RU2709682C1 - Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors - Google Patents

Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors Download PDF

Info

Publication number
RU2709682C1
RU2709682C1 RU2019109434A RU2019109434A RU2709682C1 RU 2709682 C1 RU2709682 C1 RU 2709682C1 RU 2019109434 A RU2019109434 A RU 2019109434A RU 2019109434 A RU2019109434 A RU 2019109434A RU 2709682 C1 RU2709682 C1 RU 2709682C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
neutrons
boron
dose
absorbed dose
quanta
Prior art date
Application number
RU2019109434A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Анна Исмагиловна Касатова
Дмитрий Александрович Касатов
Сергей Юрьевич Таскаев
Original Assignee
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ) filed Critical Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Новосибирский национальный исследовательский государственный университет" (Новосибирский государственный университет, НГУ)
Priority to RU2019109434A priority Critical patent/RU2709682C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2709682C1 publication Critical patent/RU2709682C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00Radiation therapy
    • A61N5/10X-ray therapy; Gamma-ray therapy; Particle-irradiation therapy

Abstract

FIELD: medicine.
SUBSTANCE: invention refers to nuclear medicine, namely to neurooncology, and can be used to determine absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors. Patient is administered the targeted boron delivery preparation. Epithermal neutrons are flown. Measuring γ-spectrometer radiation intensity γ-quanta of atomic nuclei activated with epithermal neutrons. Reagents with atomic nuclei activated by epithermal neutrons are sodium, chlorine, potassium and manganese contained in the human body. Absorbed dose of thermal neutrons D is determined from relationship D = Dcalc × Ymeas / Ycalc, where Dcalc – absorbed dose from thermal neutrons, obtained by calculation, Ymeas is radiation intensity γ-quantities of atomic nuclei activated with epithermal neutrons, measured γ-spectrometer, Ycalc is radiation intensity γ-quanta of atomic nuclei activated with epithermal neutrons, obtained by calculation.
EFFECT: method provides determining the absorbed dose from thermal neutrons.
3 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к ядерной медицине, в частности к нейроонкологии, и может быть применено при проведении бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ) злокачественных опухолей для определения поглощенной дозы.The invention relates to nuclear medicine, in particular to neurooncology, and can be applied when carrying out boron-neutron capture therapy (BNCT) of malignant tumors to determine the absorbed dose.

Концепция нейтронозахватной терапии в онкологии была предложена в 1936 году, спустя четыре года после открытия нейтрона. Ее физический принцип заключается в следующем. Раствор, содержащий стабильный изотоп бор-10, вводится в кровь человека, и через некоторое время бор сорбируется преимущественно в клетках опухоли. Затем опухоль облучается потоком эпитепловых (с энергией от 0,5 эВ до 10 кэВ) нейтронов. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом 10В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетичные α-частица и ион 7Li быстро тормозятся на длине размера клетки и выделяют энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, что приводит к ее поражению. Т.о., бор-нейтронозахватная терапия (БНЗТ) позволяет осуществить избирательное поражение клеток злокачественных опухолей.The concept of neutron capture therapy in oncology was proposed in 1936, four years after the discovery of the neutron. Its physical principle is as follows. A solution containing the stable isotope boron-10 is introduced into the blood of a person, and after a while boron is sorbed mainly in the tumor cells. Then the tumor is irradiated with a stream of epithermal (with energies from 0.5 eV to 10 keV) neutrons. As a result of neutron absorption by the stable 10 V isotope, a nuclear reaction occurs, and the resulting energetic α-particle and 7 Li ion are rapidly inhibited along the length of the cell size and release energy of ~ 2.3 MeV within the very cell that contained the boron nucleus, which leads to her defeat. Thus, boron neutron capture therapy (BNCT) allows for the selective defeat of malignant tumor cells.

Целесообразность развития технологии нейтронозахватной терапии обусловлена ее ориентацией на лечение таких видов злокачественных опухолей, которые практически не поддаются никаким другим методам, - глиобластомы мозга и метастазы меланомы.The feasibility of developing neutron capture therapy technology is due to its focus on the treatment of such types of malignant tumors that are practically not amenable to any other methods, such as brain glioblastomas and melanoma metastases.

