RU2743417C1 - Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei - Google Patents

Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei Download PDF

Info

Publication number
RU2743417C1
RU2743417C1 RU2020118976A RU2020118976A RU2743417C1 RU 2743417 C1 RU2743417 C1 RU 2743417C1 RU 2020118976 A RU2020118976 A RU 2020118976A RU 2020118976 A RU2020118976 A RU 2020118976A RU 2743417 C1 RU2743417 C1 RU 2743417C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
radiation
dose
neutrons
neutron
nuclei
Prior art date
Application number
RU2020118976A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Юлия Сергеевна Таскаева
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 RU2020118976A priority Critical patent/RU2743417C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2743417C1 publication Critical patent/RU2743417C1/en

Links

Images

Classifications

    • AHUMAN NECESSITIES
    • A61MEDICAL OR VETERINARY SCIENCE; HYGIENE
    • A61NELECTROTHERAPY; MAGNETOTHERAPY; RADIATION THERAPY; ULTRASOUND THERAPY
    • A61N5/00Radiation therapy
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C12BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12NMICROORGANISMS OR ENZYMES; COMPOSITIONS THEREOF; PROPAGATING, PRESERVING, OR MAINTAINING MICROORGANISMS; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING; CULTURE MEDIA
    • C12N5/00Undifferentiated human, animal or plant cells, e.g. cell lines; Tissues; Cultivation or maintenance thereof; Culture media therefor

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biomedical Technology (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
  • Genetics & Genomics (AREA)
  • Biotechnology (AREA)
  • Wood Science & Technology (AREA)
  • Zoology (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Cell Biology (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Microbiology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Radiology & Medical Imaging (AREA)
  • Animal Behavior & Ethology (AREA)
  • Public Health (AREA)
  • Veterinary Medicine (AREA)
  • Radiation-Therapy Devices (AREA)

Abstract

FIELD: biotechnology
SUBSTANCE: invention relates to the field of biotechnology, namely, to the determination of the absorbed dose of recoil nuclei, as the sum of the doses of fast neutrons and thermal neutrons. The method includes irradiation of cell cultures with γ-radiation and mixed radiation (γ-radiation and neutron radiation). Next, the determination of γ-radiation Dγ dose, leading to the same magnitude of cell survival, and determination of the absorbed dose of recoil nuclei Dn from the ratio Dn=Dγ standard –Dγ mixed are carried out, where Dn is absorbed dose of recoil nuclei, g eq.; Dγ standard is dose of γ-radiation when cells are irradiated with γ-radiation, g; Dγ mixed is dose of γ-radiation when cells are irradiated with mixed radiation, g.
EFFECT: invention makes it possible to measure the absorbed dose of recoil nuclei - the sum of the doses of fast neutrons and thermal neutrons - necessary for planning boron-neutron capture therapy for malignant tumors.
1 cl, 1 dwg, 1 tbl

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 neuro-oncology, and can be used 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 нейтронов с энергией от 0,5 эВ до 10 кэВ. В результате поглощения нейтрона стабильным изотопом 10В происходит ядерная реакция, и образующиеся энергетичные α-частица и ион 7Li быстро тормозятся на длине размера клетки, выделяя энергию ~2,3 МэВ в пределах именно той клетки, которая содержала ядро бора, и приводя к ее поражению. Т.о., бор-нейтронозахватная терапия 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 a stable isotope boron-10 is introduced into human blood, and after a while boron is sorbed mainly in tumor cells. Then the tumor is irradiated with a flux of epithermal neutrons with energies from 0.5 eV to 10 keV. As a result of the absorption of a neutron by a stable isotope 10 V, a nuclear reaction occurs, and the resulting energetic α-particle and 7 Li ion are rapidly decelerated over the length of the cell size, releasing an energy of ~ 2.3 MeV within the cell that contained the boron nucleus, and leading to her defeat. Thus, boron neutron capture therapy makes it possible to selectively damage cells of malignant tumors.

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 the technology of neutron capture therapy is due to its focus on the treatment of such types of malignant tumors that practically do not lend themselves to any other methods - brain glioblastomas and melanoma metastases.

Клинические испытания методики БНЗТ проведены на ядерных реакторах, и получены положительные результаты в лечении глиобластомы, меланомы, опухолей шеи, менингиомы, мезотелиомы плевры и гепатоцеллюлярной карциномы [W. Sauerwein, A. Wittig, R. Moss, Y. Nakagawa (Eds.), Neutron Capture Therapy: Principles and Applications (Springer, 2012)].Clinical trials of the BNCT technique were carried out at nuclear reactors, and positive results were obtained in the treatment of glioblastoma, melanoma, neck tumors, meningioma, pleural mesothelioma and hepatocellular carcinoma [W. Sauerwein, A. Wittig, R. Moss, Y. Nakagawa (Eds.), Neutron Capture Therapy: Principles and Applications (Springer, 2012)].

