреле 2023 г 51

Протонная терапия - один из самых перспективных и инновационных методов лечения онкологических заболеваний. 51

В протонной терапии для лечения опухолей используются потоки протонов - легких атомных частиц. Преимущество протонной терапии в том, что протоны обладают свойством высокой линейности дозы - они наносят максимальное повреждение опухоли и минимальное - окружающим тканям. Это позволяет более точно поражать опухоль, оставляя здоровые ткани практически нетронутыми. 51

Протонная терапия эффективна при лечении сложных опухолей, локализованных в близлежащих критически важным органам областях: опухолей головы и шеи, позвоночника, грудной клетки, а также детских опухолей. 51

Традиционные способы радиотерапии и химиотерапии наносят значительный ущерб здоровым клеткам, а протонная терапия позволяет сохранить наибольшее количество здоровой ткани. Это, в свою очередь, ведет к меньшему количеству побочных эффектов и осложнений во время и после лечения. 51

Также протонная терапия характеризуется высокой эффективностью - вероятность контроля опухоли при ее использовании выше, чем при традиционных видах лучевой терапии. 52

В настоящее время протонная терапия является дорогостоящим методом, доступным не всем пациентам. Однако мировые тренды свидетельствуют о постепенном росте доступности этого метода лечения для все большего количества пациентов. 52

В процессе исследования в ее экспериментальной части проводились эксперименты над биологическими объектами – мыши и яйца. 52

Список литературы 55

Введение

Данная работа выполнена в соответствии с «Положением о выпускной квалификационной работе студентов, обучающихся по образовательным программам подготовки бакалавров» (Система менеджмента качества обучения СМКО МИРЭА 7.5.1/03.П.67-19). При оформлении и структуризации текста применялись методические рекомендации по оформлению письменных работ обучающихся по образовательным программам подготовки бакалавриата, специалитета и магистратуры (СМКО МИРЭА7.5.1/03.П.69-16).

Обоснование выбора темы и ее актуальность

Протонно-лучевая терапия является одним из наиболее перспективных методов лучевой терапии при лечении различных онкологических заболеваний. Этот метод представляет собой использование ускоренных частиц (протонов) для локализованного воздействия на злокачественные опухоли, что позволяет снизить негативное воздействие на окружающие здоровые ткани и органы. Однако, для эффективного применения протонно-лучевой терапии необходимо обеспечить точное подведение пучка протонов к нужному месту биологического объекта. Для этого требуется разработка специальных систем управления, контроля и мониторинга лучевого лечения, а также создание фантомов для проведения биологических экспериментов и оптимизации процесса лучевой терапии. Важность обеспечения точной доставки пучка протонов заключается в том, что любое отклонение может привести к нежелательным последствиям, таким как повреждение здоровых тканей и органов, а также снижение эффективности лечения. Поэтому, разработка и использование специальных систем управления и мониторинга позволяет обеспечить максимально точное подведение пучка протонов к нужному месту биологического объекта и повысить эффективность лечения. Создание фантомов для проведения биологических экспериментов также является важным аспектом протонно-лучевой терапии. Фантомы представляют собой имитацию биологического объекта, которая используется для проведения различных экспериментов и оптимизации процесса лучевой терапии. Использование фантомов позволяет получить более точные и достоверные данные о воздействии пучка протонов на злокачественную опухоль, а также оценить возможные побочные эффекты на окружающие здоровые ткани и органы. Кроме того, разработка фантомов позволяет проводить более точную калибровку оборудования и проводить более точные расчеты дозы лучевого воздействия. Это позволяет снизить риск нежелательных последствий и повысить эффективность лечения. Таким образом, обеспечение точной подводки пучка протонов к нужному месту биологического объекта и разработка фантомов для проведения биологических экспериментов являются важными аспектами протонно-лучевой терапии. Эти меры позволяют повысить эффективность лечения и снизить риск нежелательных последствий, что делает этот метод лучевой терапии более перспективным и эффективным при лечении онкологических заболеваний.

Цели и задачи исследования:

Цель данной работы состояла в обеспечении подведения пучка протонов к нужному месту биологического объекта и разработке фантома для проведения биологического эксперимента в протонно-лучевой терапии.

Исходя из цели поставлены задачи:

Провести литературный обзор по исследуемой теме;
Предложить методику по позиционированию фантома и верификации положения объекта;
Выбор конструкции для облучения биологических объектов;
Сделать выводы

Объектом исследования являются формируемый пучок протонов в протонно-лучевой терапии. Предметом исследования являются распределения дозы, получаемые в случаях различной конфигурации установки пучка к биологическому объекту.