В начале 1950-х годов доктором Свитом было впервые продемонстрировано, что определенные соединения бора позволяют получить более высокую концентрацию бора в клетках раковой опухоли по сравнению со здоровыми [W. Sweet. The uses of nuclear disintegration in the diagnosis and treatment of brain tumor. N. Engl. J. Med. 245 (1951) 875-878; W. Sweet, M. Javid. The possible use of slow neutrons plus boron-10 in the therapy of intracranial tumors. Trans. Am. Neurol. Assoc. 76 (1951) 60-63]. С середины 1950-х годов методику с переменным успехом отрабатывали на ядерных ректорах в ряде стран. Основные достижения были связаны с именем японского нейрохирурга Хироши Хатанака. Хатанака стал применять внутриартериальное введение обогащенного изотопом 10В боркаптата натрия (BSH, Na2 10B12H11SH), синтезированного доктором Соловэй [A. Soloway, Н. Hatanaka, М. Davis. Penetration of brain and brain tumor. VII. Tumor binding sulfhydryl boron compounds. J. Med. Chem. 10 (1967) 714-717], проводить открытое облучение опухоли после хирургического лечения и добился впечатляющих результатов - 5-летняя выживаемость составила 58% для группы пациентов со злокачественными глиомами 3 и 4 степени злокачественности [Hatanaka Н. Clinical results of boron neutron capture therapy. Basic Life Sci. 54 (1990) 15-21]. В 1987 г. Мишима осуществил лечение поверхностной злокачественной меланомы, применив обогащенный изотопом 10В борфенилаланин в оптически изомерной форме L (BPA, (HO)2 10B-C6H4-CH2CH(NH2)-CO2H) [Y. Mishima, et al. Selective thermal neutron capture therapy and diagnosis of malignant melanoma: from basic studies to first clinical treatment. Basic Life Sci. 50-(1989) 251-260]. Применение этих фармпрепаратов позволяет создавать концентрацию изотопа 10В в опухолевой ткани до 40 мкг/г, что в 3,5 раза больше, чем в здоровой ткани. Такая концентрация и контраст позволяют сделать вклад фонового облучения приемлемо малым и действительно обеспечить возможность избирательного поражения клеток опухоли.In the early 1950s, Dr. Sweet demonstrated for the first time that certain boron compounds provide a higher concentration of boron in cancer cells compared to healthy ones [W. Sweet The uses of nuclear disintegration in the diagnosis and treatment of brain tumor. N. Engl. J. Med. 245 (1951) 875-878; W. Sweet, M. Javid. The possible use of slow neutrons plus boron-10 in the therapy of intracranial tumors. Trans. Am. Neurol. Assoc. 76 (1951) 60-63]. Since the mid-1950s, the methodology has been tested with varying success at nuclear reactors in a number of countries. The main achievements were associated with the name of the Japanese neurosurgeon Hiroshi Hatanaka. Hatanaka began to use the intra-arterial administration of 10 V isotope-enriched sodium borocaptate (BSH, Na 2 10 B 12 H 11 SH), synthesized by Dr. Soloway [A. Soloway, N. Hatanaka, M. Davis. Penetration of brain and brain tumor. VII. Tumor binding sulfhydryl boron compounds. J. Med. Chem. 10 (1967) 714-717], performed open irradiation of the tumor after surgical treatment and achieved impressive results - the 5-year survival rate was 58% for a group of patients with malignant gliomas of grade 3 and 4 [Hatanaka N. Clinical results of boron neutron capture therapy . Basic Life Sci. 54 (1990) 15-21]. In 1987, Mishima treated superficial malignant melanoma using 10 V enriched boronylalanine in the optically isomeric form L (BPA, (HO) 2 10 BC 6 H 4 -CH 2 CH (NH 2 ) -CO 2 H) [Y. Mishima, et al. Selective thermal neutron capture therapy and diagnosis of malignant melanoma: from basic studies to first clinical treatment. Basic Life Sci. 50- (1989) 251-260]. The use of these pharmaceuticals allows you to create a concentration of 10 V isotope in tumor tissue up to 40 μg / g, which is 3.5 times more than in healthy tissue. Such concentration and contrast make it possible to make the contribution of background radiation reasonably small, and indeed provide the possibility of selective damage to tumor cells.

Одной из основных проблем, требующих решения для внедрения бор-нейтронозахватной терапии в клиническую практику, является определение или измерение поглощенной дозы, причем как дозы, получаемой опухолевыми клетками, так и здоровыми. В отличие от γ-терапии, протонной или ионной, в БНЗТ, помимо определения характеристик ионизирующего излучения, необходимо знать пространственное распределение бора в организме пациента.One of the main problems requiring a solution for introducing boron-neutron capture therapy into clinical practice is the determination or measurement of the absorbed dose, both the dose received by the tumor cells and the healthy ones. In contrast to γ-therapy, proton or ion, in BNCT, in addition to determining the characteristics of ionizing radiation, it is necessary to know the spatial distribution of boron in the patient's body.

Вклад в поглощенную дозу дают следующие процессы.The following processes contribute to the absorbed dose.

Во-первых, процесс поглощения нейтронов бором, в результате которого выделяется энергия 2,79 МэВ - в 6,1% случаев энергия распределяется только между ядрами лития и α-частицей, в 93,9% случаев ядро лития вылетает в возбужденном состоянии и испускает γ-квант энергией 0,48 МэВ. Эту компоненту дозы называют борной дозой.Firstly, the process of neutron absorption by boron, as a result of which 2.79 MeV is released, in 6.1% of cases the energy is distributed only between lithium nuclei and the α-particle, in 93.9% of cases the lithium nucleus flies out in an excited state and emits γ-ray energy of 0.48 MeV. This dose component is called the boron dose.

Во-вторых, захват нейтронов ядрами водорода, приводящий к образованию дейтерия и к испусканию γ-кванта энергией 2,2 МэВ, захват нейтронов ядрами азота, приводящий к образованию ядра 14С и протона отдачи с выделением энергии 580 кэВ, захват нейтронов ядрами хлора, приводящий к испусканию γ-квантов с энергией до 8,85 МэВ. Эту компоненту дозы называют дозой от тепловых нейтронов.Secondly, neutron capture by hydrogen nuclei, which leads to the formation of deuterium and the emission of a γ quantum with an energy of 2.2 MeV, neutron capture by nitrogen nuclei, which leads to the formation of a 14 C nucleus and a recoil proton with the release of energy of 580 keV, neutron capture by chlorine nuclei, leading to the emission of gamma rays with energies up to 8.85 MeV. This dose component is called the dose from thermal neutrons.

В-третьих, появление ядер отдачи при упругом рассеянии нейтронов, преимущественно быстрых, от ядер вещества, преимущественно водорода. Эту компоненту дозы называют дозой от быстрых нейтронов.Thirdly, the appearance of recoil nuclei in the elastic scattering of neutrons, mainly fast, from the nuclei of matter, mainly hydrogen. This dose component is called the fast neutron dose.