Широкое внедрение методики в клиническую практику связано с применением ускорителей заряженных частиц из-за их безопасности и возможности формирования терапевтического пучка нейтронов лучшего качества. Наибольшее внимание сосредоточено на двух пороговых реакциях: 7Li(p,n)7Be и 9Ве(р,n)9В, из которых наилучшей признается 7Li(p,n)7Be из-за максимального выхода и минимальной энергии нейтронов [Т. Blue, J. Yanch. Accelerator-based epilhermal neutron sources for boron neutron capture therapy of brain tumors. J. Neuro-Oncol. 62, 19 (2003)].The widespread introduction of the technique into clinical practice is associated with the use of charged particle accelerators due to their safety and the possibility of forming a therapeutic neutron beam of better quality. The greatest attention is focused on two threshold reactions: 7 Li (p, n) 7 Be and 9 Be (p, n) 9 V, of which 7 Li (p, n) 7 Be is recognized as the best because of the maximum yield and minimum energy of neutrons [T. Blue, J. Yanch. Accelerator-based epilhermal neutron sources for boron neutron capture therapy of brain tumors. J. Neuro-Oncol. 62, 19 (2003)].

Нескольким группам исследователей удалось решить проблему создания ускорительного источника нейтронов эпитеплового диапазона энергий, и в настоящее время в мире сооружаются первые пять клиник БНЗТ везде разными командами с разными техническими решениями [С.Ю. Таскаев. Разработка ускорительного источника эпитепловых нейтронов для бор-нейтронозахватной терапии. Физика элементарных частиц и атомного ядра. 50, 657 (2019)].Several groups of researchers managed to solve the problem of creating an accelerator neutron source of the epithermal energy range, and at present the first five BNCT clinics are being built in the world everywhere by different teams with different technical solutions [S.Yu. Taskaev. Development of an accelerating source of epithermal neutrons for boron neutron capture therapy. Physics of elementary particles and atomic nucleus. 50, 657 (2019)].

Одной из основных проблем, требующих решения для внедрения БНЗТ в клиническую практику, является измерение поглощенной дозы.One of the main problems to be solved for the introduction of BNCT into clinical practice is the measurement of the absorbed dose.

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

Во-первых, процесс поглощения тепловых 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.First, the process of absorption of thermal neutrons by boron, as a result of which an energy of 2.79 MeV is released - in 6.1% of cases the energy is distributed only between lithium nuclei and an α-particle, in 93.9% of cases the lithium nucleus escapes in an excited state and emits a γ-quantum with an energy of 0.48 MeV.

Во-вторых, захват тепловых нейтронов водородом, приводящий к образованию дейтерия и к мгновенному испусканию γ-кванта с энергией 2,2 МэВ; захват тепловых нейтронов хлором, приводящий к мгновенному испусканию γ-кванта с энергией 8,85 МэВ; захват тепловых нейтронов азотом, приводящий к образованию ядра отдачи 14С и протона отдачи с выделением энергии 580 кэВ, и захват нейтронов хлором, приводящий к образованию ядра отдачи 35S и протона отдачи с выделением энергии.Second, the capture of thermal neutrons by hydrogen, leading to the formation of deuterium and to the instantaneous emission of a γ-quantum with an energy of 2.2 MeV; capture of thermal neutrons by chlorine, leading to the instantaneous emission of a γ-quantum with an energy of 8.85 MeV; capture of thermal neutrons by nitrogen, leading to the formation of a 14 C recoil nucleus and a recoil proton with an energy release of 580 keV, and neutron capture by chlorine, leading to the formation of a 35 S recoil nucleus and a recoil proton with an energy release.

В-третьих, радиационный захват нейтронов натрием, хлором, калием и марганцем, приводящий к их активации с последующим испусканием γ-квантов. В таблице приведены характеристики этих стабильных ядер и радиоактивных ядер, образующихся при поглощении нейтронов.Third, the radiative capture of neutrons by sodium, chlorine, potassium and manganese, leading to their activation with the subsequent emission of γ-quanta. The table shows the characteristics of these stable nuclei and radioactive nuclei formed by the absorption of neutrons.

Figure 00000001
Figure 00000001

В-четвертых, появление ядер отдачи при упругом рассеянии нейтронов, преимущественно быстрых, от ядер вещества, преимущественно водорода.Fourth, the appearance of recoil nuclei during elastic scattering of neutrons, mainly fast ones, from the nuclei of matter, mainly hydrogen.

