ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕДИЦИНСКОГО ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА С ПОМОЩЬЮ УСТРОЙСТВ, ИЗГОТОВЛЕННЫХ ИЗ ПЛАСТИКОВ С МЕТАЛЛИЧЕСКИМИ ПРИМЕСЯМИ

В современной практике для электронной лучевой терапии применяются коллиматоры, которые позволяют формировать поле облучения стандартных форм. Однако опухоли имеют сложные формы, поэтому необходимо использовать коллиматоры с индивидуальной формой коллимационного окна, которые изготавливаются из металлических сплавов. Процесс производства таких устройств достаточно трудоемкий, что накладывает ограничения на их повсеместное применение. Перспективным направлением изготовления коллиматоров является трехмерная печать методом послойного наплавления, которая позволяет быстро и с высокой точностью производить объемные объекты. Однако применяемые сейчас полимерные материалы позволяют напечатать изделие с плотностью до 1.3 г/см³, что приводит к необходимости изготовления коллиматора относительно большой толщины. В данной работе предлагается использовать пластики с металлическими примесями для печати коллиматоров для электронной лучевой терапии. Было проведено численное моделирование методом Монте-Карло, где была рассчитана толщина коллиматора, необходимая для поглощения пучков электронов терапевтического диапазона. В результате был разработан и напечатан модульный коллиматор, позволяющий варьировать диаметр коллимационного отверстия от 0.5 до 6 см. По экспериментальным данным, полученным для медицинского электронного пучка с энергией 6 МэВ, было определено, что напечатанное устройство позволяет формировать заданный размер радиационного поля, соответствующий диаметру коллимационного отверстия. Особенности при формировании полей электронного пучка пластиковым коллиматором должны учитываться в процессе планирования процедур электронной лучевой терапии.

1. Hendee W.R., Ibbott G.S., Hendee E.G. Radiation therapy physics. John Wiley & Sons, 2013. 360 p.

2. Hoskin P. External Beam Therapy. Oxford University Press, 2019. 560 p.

3. Calvo F.A., Serrano J., Cambeiro M., Aristu J., Asencio J.M., Rubio I., Delgado J.M., Ferrer C., Desco M., Pascau J. Intra-Operative Electron Radiation Therapy: An Update of the Evidence Collected in 40 Years to Search for Models for Electron-FLASH Studies // Cancers, 2022. V. 14. № 15. P. 3693. https://doi.org/10.3390/cancers14153693

4. Vyas V., Palmer L., Mudge R., Jiang R., Fleck A., Schaly B., Osei E., Charland P. On bolus for megavoltage photon and electron radiation therapy // Medical Dosimetry, 2013. V. 38. № 3. P. 268–273. https://doi.org/10.1016/j.meddos.2013.02.007

5. Chow J.C.L., Grigorov G.N. Peripheral dose outside applicators in electron beams // Physics in Medicine & Biology, 2006. V. 51. № 12. P. N231. https://doi.org/10.1088/0031-9155/51/12/N01

6. Inyang S.O., Chamberlain A.C. Design and optimization of dual electron multileaf collimator // Physica Medica: European Journal of Medical Physics, 2015. V. 31. P. S5. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2015. 07.103

7. Eldib A, Jin L, Li J, Ma C-M. C. Feasibility of replacing patient specific cutouts with a computer-controlled electron multileaf collimator // Physics in Medicine & Biology, 2013. V. 58. №. 16. P. 5653. https://doi.org/10.1088/0031-9155/58/16/5653

8. Vatanen T., Traneus E., Lahtinen T. Comparison of conventional inserts and an add-on electron MLC for chest wall irradiation of left-sided breast cancer // Acta Oncologica, 2009. V. 48. № 3. P. 446–451. https://doi.org/10.1080/02841860802477907

9. Kawai Y., Tamura M., Amano M., Kamomae T., Monzen H. Dosimetric characterization of a novel surface collimator with tungsten functional paper for electron therapy // Anticancer Research, 2019. V. 39. № 6. P. 2839–2843. https://doi.org/10.21873/anticanres. 13412

10. Schulz J. B., Gibson C., Dubrowski P., Marquez C. M., Million L., Qian Y., Skinner L., Yu A. S. Shaping success: clinical implementation of a 3D-printed electron cutout program in external beam radiation therapy // Frontiers in Oncology, 2023. V. 13. P. 1237037. https://doi.org/10.3389/fonc.2023.1237037

11. Miloichikova I., Bulavskaya A., Cherepennikov Y., Gavrikov B., Gargioni E., Belousov D., Stuchebrov S. Feasibility of clinical electron beam formation using polymer materials produced by fused deposition modeling // Physica Medica, 2019. V. 64. P. 188–194. https://doi.org/10.1016/j.ejmp.2019.07.014

12. Skinner L., Fahimian B.P., Yu A.S. Tungsten filled 3D printed field shaping devices for electron beam radiation therapy // PLoS One, 2019. V. 14. № 6. P. e0217757 https://doi.org/10.1371/journal.pone. 0217757

13. Gibson I., Rosen D., Stucker B., Khorasani M. Additive manufacturing technologies. Cham, Switzerland: Springer, 2021. 685 p.