В-четвертых, поток γ-квантов от мишенного узла, включая мишень и систему формирования пучка нейтронов. Эту компоненту дозы называют доза от γ-квантов. Достаточно часто под дозой от γ-квантов понимают не только дозу от внешнего источника (мишенный узел), но и от внутреннего (облучаемый объект), когда образуются γ-кванты в результате поглощения нейтрона водородом или хлором. В данном случае под дозой от γ-квантов понимается только доза от внешнего источника γ-излучения, а доза, выделяемая γ-квантами из-за поглощения нейтрона водородом и хлором, относится к дозе от тепловых нейтронов.Fourth, the flux of gamma rays from the target site, including the target and the neutron beam formation system. This dose component is called the dose from gamma rays. Quite often, the dose from γ-quanta is understood not only as the dose from an external source (target site), but also from an internal (irradiated object), when γ-quanta are formed as a result of absorption of a neutron by hydrogen or chlorine. In this case, the dose from γ-quanta is understood only as the dose from an external source of γ-radiation, and the dose emitted by γ-quanta due to absorption of the neutron by hydrogen and chlorine refers to the dose from thermal neutrons.

При проведении терапии каждая из этих компонент дает свой вклад в поглощенную дозу, некоторые из них - определяющий вклад. Так, борная доза является определяющей дозой при облучении опухолевых клеток, в которых накоплен бор, например, глиобластомы. Доза от быстрых нейтронов значительна для кожи, через поверхность которой направляется поток нейтронов к опухоли. Доза от тепловых нейтронов определяющая в дозе, получаемой клетками здоровых органов, например, клетками мозга при лечении глиобластомы.During therapy, each of these components contributes to the absorbed dose, and some of them make a determining contribution. So, the boron dose is the determining dose when irradiating tumor cells in which boron is accumulated, for example, glioblastomas. The dose from fast neutrons is significant for the skin, through the surface of which the neutron flux is directed to the tumor. The dose from thermal neutrons determines the dose received by cells of healthy organs, for example, brain cells in the treatment of glioblastoma.

Измерение компонент доз является важной задачей при проведении БНЗТ.Measurement of dose components is an important task when conducting BNCT.

В настоящее время большинство способов измерения поглощенной дозы в опухолевых тканях связано с определением концентрации бора в опухоли и близлежащих тканях и с последующим проведением численных расчетов переноса нейтронов и γ-излучения в фантоме с заданным пространственным распределением концентрации бора. Для измерения концентрации бора используют, как правило, забор клеток опухоли. Концентрацию бора в образцах можно определить с помощью нескольких методик: атомной эмиссионной спектроскопией [A. Wittig, et al. Boron analysis and boron imaging in biological materials for boron neutron capture therapy (BNCT). Crit. Rev. Oncol. Hematol. 68(1) (2008) 66-90]; высокоразрешающей альфа-авторадиографией [W.S. Kiger III, et al. Boron microquantification in oral muscosa and skin following administration of a neutron capture therapy agent. Radiat. Prot. Dosimetry 99(1-4) (2002) 409-412]; нейтронозахватной рентгенографией [R. Pugliesi, M. Pereira. Study of the neutron radiography characteristics for the solid state nuclear track detector makrofol-de. NIM A 484 (2002) 613-618]; лазерной вторичной нейтронной масс-спектрометрией [P. Binns, et al. An international dosimetry exchange for boron neutron capture therapy, part 1: absorbed dose measurements. Med. Phys. 32 (2005) 3729-3736]; электронной микроскопией [Y. Zhu, R. Egerton, M. Malac. Concentration limits for the measurement of boron by electron energy loss spectroscopy and electron-spectroscopic imaging. Ultramicroscopy 87 (2001) 135-145]; с помощью флюоресцентного окрашивания содержимого туморотропных носителей; магнитно-резонансной томографией; позитрон-эмиссионной томографией [K. Ishiwata, et al. A unique in vivo assessment of 4-[10B]borono-L-phenylalanine in tumour tissues for boron neutron capture therapy of malignant melanomas using positron emission tomography and 4-borono-2-[18F] fluoro-L-phenylalanine. Melanoma Res. 2 (1992) 171-179].Currently, most methods of measuring the absorbed dose in tumor tissues are associated with determining the concentration of boron in the tumor and surrounding tissues and with subsequent numerical calculations of neutron transfer and γ-radiation in the phantom with a given spatial distribution of boron concentration. As a rule, the collection of tumor cells is used to measure boron concentration. The boron concentration in the samples can be determined using several methods: atomic emission spectroscopy [A. Wittig, et al. Boron analysis and boron imaging in biological materials for boron neutron capture therapy (BNCT). Crit. Rev. Oncol. Hematol. 68 (1) (2008) 66-90]; high-resolution alpha autoradiography [WS Kiger III, et al. Boron microquantification in oral muscosa and skin following administration of a neutron capture therapy agent. Radiat. Prot. Dosimetry 99 (1-4) (2002) 409-412]; neutron capture radiography [R. Pugliesi, M. Pereira. Study of the neutron radiography characteristics for the solid state nuclear track detector makrofol-de. NIM A 484 (2002) 613-618]; laser secondary neutron mass spectrometry [P. Binns, et al. An international dosimetry exchange for boron neutron capture therapy, part 1: absorbed dose measurements. Med. Phys. 32 (2005) 3729-3736]; electron microscopy [Y. Zhu, R. Egerton, M. Malac. Concentration limits for the measurement of boron by electron energy loss spectroscopy and electron-spectroscopic imaging. Ultramicroscopy 87 (2001) 135-145]; using fluorescent staining of the contents of tumor agents; magnetic resonance imaging; positron emission tomography [K. Ishiwata, et al. A unique in vivo assessment of 4- [ 10 B] borono-L-phenylalanine in tumor tissues for boron neutron capture therapy of malignant melanomas using positron emission tomography and 4-borono-2- [ 18 F] fluoro-L-phenylalanine. Melanoma Res. 2 (1992) 171-179].