В-пятых, поток γ-квантов из ускорителя, мишени, системы формирования пучка нейтронов и из объекта облучения (пациента). Ускоритель заряженных частиц является источником тормозного излучения из-за неизбежно присутствующих в нем потоков высокоэнергетичных электронов. Литиевая нейтроногенерирующая мишень является источником γ-квантов с энергией 478 кэВ, испускаемых в результате неупругого рассеяния протонов на атомных ядрах лития в реакции 7Li(p,p'γ)7Li и испускаемых в результате распада радиоактивного изотопа бериллий-7, образующегося в реакции генерации нейтронов 7Li(p,n)7Be. Источником γ-квантов с энергией 2,2 МэВ является вода, охлаждающая мишень, из-за поглощения нейтронов водородом в реакции 1H(n,γ)2H. Некоторые конструкционные материалы системы формирования пучка нейтронов активируются под действием нейтронов и являются источниками γ-излучения, как правило значительно меньшего по интенсивности, чем интенсивность излучения ускорителя и мишени. Внутренними источниками γ-излучения служат ядерные реакции поглощения нейтронов водородом и хлором, приводящие к мгновенному испусканию γ-квантов, и ядерные реакции радиационного захвата нейтронов натрием, хлором, калием и марганцем, приводящие к их активации с последующим испусканием γ-квантов.Fifth, the flux of γ-quanta from the accelerator, target, neutron beam formation system and from the irradiated object (patient). A charged particle accelerator is a source of bremsstrahlung due to the inevitably present high-energy electron fluxes. The lithium neutron-generating target is a source of γ-quanta with an energy of 478 keV, emitted as a result of inelastic scattering of protons on atomic nuclei of lithium in the reaction 7 Li (p, p'γ) 7 Li and emitted as a result of the decay of the radioactive isotope beryllium-7, formed in the reaction generation of neutrons 7 Li (p, n) 7 Be. The source of γ-quanta with an energy of 2.2 MeV is water cooling the target due to absorption of neutrons by hydrogen in the reaction 1 H (n, γ) 2 H. Some structural materials of the neutron beam formation system are activated by neutrons and are sources of γ- radiation, usually much less intense than the radiation intensity of the accelerator and the target. Internal sources of γ-radiation are nuclear reactions of absorption of neutrons by hydrogen and chlorine, leading to the instantaneous emission of γ-quanta, and nuclear reactions of radiative capture of neutrons by sodium, chlorine, potassium and manganese, leading to their activation followed by the emission of γ-quanta.

В БНЗТ принято выделять четыре компоненты поглощенной дозы:In BNCT, it is customary to distinguish four components of the absorbed dose:

1) Борная доза, обусловленная α-частицами и атомными ядрами лития - продуктами ядерной реакции 10B(n,αγ)7Li. Из-за малой длины пробега частиц эта доза выделяется в малом объеме - в объеме клетки, содержащей ядро бора. В методике БНЗТ, когда бор накапливают преимущественно в опухолевых клетках, борная доза является терапевтической; ее стремятся сделать как можно большей.1) Boron dose due to α-particles and atomic nuclei of lithium - products of the nuclear reaction 10 B (n, αγ) 7 Li. Due to the small path length of particles, this dose is released in a small volume - in the volume of the cell containing the boron nucleus. In the BNCT technique, when boron is accumulated mainly in tumor cells, the boron dose is therapeutic; they strive to make it as large as possible.

2) Доза γ-излучения, обусловленная ионизацией атомов вещества под действием γ-излучения. Источниками γ-квантов являются ускоритель заряженных частиц, нейтроногенерирующая мишень, система формирования пучка нейтронов и облучаемый объект (пациент).2) The dose of γ-radiation due to the ionization of atoms of a substance under the influence of γ-radiation. The sources of γ-quanta are a charged particle accelerator, a neutron-generating target, a neutron beam formation system, and an irradiated object (patient).

3) Доза быстрых нейтронов, обусловленная ядрами отдачи при упругом рассеянии нейтронов, преимущественно быстрых, на ядрах вещества, преимущественно водорода.3) The dose of fast neutrons due to recoil nuclei in the elastic scattering of neutrons, mainly fast, on the nuclei of matter, mainly hydrogen.

4) Доза тепловых нейтронов, обусловленная ядрами отдачи, преимущественно протонами, ядерной реакции поглощения нейтрона атомным ядром хлора 35Cl(n,p)35S и азота l4N(n,p)l4C. Основной вклад в дозу дает реакция 14N(n,p)l4C из-за большего сечения и большей концентрации азота в организме человека. По этой причине эту дозу от тепловых нейтронов иногда называют «азотной» дозой.4) The dose of thermal neutrons due to recoil nuclei, mainly protons, of the nuclear reaction of neutron absorption by the atomic nucleus of chlorine 35 Cl (n, p) 35 S and nitrogen l4 N (n, p) l4 C. The main contribution to the dose is made by the reaction 14 N ( n, p) l4 C due to the larger cross section and higher nitrogen concentration in the human body. For this reason, this dose from thermal neutrons is sometimes referred to as the "nitrogen" dose.