1 Литературный обзор

1.1. Общая характеристика протонной терапии

Терапевтический потенциал глубинной дозы протонов был впервые признан в отчете Уилсона в 1946 г. Первый пациент лечился протонами в 1954 г. с использованием синхроциклотрона в Калифорнийском университете в Беркли. С тех пор и примерно до 1990 года ряд исследовательских ускорителей в физических лабораториях по всему миру был адаптирован для лечения онкологических больных протонами и, в меньшей степени, более тяжелыми частицами. Оборудование для терапии частицами в физической лаборатории имело множество ограничений, включая ориентацию луча (обычно только горизонтальные лучb), конкуренцию за время включения луча, неадекватную медицинскую логистику и т. д. Первый центр протонной терапии на базе больницы был открыт в 1990 году в Лома-Линда, Калифорния. ¹

За последние два десятилетия произошел значительный рост протонных центров по всему миру. В настоящее время в мире действует более 100 протонных центров.

Протоны – тяжелые заряженные частицы, масса которых примерно в 800 раз превышает массу электрона. Применяемая большая масса и ускорение придают каждому протону определенный импульс, который в основном рассеивается после прохождения определенного расстояния, а затем замедляется из-за взаимодействия с целью, что вызывает резкое увеличение энерговыделения в конце пути протона с последующим прекращением доставки дозы (пик Брэгга) (рис. 1). Это индивидуальное физическое свойство обеспечивает дозиметрические преимущества протонов по сравнению с фотонами или электронами.

Следовательно, вместо того, чтобы пересекать мишень, протоны останавливаются на зависящей от энергии глубине в мишени и не имеют выходной дозы, что полностью щадит нормальную ткань. Пучки протонов генерируются циклотроном или синхротроном, а затем ускоряются до нужной цели.

Рис. 1. Распределение по глубине мишени поглощенной дозы от разных излучений: 1 – рентгеновское излучение; 2 – гамма-лучи; 3 – электроны; 4 – протоны
Проведенные исследования показали, что протоны сильно отличаются от фотонов с точки зрения их сложных биологических, иммуномодулирующих и клинических эффектов, помимо различий в распределении доз. Понимание таких различий и практическое применение полученных таким образом знаний имеет решающее значение для значительного повышения терапевтического потенциала протонной терапии.²

В отличие от фотонов, протоны с заданной энергией (обычно в диапазоне от 70 до 250 МэВ) проникают в вещество, они непрерывно замедляются в зависимости от глубины. Скорость их потери энергии (называемая «линейной передачей энергии» или LET) увеличивается с уменьшением скорости. Это продолжается до тех пор, пока вся их энергия не будет исчерпана, затем протоны резко остановливаются. Этот процесс осаждения дозы дает характеристическую кривую дозы по глубине («кривая Брэгга») для широкого моноэнергетического пучка протонов, как показано на рис. 1.

Точка наибольшей дозы называется пиком Брэгга. Доза, депонированная за пределами диапазона, незначительна. Когда протоны пересекают среду, они также рассеиваются, но доза за пределами границы пучка протонов быстро падает. В практике протонной терапии до недавнего прошлого использовалась пассивно-рассеянная протонная терапия (PSPT). Современные методы используют магнитное сканирование тонких «пучков» протонов с последовательностью энергий для достижения лучших распределений дозы, соответствующих форме целевого объема и оптимально щадящих нормальные ткани.³

Протоны взаимодействуют с веществом за счет следующих взаимодействий:

- кулоновские взаимодействия с атомными электронами;

- кулоновские взаимодействия с ядрами;

- ядерные взаимодействия.⁴

Протоны теряют большую часть своей энергии из-за взаимодействия с электронами. Вторичные электроны (называемые «дельта-лучами») проходят очень короткие расстояния от пути протона, ионизируя и выделяя энергию. Энергия, выделяемая протоном на единицу пройденного расстояния, увеличивается обратно пропорционально квадрату скорости протона. Таким образом, в однородной среде моноэнергетические протоны будут преодолевать четко определенное расстояние, теряя энергию с возрастающей скоростью по мере замедления, прежде чем остановятся. Это приводит к формированию характеристической кривой Брэгга, показанной на рис. 1.