Все перечисленные выше методы позволяют определить только распределение бора. Для определения поглощенной дозы требуется проведение расчета переноса нейтронов и γ-излучения, которое осуществляется программой MCNP, разработанной в национальной лаборатории Лос-Аламос (США) [Х-5 Monte Carlo Team (2003) MCNP - a general Monte Carlo N-particle transport Code, Version 5. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-03-1987], или программой ПРИЗМА, разработанной в Федеральном ядерном центре Снежинск (Россия) [М. Arnautova, et al. Monte-Carlo simulation in nuclear geophysics: Comparison of the PRIZMA Monte Carlo program and benchmark experiments. Nuclear Geophysics 7 (1993) 407-418], с использованием базы данных сечений ENDF/B разных версий и константы справочника [С.Н. Абрамович и др. Ядерно-физические константы термоядерного синтеза. Москва, ЦНИИатоминформ, 1989]. Такая процедура широко используется в БНЗТ. При определении поглощенной дозы вычисляют все четыре компоненты дозы: борную дозу, дозу от тепловых нейтронов, дозу от быстрых нейтронов и дозу от γ-квантов.All the methods listed above allow only the boron distribution to be determined. To determine the absorbed dose, it is necessary to calculate the transfer of neutrons and γ-radiation, which is carried out by the MCNP program developed at the Los Alamos National Laboratory (USA) [X-5 Monte Carlo Team (2003) MCNP - a general Monte Carlo N-particle transport Code , Version 5. Los Alamos National Laboratory, LA-UR-03-1987], or the PRISMA program developed at the Federal Nuclear Center Snezhinsk (Russia) [M. Arnautova, et al. Monte-Carlo simulation in nuclear geophysics: Comparison of the PRIZMA Monte Carlo program and benchmark experiments. Nuclear Geophysics 7 (1993) 407-418], using the database of ENDF / B sections of different versions and the reference constant [S.N. Abramovich et al. Nuclear physics constants of thermonuclear fusion. Moscow, Central Research Institute of Atominform, 1989]. This procedure is widely used in BNCT. When determining the absorbed dose, all four dose components are calculated: the boron dose, the dose from thermal neutrons, the dose from fast neutrons and the dose from γ-quanta.

Методом, который напрямую позволяет измерить борную дозу в опухоли, является γ-спектроскопия, основанная на регистрации γ-кванта энергией 478 кэВ, испускаемого при мгновенном распаде ядра бора после поглощения им нейтрона [Т. Kobayashi, K. Kanda. Microanalysis system of ppm order B-10 concentrations in tissue for neutron capture therapy by prompt gamma-ray spectrometry. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 204 (1983) 525-531].A method that directly measures the boron dose in a tumor is γ-spectroscopy, based on the detection of a 478-keV γ-ray emitted during the instantaneous decay of a boron nucleus after absorption of a neutron [T. Kobayashi, K. Kanda. Microanalysis system of ppm order B-10 concentrations in tissue for neutron capture therapy by prompt gamma-ray spectrometry. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 204 (1983) 525-531].

Однако применение этого метода для БНЗТ представляется маловероятным. Причин несколько. Во-первых, вся аппаратура регистрации γ-квантов по большому числу каналов должна находиться и работать вблизи пациента в процессе его облучения потоком нейтронов. Во-вторых, система формирования пучка нейтронов, состоящая из замедлителя, отражателя и поглотителя, вплотную приближена к пациенту и не позволит разместить регистрирующую аппаратуру как минимум в половине пространства. В-третьих, детекторы будут регистрировать не только полезные сигналы от распада ядер бора, но и паразитные сигналы от γ-квантов и нейтронов.However, the application of this method for BNCT seems unlikely. There are several reasons. First, all γ-ray recording equipment over a large number of channels should be located and work near the patient in the process of irradiation with a neutron flux. Secondly, the neutron beam formation system, consisting of a moderator, a reflector and an absorber, is close to the patient and will not allow recording equipment to be placed in at least half of the space. Thirdly, the detectors will register not only useful signals from the decay of boron nuclei, but also spurious signals from γ-quanta and neutrons.

Вторым методом, который напрямую позволяет измерить борную дозу в опухоли, является метод, защищенный патентом [С.Ю. Таскаев, А.А. Заборонок. Способ измерения поглощенной дозы при бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей. Патент на изобретение №2606337 от 10.01.2017]. Он реализуется следующим образом. Перед проведением облучения, в соответствии с процедурой БНЗТ, пациенту вводят препарат адресной доставки бора, дополнительно маркированный стабильным атомным ядром, характеризующимся большим сечением радиационного захвата нейтронов, лучше всего ядром золота, можно индия или серебра. В процессе облучения эпитепловыми нейтронами помимо процесса поглощения нейтронов бором, приводящим к мгновенному распаду возбужденного ядра бора и выделению энергии (накоплению поглощенной дозы), будет происходить процесс радиационного захвата нейтронов маркированными атомными ядрами, приводящий к появлению и накоплению радиоактивных ядер. Если период полураспада образующихся радиоактивных ядер больше или сравним с характерным временем облучения нейтронами (порядка 1 часа), то измерение наведенной активности можно осуществить γ-спектрометром, расположенным вне облучательного помещения и в отсутствие генерации нейтронов.The second method, which directly allows you to measure the boron dose in a tumor, is the patented method [S.Yu. Taskaev, A.A. The fence A method for measuring the absorbed dose in boron-neutron capture therapy of malignant tumors. Patent for invention No. 2606337 dated 01/10/2017]. It is implemented as follows. Before irradiation, in accordance with the BNCT procedure, the patient is given a boron targeted delivery drug, additionally labeled with a stable atomic nucleus, characterized by a large cross-section of radiation capture of neutrons, best of all a gold nucleus, possibly indium or silver. In the process of irradiation with epithermal neutrons, in addition to the process of neutron absorption by boron, which leads to instant decay of the excited boron nucleus and the release of energy (accumulation of the absorbed dose), the process of radiation capture of neutrons by marked atomic nuclei will occur, leading to the appearance and accumulation of radioactive nuclei. If the half-life of the resulting radioactive nuclei is greater than or comparable with the characteristic time of neutron irradiation (about 1 hour), then the induced activity can be measured with a γ-spectrometer located outside the irradiation room and in the absence of neutron generation.