Хотя принято отдельно выделять дозу быстрых нейтронов и дозу тепловых нейтронов, в обоих случаях ионизация вещества осуществляется ядрами отдачи - продуктами упругого рассеяния быстрых нейтронов на атомных ядрах вещества и продуктами ядерной реакции поглощения тепловых нейтронов атомными ядрами хлора и азота. По признаку ионизации вещества ядрами отдачи объединим дозу быстрых нейтронов и дозу тепловых нейтронов в дозу ядер отдачи.Although it is customary to separate the dose of fast neutrons and the dose of thermal neutrons separately, in both cases the ionization of matter is carried out by recoil nuclei - the products of elastic scattering of fast neutrons by the atomic nuclei of matter and the products of the nuclear reaction of absorption of thermal neutrons by atomic nuclei of chlorine and nitrogen. On the basis of the ionization of matter by recoil nuclei, let us combine the dose of fast neutrons and the dose of thermal neutrons in the dose of recoil nuclei.

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

Измерение компонентов дозы является важной задачей при проведении БНЗТ.Measurement of dose components is an important task during BNCT.

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 В-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 allows you to measure the boron dose in a tumor is γ-spectroscopy, based on the registration of a γ-quantum with an energy of 478 keV, emitted during the instantaneous decay of a boron nucleus after absorbing a neutron by it [T. Kobayashi, K. Kanda. Microanalysis system of ppm order В-10 concentrations in tissue for neutron capture therapy by prompt gamma-ray spectrometry. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. 204 (1983) 525-531].

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]. В этом методе препарат адресной доставки бора дополнительно маркируют стабильным атомным ядром, активируемым под действием нейтронов. Измерение наведенной активности γ-спектрометром после облучения позволяет восстановить пространственное распределение поглощенной дозы.The second method, which directly allows measuring the boron dose in the tumor, is the method protected by the patent [S.Yu. Taskaev, A.A. 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]. In this method, a boron targeted delivery preparation is additionally labeled with a stable atomic nucleus activated by neutrons. Measurement of the induced activity with a γ-spectrometer after irradiation makes it possible to reconstruct the spatial distribution of the absorbed dose.

Измерить борную дозу в фантоме можно детектором нейтронов со сцинтиллятором, обогащенным бором, например, с малогабаритным литьевым полистирольным сцинтиллятором, специально разработанным для применения в БНЗТ [Т. Bykov, D. Kasatov, A. Koshkarev, A. Makarov, V. Porosev, G. Savinov, I. Shchudlo, S. Taskaev. A multichannel neutron flux monitoring system for a boron neutron capture therapy facility. JINST 14 (2019) P12002]. Поскольку размер разработанного сцинтиллятора небольшой - диаметр 1 мм, длина 1 мм, его можно использовать при проведении терапии, расположив рядом с опухолью.It is possible to measure the boron dose in a phantom with a neutron detector with a boron-enriched scintillator, for example, with a small-sized cast polystyrene scintillator specially designed for use in BNCT [T. Bykov, D. Kasatov, A. Koshkarev, A. Makarov, V. Porosev, G. Savinov, I. Shchudlo, S. Taskaev. A multichannel neutron flux monitoring system for a boron neutron capture therapy facility. JINST 14 (2019) P12002]. Since the size of the developed scintillator is small - 1 mm in diameter and 1 mm in length, it can be used during therapy, placing it next to the tumor.

Таким образом, существует несколько способов измерения борной дозы.Thus, there are several ways to measure boron dose.

Для измерения дозы γ-излучения широко применяют счетчики Гейгера-Мюллера, например, дозиметр γ-излучения ДБГ-С11Д (ООО «Доза», Дубна, Россия); сцинтилляционные детекторы, например, сцинтилляционные детекторы с кристаллом NaI(Tl) или CaF2 (ООО "Компания «Азимут фотоникс», Москва, Россия); полупроводниковые детекторы, например, спектрометр γ-излучения на основе детектора полупроводникового ППД, выполненного из особо чистого германия типа СЕГ-1КП-ИФТП (Институт физико-технических проблем, Дубна, Россия); термолюминесцентные, например, дозиметры ДТЛ-02 или ТЛД-3 (ООО НПП «Доза», Зеленоград, Россия) и др. Таким образом, существует множество приборов измерения дозы γ-излучения.To measure the dose of γ-radiation, Geiger-Muller counters are widely used, for example, the γ-radiation dosimeter DBG-S11D (OOO Doza, Dubna, Russia); scintillation detectors, for example, scintillation detectors with a NaI (Tl) or CaF 2 crystal (Azimut Photonics LLC, Moscow, Russia); semiconductor detectors, for example, a γ-ray spectrometer based on a semiconductor PPD detector made of ultrapure germanium type SEG-1KP-IFTP (Institute of Physical and Technical Problems, Dubna, Russia); thermoluminescent, for example, dosimeters DTL-02 or TLD-3 (LLC NPP Doza, Zelenograd, Russia), etc. Thus, there are many devices γ-radiation dose measurement.

