В Институте ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН продолжаются работы по модернизации источника нейтронов для проведения бор-нейтронозахватной терапии (БНЗТ). Ученые из Института вычислительной математики и математической геофизики СО РАН, участвующие в этом комплексном проекте, помогают оптимизировать облучение пациентов, рассчитывая дозу излучения.

Установка для БНЗТ. Фото предоставлено исследователями 

Установка для БНЗТ. Фото предоставлено исследователями 

 

Решением задачи дозиметрии занимаются не только физики-экспериментаторы, но и специалисты в области вычислительной математики. «Для качественного проведения БНЗТ нужно, чтобы полезная доза, полученная пациентом, была существенно больше вредной дозы при облучении, — объяснил научный сотрудник ИЯФ СО РАН и ИВМиМГ СО РАН кандидат физико-математических наук Евгений Андреевич Берендеев. — Полезной мы называем борную дозу, которая возникает вследствие захвата теплового нейтрона бором. Это именно та реакция, которая нужна для лечения. Она разрушает клетки опухоли, в которых бор накапливается активнее всего. Остальные компоненты, получаемые при облучении пациента, то есть дозы от тепловых нейтронов, от быстрых нейтронов и гамма-излучения, мы условно называем вредными, поскольку они неселективные. Для качественного проведения терапии нужно обеспечить максимальное преобладание полезной компоненты над всеми остальными, поэтому так важно провести дозиметрию излучения».

Увеличение доли полезной борной дозы требует замедления нейтронов, в результате чего они и приобретают терапевтические свойства. Эксперименты по измерению пространственного распределения дозных компонент излучения проводили в водном фантоме со специально разработанными датчиками, регистрирующими излучение. Поскольку клетки человека состоят в основном из воды, данный резервуар является достаточно точным приближением. 

Получив результаты компьютерного моделирования и проведя эксперименты с водным фантомом, ученые нашли материал для замедлителя, более подходящего для терапии, чем обычно рассматриваемый фторид магния. 

Разработанный метод поможет в краткие сроки вычислять оптимальные формы замедлителя в конкретных случаях, задавать разные параметры пучка и оценивать вклад каждой дозы. Результаты расчетов показали, что можно подобрать форму замедлителя, которая позволяет увеличить отношение борной дозы к остальным компонентам до шести раз, используя при этом меньшую энергию протонного пучка.

«С помощью моделирования мы можем детально посмотреть распределение дозы в 3D во всей голове человека и учесть расположение опухоли, что незаменимо при реальной терапии, когда невозможно поместить датчики в голову пациента для оценки дозы, — добавила Татьяна Викторовна Сычева, инженер ИЯФ СО РАН. — Однако наши возможности ограничены ресурсами. Например, сейчас мы анализируем лишь двумерный срез небольшой области водного фантома, так как расчеты требуют значительного объема времени. Для того чтобы моделировать процессы при терапии в реальном времени, нужны дополнительные вычислительные мощности. Подобная инфраструктура уже есть в Сибирском суперкомпьютерном центре СО РАН, где можно использовать сразу несколько вычислительных узлов по 32 вычислительных ядра и производительностью 1331.2 миллиарда операций с плавающей точкой за секунду (Gflop/s)».

Использование вычислительных ресурсов суперкомпьютеров позволит математикам усовершенствовать дозиметрию излучения в БНЗТ. Новые разработки подкрепят прогресс в применении терапии, наблюдаемый в ИЯФ СО РАН на протяжении последних десяти лет. Так, например, в институте уже был реализован метод измерения суммарной дозы быстрых и тепловых нейтронов, а для измерения борной дозы разработан детектор с полистирольным сцинтиллятором.

 

Глеб Сегеда

Источник информации и фото: Управление по пропаганде и популяризации научных достижений СО РАН