Таким образом, измерение соотношения концентраций бора и ядер-мишеней для радиационного захвата нейтронов и измерение после облучения наведенной активности позволяют восстановить пространственное распределение поглощенной дозы.Thus, the measurement of the ratio of the concentrations of boron and target nuclei for radiation capture of neutrons and the measurement of the induced activity after irradiation make it possible to restore the spatial distribution of the absorbed dose.

Дозу в здоровой ткани определяют аналогично: путем проведения численных расчетов переноса нейтронов и γ-излучения в фантоме с заданным пространственным распределением концентрации бора. Поскольку основной вклад в дозу в здоровых тканях, за исключением кожи, вносит захват нейтронов ядрами водорода, азота и хлора, то неопределенность с концентрацией бора не так значительна, как в случае с дозой в опухоли. Другими словами, результаты расчета дозы в здоровых тканях более достоверны, чем опухоли, в том числе и потому, что накоплен большой опыт терапии рентгеновским и γ-излучением. Вместе с тем, прямой метод измерения дозы в здоровых тканях или компонент доз является крайне актуальным.The dose in healthy tissue is determined similarly: by performing numerical calculations of neutron transfer and γ-radiation in a phantom with a given spatial distribution of boron concentration. Since the main contribution to the dose in healthy tissues, with the exception of the skin, is made by the capture of neutrons by the nuclei of hydrogen, nitrogen and chlorine, the uncertainty with the concentration of boron is not as significant as in the case of the dose in the tumor. In other words, the results of calculating the dose in healthy tissues are more reliable than tumors, including because a great deal of experience has been gained in the treatment of x-ray and γ-radiation. At the same time, a direct method for measuring dose in healthy tissues or a component of doses is extremely relevant.

При проведении БНЗТ на ядерных реакторах используется метод, косвенно дающий представление о дозе в здоровых тканях. Так, на реакторе KURRI в Институте интегрированных радиационных и ядерных наук (ранее до 01.03.2018 г.: Институте реакторных исследований) Университета Киото (Япония) используется рентгеновская пленка. К вертикальному каналу пучка нейтронов пациента подкатывают на тележке, на которой установлен коллиматор. Во время облучения коллиматор размещен между реактором и пациентом. После облучения тележка с пациентом и коллиматором отъезжает от реактора и, пока пациент находится в том же положении, как и во время облучения, к коллиматору со стороны реактора приставляют рентгеновскую пленку, которая засвечивается излучением ядер веществ, активированных нейтронами. Степень засветки рентгеновской пленки дает информацию о степени активации ткани, подвергнутой облучению нейтронами, и качественно - о дозе, знание которой считается полезной при анализе терапии.When conducting BNCT in nuclear reactors, a method is used that indirectly gives an idea of the dose in healthy tissues. For example, an X-ray film is used at the KURRI reactor at the Institute of Integrated Radiation and Nuclear Sciences (previously until 03/01/2018: Institute for Reactor Research) at Kyoto University (Japan). The patient is rolled up to the vertical channel of the neutron beam on a trolley on which a collimator is mounted. During irradiation, a collimator is placed between the reactor and the patient. After irradiation, the cart with the patient and the collimator moves away from the reactor and, while the patient is in the same position as during the irradiation, an x-ray film is placed on the collimator from the side of the reactor, which is illuminated by the radiation of the nuclei of neutron-activated substances. The degree of exposure of the x-ray film provides information on the degree of activation of the tissue subjected to neutron irradiation, and qualitatively on the dose, the knowledge of which is considered useful in the analysis of therapy.

Недостатком метода является то, что он не позволяет определить пространственное распределение дозы от тепловых нейтронов и установить величину максимальной дозы, полученной здоровой тканью, что критически важно при планировании терапии.The disadvantage of this method is that it does not allow to determine the spatial distribution of the dose from thermal neutrons and to establish the maximum dose received by healthy tissue, which is critically important when planning therapy.

Наиболее близким к предлагаемому способу можно считать способ измерения поглощенной дозы в опухоли, защищенный патентом на изобретение [С.Ю. Таскаев, А.А. Заборонок. Способ измерения поглощенной дозы при бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей. Патент на изобретение №2606337 от 10.01.2017].Closest to the proposed method can be considered a method of measuring the absorbed dose in a tumor, protected by a patent for the invention [S.Yu. Taskaev, A.A. The fence A method for measuring the absorbed dose in boron-neutron capture therapy of malignant tumors. Patent for invention No. 2606337 dated 01/10/2017].