Для измерения дозы быстрых нейтронов используют ионизационные камеры деления или детекторы тепловых нейтронов с замедлителем. Однако использование их при проведении БНЗТ невозможно. Так, ионизационные камеры деления с радиатором 238U (АО "НИИТФА», Москва) чувствительны к нейтронам с энергией более 1 МэВ, а в формируемом терапевтическом пучке нейтронов для БНЗТ нейтроны с энергией более 1 МэВ полностью отсутствуют. Обратим внимание на тот факт, что так называемую дозу быстрых нейтронов могут давать и нейтроны эпитеплового диапазона энергий, конечно меньшую, но значимую для планирования БНЗТ. Широко применяемые дозиметры смешанного излучения ДВГН-01 на основе термолюминесцентных детекторов с 7Li и с 6Li (ИФВЭ, Москва) или любые другие дозиметры с замедлителем являются дозиметрами альбедного типа, т.е. их показания существенно зависят от спектра нейтронов. Нейтроны для БНЗТ характеризуются заметно более мягких спектром по сравнению со спектром нейтронов калибровочных источников, а потому эти дозиметры будет давать завышенные показания. Таким образом, методов измерения дозы быстрых нейтронов для БНЗТ нет. При планировании БНЗТ ограничиваются результатами численного моделирования переноса нейтронов.To measure the dose of fast neutrons, fission ionization chambers or thermal neutron detectors with a moderator are used. However, their use during BNCT is impossible. Thus, fission ionization chambers with a 238 U radiator (NIITFA JSC, Moscow) are sensitive to neutrons with energies above 1 MeV, while neutrons with energies above 1 MeV are completely absent in the generated therapeutic neutron beam for BNCT. the so-called dose of fast neutrons can also be produced by neutrons of the epithermal energy range, of course smaller, but significant for the planning of BNCT. Widely used dosimeters of mixed radiation DVGN-01 based on thermoluminescent detectors with 7 Li and 6 Li (IHEP, Moscow) or any other dosimeters with a moderator are albedo-type dosimeters, i.e. their readings significantly depend on the neutron spectrum.Neutrons for BNCT are characterized by a noticeably softer spectrum compared to the neutron spectrum of calibration sources, and therefore these dosimeters will give overestimated readings. there are no fast neutrons for BNCT. When planning BNCT, the results of numerical simulation of neutron transport.

Способы измерения дозы тепловых нейтронов в результате их захвата атомными ядрами азота и хлора отсутствуют. Конечно, существует множество детекторов, чувствительных к тепловым нейтронам, но для БНЗТ характерна ситуация, когда в терапевтическом пучке нейтронов минимизирован поток тепловых нейтронов. Нейтроны становятся тепловыми уже в процессе их торможения в организме пациента. Вероятность их поглощения атомными ядрами азота и хлора зависит от спектра нейтронов и пространственного распределения концентрации атомных ядер вещества, не только азота и хлора. Поскольку продуктами ядерных реакций 35Cl(n,p)35S и 14N(n,p)14C являются заряженные частицы с малой длиной пробега, то прямого метода их измерения, аналогичного мгновенной γ-спектроскопии при измерении борной дозы, нет. Таким образом, методов измерения дозы тепловых нейтронов для БНЗТ нет. При планировании БНЗТ ограничиваются результатами численного моделирования переноса нейтронов.There are no methods for measuring the dose of thermal neutrons as a result of their capture by atomic nuclei of nitrogen and chlorine. Of course, there are many detectors that are sensitive to thermal neutrons, but BNCT is characterized by a situation when the thermal neutron flux is minimized in the therapeutic neutron beam. Neutrons become thermal already in the process of their inhibition in the patient's body. The probability of their absorption by atomic nuclei of nitrogen and chlorine depends on the spectrum of neutrons and the spatial distribution of the concentration of atomic nuclei of matter, not only nitrogen and chlorine. Since the products of nuclear reactions 35 Cl (n, p) 35 S and 14 N (n, p) 14 C are charged particles with a short path, there is no direct method for their measurement, similar to instant γ-spectroscopy when measuring boron dose. Thus, there are no methods for measuring the thermal neutron dose for BNCT. When planning BNCT, they are limited to the results of numerical simulation of neutron transport.

Предлагаемое изобретение направлено на создание способа, позволяющего определить поглощенную дозу ядер отдачи - сумму доз быстрых нейтронов и тепловых нейтронов, обеспечивающих ионизацию вещества ядрами отдачи, что крайне актуально для планирования БНЗТ.The proposed invention is aimed at creating a method that makes it possible to determine the absorbed dose of recoil nuclei - the sum of doses of fast neutrons and thermal neutrons that provide ionization of matter by recoil nuclei, which is extremely important for planning BNCT.