14. Bushmina E.A., Bulavskaya A.A., Grigor’e-va A.A., Miloichikova I.A., Stuchebrov S.G. The Influence of the Fill and Extrusion Factors in 3D Printing on the Electron and X-Ray Densities of Plastic Products // Biomedical Engineering, 2022. V. 56. № 4. P. 278–281. https://doi.org/10.1007/s10527-022-10219-x

15. Farbman D., McCoy C. Materials testing of 3D printed ABS and PLA samples to guide mechanical design // International Manufacturing Science and Engineering Conference. – American Society of Mechanical Engineers, 2016. V. 49903. P. V002T01A015. https://doi.org/10.1115/MSEC2016-8668

16. Crawford R. J., Martin P. J. Plastics engineering. Butterworth-Heinemann, 2020. 622 p.

17. Laureto J., Tomasi J., King J. A., Pearce J. M. Thermal properties of 3-D printed polylactic acid-metal composites // Progress in Additive Manufacturing, 2017. V. 2. P. 57–71. https://doi.org/10.1007/s40964-017-0019-x

18. Gao X., Qi S., Kuang X., Su Y., Li J., Wang D. Fused filament fabrication of polymer materials: A review of interlayer bond // Additive Manufacturing, 2021. V. 37. P. 101658. https://doi.org/10.1016/j.addma. 2020.101658

19. BFCopper Bestfilament для 3D-принтеров 0.5 кг (1.75 мм) [Электронный ресурс]. URL: https://bestfilament.ru/bfcopper/ (дата обращения: 01.10.2023).

20. Сорокина А.А., Булавская А.А., Григорьева А.А., Милойчикова И.А. Методы численного моделирования для оценки возможности применения болюсов для гамма-терапии, изготовленных с по¬мощью трехмерной печати. // Тезисы XXIII Всерос. конф. мол. уч. по математическому моделированию и информационным технологиям: Тезисы докладов, Новосибирск, 24–28 октября 2022 г. Новосибирск: ФГБНУ «ФИЦ ИВТ», 2022. С. 35.

21. Alhamada H., Simon S., Gulyban A., Gastelb-lum P., Pauly N., VanGestel D., Reynaert N. Monte Carlo as quality control tool of stereotactic body radiation therapy treatment plans // Physica Medica, 2021. V. 84. P. 205–213. https://doi.org/10.1016/j.ejmp. 2021.02.025

22. Original Prusa i3 MK3S+ 3D-printer [Электронный ресурс]. URL: https://www.prusa3d.com/cate¬gory/original-prusa-i3-mk3s/ (дата обращения: 01.10.2023).

23. Geant4 [Электронный ресурс]. URL: https://geant4.web.cern.ch/ (дата обращения: 01.10.2023 г.).

24. NOVAC 11: mobile IOeRT accelerator [Электронный ресурс]. URL: https://www.soiort.com/novac-11/ (дата обращения: 01.10.2023).

25. EBT3 Dosimetry Film [Электронный ресурс]. URL: http://www.gafchromic.com/documents/EBT3_ Specifications.pdf (дата обращения: 01.10.2023).

26. Phantoms for Absolute Dosimetry [Электронный ресурс]. URL: https://www.iba-dosimetry. com/fileadmin/user_upload/rt-br-e-phantoms-for-ad_ rev2_0813.pdf (дата обращения: 01.10.2023).

27. Epson Perfection V850 Pro [Электронный ресурс]. URL: https://epson.com/Support/Scanners/ Perfection-Series/Epson-Perfection-V850-Pro/s/SPT_B11 B224201 (дата обращения: 01.10.2023).

28. Lewis D., Micke A., Yu X., Chan M. F. An efficient protocol for radiochromic film dosimetry combining calibration and measurement in a single scan // Medical physics, 2012. V. 39. № 10. P. 6339–6350. https://doi.org/10.1118/1.4754797

29. Stuchebrov S.G., Bulavskaya A.A., Cherepennikov Yu.M., Gargioni E., Grigorieva A.A., Miloichikova I.A. Influence of 3D-printed collimator thickness on near-the-edge scattering of high-energy electrons // Journal of Instrumentation, 2020. V. 15. № 04. P. C04023. https://doi.org/10.1088/1748-0221/15/04/ C04023