Этот способ измерения поглощенной дозы в опухоли реализуется следующим образом. Перед проведением облучения, в соответствии с процедурой БНЗТ, пациенту вводят препарат адресной доставки бора, маркированный стабильным атомным ядром, характеризующимся большим сечением радиационного захвата нейтронов - ядром золота или индия. В процессе облучения эпитепловыми нейтронами помимо процесса поглощения нейтронов бором, приводящим к мгновенному распаду возбужденного ядра бора и выделению энергии (накоплению поглощенной дозы), будет происходить процесс радиационного захвата нейтронов маркированными атомными ядрами, приводящий к появлению и накоплению радиоактивных ядер. После проведения БНЗТ с помощью γ-спектрометра, расположенного в отдельном помещении, измеряют пространственное распределение интенсивности излучения γ-квантов с энергией 411 кэВ (в случае применения золота) и с учетом полученного расчетным путем соотношения интенсивности активации золота к интенсивности поглощения нейтронов бором восстанавливают пространственное распределение поглощенной дозы.This method of measuring the absorbed dose in a tumor is implemented as follows. Before irradiation, in accordance with the BNCT procedure, the patient is given a targeted delivery drug of boron marked with a stable atomic nucleus, characterized by a large cross section for radiation capture of neutrons - a gold or indium nucleus. In the process of irradiation with epithermal neutrons, in addition to the process of neutron absorption by boron, which leads to instant decay of the excited boron nucleus and the release of energy (accumulation of the absorbed dose), the process of radiation capture of neutrons by marked atomic nuclei will occur, leading to the appearance and accumulation of radioactive nuclei. After BNCT is carried out using a γ-spectrometer located in a separate room, the spatial distribution of the radiation intensity of γ-rays with an energy of 411 keV (in the case of gold) is measured and, taking into account the ratio of the activation of gold to the neutron absorption intensity obtained by calculation, the spatial distribution is restored absorbed dose.

Недостатком данного способа можно считать, то что он позволяет измерить борную дозу, а не дозу от тепловых нейтронов.The disadvantage of this method can be considered that it allows you to measure the boron dose, and not the dose from thermal neutrons.

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа, позволяющего определить поглощенную дозу от тепловых нейтронов при проведении БНЗТ. Эта компонента дозы от тепловых нейтронов вносит определяющий вклад в полную поглощенную дозу, получаемую здоровой тканью.The present invention aims to create a method that allows you to determine the absorbed dose from thermal neutrons during BNCT. This component of the dose from thermal neutrons makes a decisive contribution to the total absorbed dose received by healthy tissue.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является определение поглощенной дозы от тепловых нейтронов при проведении БНЗТ.The technical result of the invention is the determination of the absorbed dose from thermal neutrons during BNCT.

Сущность предлагаемого способа определения поглощенной дозы от тепловых нейтронов при проведении БНЗТ состоит в следующем:The essence of the proposed method for determining the absorbed dose from thermal neutrons during BNCT is as follows:

Перед проведением БНЗТ пациенту вводят препарат адресной доставки бора с тем, чтобы в опухоли накопить бор в достаточной концентрации. Проведение БНЗТ состоит в облучении пациента потоком эпитепловых нейтронов при том, что в опухоли содержится бор в концентрации, достаточной для терапевтического эффекта.Prior to BNCT, the patient is given a drug of targeted delivery of boron in order to accumulate boron in a sufficient concentration in the tumor. Conducting BNCT consists in irradiating the patient with a stream of epithermal neutrons, despite the fact that the tumor contains boron in a concentration sufficient for the therapeutic effect.

В процессе облучения эпитепловыми нейтронами происходит захват нейтронов ядрами водорода, приводящий к образованию дейтерия и к испусканию γ-кванта энергией 2,2 МэВ, захват нейтронов ядрами азота, приводящий к образованию ядра 14С и протона отдачи с выделением энергии 580 кэВ, захват нейтронов ядрами хлора, приводящий к испусканию γ-квантов с энергией до 8,85 МэВ. Методом численного моделирования переноса нейтронов и γ-излучения с применением программ MCNP или ПРИЗМА рассчитывают величину поглощенной дозы от тепловых нейтронов; обозначим эту величину Dрасч.In the process of irradiation with epithermal neutrons, neutron capture by hydrogen nuclei leads to the formation of deuterium and to the emission of a γ-ray energy of 2.2 MeV, neutron capture by nitrogen nuclei, which leads to the formation of a 14 C nucleus and a recoil proton with the release of energy of 580 keV, neutron capture by nuclei chlorine, leading to the emission of γ-quanta with energies up to 8.85 MeV. Using the method of numerical simulation of neutron transfer and γ-radiation using MCNP or PRISMA programs, the absorbed dose from thermal neutrons is calculated; we denote this value D calc .

В процессе облучения эпитепловыми нейтронами помимо поглощения нейтронов ядрами водорода, азота и хлора с выделением энергии будет происходить радиационный захват нейтронов стабильными атомными ядрами, приводящий к появлению и накоплению радиоактивных ядер. Методом численного моделирования переноса нейтронов и γ-излучения с применением программ MCNP или ПРИЗМА рассчитывают интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами; обозначим эту величину Yрасч.In the process of irradiation with epithermal neutrons, in addition to the absorption of neutrons by the nuclei of hydrogen, nitrogen and chlorine with the release of energy, there will be radiation capture of neutrons by stable atomic nuclei, leading to the appearance and accumulation of radioactive nuclei. Using the method of numerical simulation of neutron transfer and γ-radiation using MCNP or PRISMA programs, the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons is calculated; denote this value Y calc .