Близкого аналога-прототипа у предлагаемого изобретения нет. Вместе с тем, аналогом методического подхода можно считать тот, который реализован при определении относительной биологической эффективности (ОБЭ) ионизирующих излучений. ОБЭ оценивают сравнением дозы излучения, вызывающей определенный биологический эффект, с дозой стандартного излучения, обуславливающий тот же эффект. В качестве стандартного излучения берут γ-излучение, которое широко применяют при лучевой терапии опухолей и для которого известны количественные данные о связи с дозой самых разных эффектов поражения. Значение ОБЭ вычисляют по формуле: ОБЭ=Dγ/Dx, где Dγ - доза γ-излучения, Гр; Dx - доза изучаемого излучения, Гр; при этом эффект сравнивают по одному и тому же показателю.The present invention has no close analogue-prototype. At the same time, the analogue of the methodological approach can be considered the one that is implemented in determining the relative biological effectiveness (RBE) of ionizing radiation. RBE is assessed by comparing the dose of radiation that causes a certain biological effect with the dose of standard radiation that causes the same effect. As a standard radiation, γ-radiation is taken, which is widely used in radiation therapy of tumors and for which quantitative data are known on the relationship with the dose of various damage effects. RBE value is calculated by the formula: RBE = D γ / D x , where D γ - dose of γ-radiation, Gy; D x is the dose of the studied radiation, Gy; the effect is compared for the same indicator.

Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.The essence of the invention is as follows.

Облучают клеточные культуры γ-излучением и смешанным излучением (нейтронным и γ-излучением), измеряя дозу γ-излучения. Сравнивают дозы γ-излучения, обуславливающие тот же эффект, например, выживаемость. Значение поглощенной дозы ядер отдачи вычисляют по формуле: Dn=Dγ standard-Dγ mixed, где Dn - поглощенная доза ядер отдачи, Гр экв.; Dγ standard - доза γ-излучения при облучении клеток γ-излучением, Гр; Dγ mixed - доза γ-излучения при облучении клеток смешанным излучением, Гр.Cell cultures are irradiated with γ-radiation and mixed radiation (neutron and γ-radiation), measuring the dose of γ-radiation. Doses of γ-radiation are compared for the same effect, for example, survival. The value of the absorbed dose of recoil nuclei is calculated by the formula: D n = D γ standard -D γ mixed , where D n is the absorbed dose of recoil nuclei, Gy eq .; D γ standard - dose of γ-radiation when cells are irradiated with γ-radiation, Gy; D γ mixed - dose of γ-radiation during irradiation of cells with mixed radiation, Gy.

Предложенный способ определения поглощенной дозы ядер отдачи для планирования БНЗТ может быть реализован на практике следующим образом.The proposed method for determining the absorbed dose of recoil nuclei for BNCT planning can be implemented in practice as follows.

Берут клеточную культуру, например, клетки глиомы человека, глиобластомы человека, клетки яичника китайского хомячка, фибропласты легких китайского хомячка или другую. Из приведенных четырех культур первые две актуальны для БНЗТ, а последние две широко применяли при исследовании влияния рентгеновского и γ-излучения. При проведении измерений используют клетки, не подвергавшиеся инкубации в среде с бором, т.е. в них не содержится бор и борная доза отсутствует.Take a cell culture, for example, human glioma cells, human glioblastoma cells, Chinese hamster ovary cells, Chinese hamster lung fibroblasts, or the like. Of the four cultures given, the first two are relevant for BNCT, and the last two were widely used in studying the effect of X-ray and γ-radiation. When carrying out measurements, cells are used that have not been incubated in a medium with boron, i.e. they do not contain boron and there is no boron dose.

Облучают клеточную культуру γ-излучением несколькими дозами, контролируя дозу дозиметром γ-излучения. Облучение можно проводить на ускорительном источнике нейтронов Института ядерной физики СО РАН [С.Ю. Таскаев. Ускорительный источник эпитепловых нейтронов. Физика элементарных частиц и атомного ядра. Том 46, №6 (2015) стр. 1770-1830] при энергии протонов ниже порога реакции 7Li(p,n)7Be, например, 1,85 МэВ - в этом случае излучаются только γ-кванты с энергией 478 кэВ в результате неупругого рассеяния протонов на атомных ядрах лития. После облучения определяют выживаемость клеток, например, с помощью колониеобразующего метода. Строят график зависимости выживаемости клеток от дозы γ-излучения и проводят линию аппроксимации. Кривая 1 на Фиг. 1 показывает возможную зависимость выживаемости клеток от дозы.The cell culture is irradiated with γ-radiation in several doses, controlling the dose with a γ-radiation dosimeter. Irradiation can be carried out at the accelerator neutron source of the Institute of Nuclear Physics SB RAS [S.Yu. Taskaev. Accelerating source of epithermal neutrons. Physics of elementary particles and atomic nucleus. Volume 46, No. 6 (2015) pp. 1770-1830] at proton energies below the threshold of the reaction 7 Li (p, n) 7 Be, for example, 1.85 MeV - in this case only γ quanta with an energy of 478 keV are emitted in as a result of inelastic scattering of protons by atomic nuclei of lithium. After irradiation, cell viability is determined, for example, using the colony-forming method. Build a graph of the dependence of cell survival on the dose of γ-radiation and draw a line of approximation. Curve 1 in FIG. 1 shows a possible dose-dependent cell survival.

Затем облучают клеточную культуру смешанным излучением, в котором присутствуют потоки нейтронов и γ-квантов, контролируя дозу γ-излучения дозиметром γ-излучения. Облучение можно проводить на том же ускорительном источнике нейтронов Института ядерной физики СО РАН при энергии протонов выше порога реакции 7Li(p,n)7Be, например, 2 МэВ - в этом случае к γ-квантам с энергией 478 кэВ добавляется поток нейтронов широкого энергетического спектра, от тепловых до быстрых. После облучения определяют выживаемость клеток, например, с помощью колониеобразующего метода. Строят кривую зависимости выживаемости клеток от дозы γ-излучения и проводят линию аппроксимации. Кривая 2 на Фиг. 1 показывает возможную зависимость выживаемости клеток от дозы γ-излучения при их облучении смешанным излучением.Then, the cell culture is irradiated with mixed radiation, in which fluxes of neutrons and γ-quanta are present, controlling the γ-radiation dose with a γ-radiation dosimeter. Irradiation can be carried out at the same accelerator neutron source of the Institute of Nuclear Physics SB RAS at proton energies above the 7 Li (p, n) 7 Be reaction threshold, for example, 2 MeV - in this case, a wide neutron flux is added to γ-quanta with an energy of 478 keV. energy spectrum, from thermal to fast. After irradiation, cell viability is determined, for example, using the colony-forming method. Build a curve of dependence of cell survival on the dose of γ-radiation and draw a line of approximation. Curve 2 in FIG. 1 shows a possible dependence of cell survival on the dose of γ-radiation when they are irradiated with mixed radiation.

Далее определяют дозы γ-излучения при облучении γ-излучением и смешанным излучением, приводящие к одинаковому эффекту, например, к 10%-ной выживаемости клеток. Из Фиг. 1 видно, что облучение γ-квантами дозой Dγ standard=1,5 Гр приводит к 10%-ной выживаемости клеток (точка A на Фиг. 1). При облучении смешанным излучением 10%-ая выживаемость клеток достигается при дозе γ-излучения Dγ mixed=1,2 Гр (точка В на Фиг. 1).Next, the doses of γ-radiation are determined upon irradiation with γ-radiation and mixed radiation, leading to the same effect, for example, to 10% cell survival. From FIG. 1 shows that irradiation with γ-quanta dose D γ standard = 1.5 Gy leads to 10% cell survival (point A in Fig. 1). When irradiated with mixed radiation, 10% cell survival is achieved at a dose of γ-radiation D γ mixed = 1.2 Gy (point B in Fig. 1).

Применив формулу Dn=Dγ standard-Dγ mixed, получим, что поглощенная доза ядер отдачи Dn=0,3 Гр экв. Поделив Dn на Dγ standard, получим, что быстрые и тепловые нейтроны за счет ядер отдачи дают вклад в поглощенную дозу, равную 25% от дозы γ-излучения, что может быть использовано при планировании БНЗТ.Applying the formula D n = D γ standard -D γ mixed , we obtain that the absorbed dose of recoil nuclei D n = 0.3 Gy eq. Dividing D n by D γ standard , we obtain that fast and thermal neutrons, due to recoil nuclei, contribute to the absorbed dose equal to 25% of the γ-radiation dose, which can be used when planning BNCT.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является измерение необходимой для планирования БНЗТ поглощенной дозы ядер отдачи - суммы доз быстрых нейтронов и тепловых нейтронов.The technical result of the proposed invention is to measure the absorbed dose of recoil nuclei, which is the sum of doses of fast neutrons and thermal neutrons, necessary for planning BNCT.

Claims (3)

Способ определения поглощенной дозы ядер отдачи, как суммы доз быстрых нейтронов и тепловых нейтронов, включающий облучение клеточных культур γ-излучением и смешанным излучением (γ-излучение и нейтронное), определение дозы γ-излучения Dγ, приводящей к одинаковой величине выживаемости клеток, и определение поглощенной дозы ядер отдачи Dn из соотношенияA method for determining the absorbed dose of recoil nuclei as the sum of doses of fast neutrons and thermal neutrons, including irradiation of cell cultures with γ-radiation and mixed radiation (γ-radiation and neutron), determining the dose of γ-radiation D γ , leading to the same value of cell survival, and determination of the absorbed dose of recoil nuclei D n from the relation Dn=Dγ standard -Dγ mixed,D n = D γ standard -D γ mixed , где Dn - поглощенная доза ядер отдачи, Гр экв.; Dγ standard - доза γ-излучения при облучении клеток γ-излучением, Гр; Dγ mixed - доза γ-излучения при облучении клеток смешанным излучением, Гр.where D n is the absorbed dose of recoil nuclei, Gy eq .; D γ standard - dose of γ-radiation when cells are irradiated with γ-radiation, Gy; D γ mixed - dose of γ-radiation during irradiation of cells with mixed radiation, Gy.
RU2020118976A 2020-06-01 2020-06-01 Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei RU2743417C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118976A RU2743417C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020118976A RU2743417C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2743417C1 true RU2743417C1 (en) 2021-02-18