После проведения терапии (облучения эпитепловыми нейтронами) с помощью γ-спектрометра, расположенного в отдельном помещении и в отсутствие генерации нейтронов, измеряют интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами; обозначим эту величину Yизм.After conducting therapy (irradiation with epithermal neutrons) using a γ-spectrometer located in a separate room and in the absence of neutron generation, measure the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons; we denote this value Y meas .

Поглощенную дозу от тепловых нейтронов определяют из соотношенияThe absorbed dose from thermal neutrons is determined from the ratio

Figure 00000001
Figure 00000001

Стабильными ядрами-мишенями для радиационного захвата нейтронов в организме человека являются такие, как ядра, натрия, хлора, калия и марганца. В таблице приведены характеристики этих стабильных ядер и радиоактивных ядер, образующихся при поглощении нейтронов.Stable target nuclei for radiation capture of neutrons in the human body are such as nuclei, sodium, chlorine, potassium and manganese. The table shows the characteristics of these stable nuclei and radioactive nuclei formed by the absorption of neutrons.

Figure 00000002
Figure 00000002

Сечение радиационного захвата нейтронов ядрами натрия, хлора, калия и марганца невелико, но вследствие большого содержания этих элементов в организме человека интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами, достаточна для измерения γ-спектрометром. Период полураспада радиоактивных ядер от получаса до 15 ч приемлем для точного измерения интенсивности излучения γ-квантов. Атомные ядра натрия, хлора, калия и марганца, активированные эпитепловыми нейтронами, испускают γ-кванты с энергией 0,847, 1,369, 1,524 и 1,640 МэВ.The cross section for radiation capture of neutrons by sodium, chlorine, potassium, and manganese nuclei is small, but due to the high content of these elements in the human body, the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons is sufficient for measurement by a γ-spectrometer. The half-life of radioactive nuclei from half an hour to 15 hours is acceptable for accurate measurement of the radiation intensity of gamma rays. The atomic nuclei of sodium, chlorine, potassium, and manganese activated by epithermal neutrons emit gamma rays with energies of 0.847, 1.369, 1.524, and 1.640 MeV.

Таким образом, предложенный способ определения поглощенной дозы от тепловых нейтронов при проведении БНЗТ может быть реализован на практике следующим образом. Пациенту вводят препарат адресной доставки бора, облучают потоком эпитепловых нейтронов, рассчитывают поглощенную дозу от тепловых нейтронов (Dрасч), рассчитывают интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер (Yрасч), активированных эпитепловыми нейтронами, затем, после облучения γ-спектрометром, измеряют интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер натрия, хлора, калия и марганца, (Yизм), активированных эпитепловыми нейтронами, и определяют поглощенную дозу от тепловых нейтронов из соотношенияThus, the proposed method for determining the absorbed dose from thermal neutrons during BNCT can be implemented in practice as follows. The patient is given a drug for targeted delivery of boron, irradiated with a stream of epithermal neutrons, the absorbed dose from thermal neutrons (D calc ) is calculated, the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei (Y calc ) activated by epithermal neutrons is calculated , then, after irradiation with a γ-spectrometer, the intensity is measured radiation of γ-quanta of atomic nuclei of sodium, chlorine, potassium and manganese, (Y ISM ) activated by epithermal neutrons, and the absorbed dose from thermal neutrons is determined from the ratio

Figure 00000003
Figure 00000003

при этом γ-спектрометром измеряют интенсивность излучения γ-квантов с энергией 0,847, 1,369, 1,524 и 1,640 МэВ., излучаемых 24Na, 54Mn, 38Cl и 42K,the γ-spectrometer measures the radiation intensity of γ-quanta with energies of 0.847, 1.369, 1.524 and 1.640 MeV. emitted by 24 Na, 54 Mn, 38 Cl and 42 K,

Реализуемость предлагаемого способа измерения дозы иллюстрируется Фиг. 1. На Фиг. 1 приведена зависимость интенсивности излучения Y лабораторной мыши после ее облучения эпитепловыми нейтронами от энергии γ-квантов Е. Спектр излучения измерен γ-спектрометром СЕГ-1КП-ИФТП на основе полупроводникового детектора, выполненного из особо чистого германия. На спектре отчетливо видны линии излучения 24Na, 54Mn, 38Cl и 42K, обусловленные захватом нейтронов ядрами натрия, хлора, калия и марганца, присутствующих в организме животного.The feasibility of the proposed dose measurement method is illustrated in FIG. 1. In FIG. Figure 1 shows the dependence of the radiation intensity Y of a laboratory mouse after its irradiation with epithermal neutrons on the energy of γ-quanta E. The emission spectrum was measured by a SEG-1KP-IFTP γ-spectrometer based on a semiconductor detector made of especially pure germanium. The emission lines of 24 Na, 54 Mn, 38 Cl, and 42 K are clearly visible on the spectrum, due to neutron capture by the nuclei of sodium, chlorine, potassium, and manganese present in the animal.