Family

ID=74666027

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2020118976A RU2743417C1 (en) 2020-06-01 2020-06-01 Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2743417C1 (en)

Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
MISHRA K.P. "Cell membrane oxidative damage induced by gamma-radiation and apoptotic sensitivity", J Environ Pathol Toxicol Oncol. . 2004;23(1):61-6. doi: 10.1615/jenvpathtoxoncol.v23.i1.60. *
БЕЛОУСОВ А.В., и др. "Оценка поглощенной и эквивалентной доз фотонного излучения в тонких слоях", ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 2015; 5:86-93. *
БЕЛОУСОВ А.В., и др. "Оценка поглощенной и эквивалентной доз фотонного излучения в тонких слоях", ВМУ. Серия 3. Физика. Астрономия, 2015; 5:86-93. КУПЛЕННИКОВ Э.Л., и др. "Нейтроны и онкология", Прикладная математика и физика. 2012; 23(142):143-163. MISHRA K.P. "Cell membrane oxidative damage induced by gamma-radiation and apoptotic sensitivity", J Environ Pathol Toxicol Oncol. . 2004;23(1):61-6. doi: 10.1615/jenvpathtoxoncol.v23.i1.60. БОЖЕНКО В.К., и др. "Влияние острого гамма облучения на изменение показателей клеточного цикла в культуре клеток линии 293HEK", Вестник Российского научного центра рентгенорадиологии Минздрава России, 2014; 14; Режим доступа: http://vestnik.rncrr.ru/vestnik/v14/papers/shishkin_v14.htm. *
БОЖЕНКО В.К., и др. "Влияние острого гамма облучения на изменение показателей клеточного цикла в культуре клеток линии 293HEK", Вестник Российского научного центра рентгенорадиологии Минздрава России, 2014; 14; Режим доступа: http://vestnik.rncrr.ru/vestnik/v14/papers/shishkin_v14.htm. *
КУПЛЕННИКОВ Э.Л., и др. "Нейтроны и онкология", Прикладная математика и физика. 2012; 23(142):143-163. *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10379227B2 (en) Radiation dose measuring method
Barquero et al. Neutron spectra and dosimetric features around an 18 MV linac accelerator
Park et al. Basics of particle therapy I: physics
JP2022169717A (en) Neutron capture therapy system and radiation detection method for neutron capture therapy system
Shultis et al. Radiation shielding and radiological protection
Sohrabi et al. Novel 6 MV X-ray photoneutron detection and dosimetry of medical accelerators
Farhood et al. Different methods of measuring neutron dose/fluence generated during radiation therapy with megavoltage beams
Petringa et al. Study of gamma-ray emission by proton beam interaction with injected Boron atoms for future medical imaging applications
Wakabayashi et al. Applicability of self-activation of an NaI scintillator for measurement of photo-neutrons around a high-energy X-ray radiotherapy machine
Ichikawa et al. Development of thermal neutron moderator for testing boron agents for Boron Neutron Capture Therapy (BNCT)
Vohradsky et al. Response of SOI microdosimeter in fast neutron beams: Experiment and Monte Carlo simulations
Hu et al. Accelerator based epithermal neutron source for clinical boron neutron capture therapy
Ghassoun et al. Neutron and photon doses in high energy radiotherapy facilities and evaluation of shielding performance by Monte Carlo method
RU2743417C1 (en) Method for determination of the absorbed dose of recoil nuclei
Osawa et al. Development of an epi-thermal neutron field for fundamental researches for BNCT with a DT neutron source
Amgarou et al. Monte Carlo simulation of the NaI (Tl) detector response to measure gold activated foils
Herrmann Prediction of the response behaviour of one-hit detectors in particle beams
Vega-Carrillo et al. Moderator for neutron activation with the photoneutrons produced by a LINAC
Hiramatsu et al. Gamma-ray dose measurement with radio-photoluminescence glass dosimeter in mixed radiation field for BNCT
García Fusté Neutron spectrometry in η-γ fields: application to LINAC and PET facilities
田中憲一 et al. Computational investigation of polymer gel composition doped with 33S for epithermal neutron measurement for BNCT
Liu et al. Determination of the gamma-ray spectrum in a strong neutron/gamma-ray mixed field
Stokkevåg Measurements of the photonuclear neutron yield during radiotherapy using bubble detectors and thermoluminescence detectors
Vohradsky Study in the feasibility of silicon and diamond microdosimetry use in boron neutron capture therapy
Tanaka Dosimetric verification