Claims (5)

1. Способ определения поглощенной дозы от тепловых нейтронов при бор-нейтронозахватной терапии злокачественных опухолей, включающий введение пациенту препарата адресной доставки бора, облучение потоком эпитепловых нейтронов и измерение γ-спектрометром интенсивности излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами, отличающийся тем, что в качестве реагентов с атомными ядрами, активируемыми эпитепловыми нейтронами, используют натрий, хлор, калий и марганец, содержащиеся в организме человека, при этом поглощенную дозу от тепловых нейтронов D определяют из соотношения1. The method of determining the absorbed dose from thermal neutrons during boron-neutron capture therapy of malignant tumors, including the introduction of a patient drug targeted delivery of boron, irradiation with a stream of epithermal neutrons and measuring a γ-spectrometer of the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons, characterized in that As reagents with atomic nuclei activated by epithermal neutrons, sodium, chlorine, potassium and manganese contained in the human body are used, while th dose of thermal neutrons is determined from the ratio D
Figure 00000004
Figure 00000004
где Dрасч - поглощенная доза от тепловых нейтронов, полученная расчетным путем, Yизм - интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами, измеренная γ-спектрометром, Yрасч - интенсивность излучения γ-квантов атомных ядер, активированных эпитепловыми нейтронами, полученная расчетным путем.where D calc is the absorbed dose from thermal neutrons obtained by calculation, Y ISM is the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons, measured by a γ-spectrometer, Y calc is the radiation intensity of γ-quanta of atomic nuclei activated by epithermal neutrons, obtained by calculation. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что γ-спектрометром измеряют интенсивность излучения γ-квантов с энергией 0,847, 1,369, 1,524 и 1,640 МэВ.2. The method according to p. 1, characterized in that the γ-spectrometer measures the radiation intensity of γ-quanta with energies of 0.847, 1.369, 1.524 and 1.640 MeV. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что γ-спектрометром измеряют интенсивность излучения γ-квантов в течение до 15 ч после проведения облучения.3. The method according to p. 1, characterized in that the γ-spectrometer measures the radiation intensity of γ-quanta for up to 15 hours after irradiation.
RU2019109434A 2019-03-29 2019-03-29 Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors RU2709682C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109434A RU2709682C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2019109434A RU2709682C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2709682C1 true RU2709682C1 (en) 2019-12-19

Family

ID=69007025

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2019109434A RU2709682C1 (en) 2019-03-29 2019-03-29 Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2709682C1 (en)

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5341292A (en) * 1992-06-04 1994-08-23 New England Medical Center Hospitals, Inc. Monte Carlo based treatment planning for neutron capture therapy
WO1997032630A1 (en) * 1996-03-05 1997-09-12 The Regents Of The University Of California Calculation of radiation therapy dose using all particle monte carlo transport
RU2606337C1 (en) * 2015-11-25 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) Method of measuring absorbed dose in boron neutron capture therapy of malignant tumors

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5341292A (en) * 1992-06-04 1994-08-23 New England Medical Center Hospitals, Inc. Monte Carlo based treatment planning for neutron capture therapy
WO1997032630A1 (en) * 1996-03-05 1997-09-12 The Regents Of The University Of California Calculation of radiation therapy dose using all particle monte carlo transport
RU2606337C1 (en) * 2015-11-25 2017-01-10 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт ядерной физики им. Г.И. Будкера Сибирского отделения РАН (ИЯФ СО РАН) Method of measuring absorbed dose in boron neutron capture therapy of malignant tumors

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
KOBAYASHI T. et al. Microanalysis system of ppm order B-10 concentrations in tissue for neutron capture therapy by prompt gamma-ray spectrometry. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 1983, 204, pp. 525-531. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2606337C1 (en) Method of measuring absorbed dose in boron neutron capture therapy of malignant tumors
Chamberlain et al. Total body calcium by whole body neutron activation: new technique for study of bone disease.
Culbertson et al. In-phantom characterisation studies at the Birmingham Accelerator-Generated epIthermal Neutron Source (BAGINS) BNCT facility
US20230241414A1 (en) Boron neutron capture therapy system and treatment plan generation method therefor
Sohrabi et al. Novel 6 MV X-ray photoneutron detection and dosimetry of medical accelerators
Matsubayashi et al. Development of real-time neutron detectors with different sensitivities to thermal, epithermal, and fast neutrons in BNCT
Bennett et al. Beam localization via 15O activation in proton-radiation therapy
Harling et al. Boron neutron capture therapy and radiation synovectomy research at the Massachusetts Institute of Technology Research Reactor
RU2709682C1 (en) Method for determining absorbed dose from thermal neutrons in boron-neutron capture therapy of malignant tumors
Liu et al. Distribution of spatial photoneutrons inside a 70 kg water phantom via neutron activation analysis
Naik et al. Production cross-sections of Mo-isotopes induced by fast neutrons based on the 9 Be (p, n) reaction
Hu et al. Accelerator based epithermal neutron source for clinical boron neutron capture therapy
Sękowski et al. Nuclear Reactions That Occur in Human Body During Proton Therapy
Ozoemelam et al. The production of positron emitters with millisecond half-life during helium beam radiotherapy
Amgarou et al. Monte Carlo simulation of the NaI (Tl) detector response to measure gold activated foils
Gopalakrishna et al. Production of 99 Mo and 64 Cu in a mixed field of photons and neutrons in a clinical electron linear accelerator
Larsson Neutron capture therapy in support of other radiation treatment
Lin et al. Evaluation of stray neutron distribution in medical cyclotron vault room by neutron activation analysis approach
RU2743417C1 (en) Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei
Mostafaei et al. The feasibility of in vivo quantification of bone-gadolinium in humans by prompt gamma neutron activation analysis (PGNAA) following gadolinium-based contrast-enhanced MRI
Kelsey Radioactive isotopes in medical research, diagnosis, and therapy
Zheltonozhskaya et al. Study of Light Nuclei Activation in Human Blood During High-Energy Linear Accelerator (Linac) Radiation Therapy
Hiramatsu et al. Gamma-Ray Dose Measurement with Radio-Photoluminescence Glass Dosimeter in Mixed Radiation Field for BNCT
Harling Boron neutron capture therapy research at the MIT Research Reactor
DAMDINSUREN Production cross sections of medical radioisotopes 52gMn and 198gAu via charged-particle-induced reactions