Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В рамках выполнения работ по первому году реализации проекта были разработаны численные модели пластиков, «утяжеленных» металлическими примесями, использующихся для создания изделий методами трехмерной печати. В качестве базового материала был выбран ПЛА пластик (полилактид), медь рассматривалась в качестве примеси. Были исследованы как материалы серийного производства, например, BFCopper – металлонаполненный пластик на основе ПЛА с примесью меди, так и специально изготовленные филаменты, плотность которых может варьироваться в зависимости от количества медной примеси в пластиковой основе. В работе были исследованы пять материалов, пригодных для изготовления изделий методом послойного наплавления: ПЛА пластик без утяжеляющих примесей (PLA); ПЛА пластик с 3,5% примеси меди (PLA+3,5%Cu); ПЛА пластик с 6,5% примеси меди (PLA+6,5%Cu); ПЛА пластик с 14% примеси меди (PLA+14%Cu); ПЛА пластик с 16% примеси меди (BFCopper). Модели исследуемых материалов создавались в соответствии с параметрами, которые должны быть учтены при численном моделировании с помощью инструментария Geant4, а именно – плотность, которая определялась массовым методом для исследуемых филаментов, химический состав и средняя энергия возбуждения при взаимодействии с ионизирующем излучением. Затем были разработаны виртуальные модели терапевтических электронных пучков с энергией 6 и 10 МэВ интраоперационного линейного ускорителя. В данной работе была рассмотрена типичная схема формирования электронного пучка интраоперационного линейного ускорителя, включающая в себя: выходное окно из вакуумной камеры (титан), рассеивающую фольгу (сталь), первичный коллиматор (свинец), выравнивающий фильтр (алюминий), мониторную ионизационную камеру проходного типа. Дополнительно был добавлен аппликатор, представляющий собой пластиковый тубус (полиметилметакрилат), позволяющий формировать поле диаметром 5 см. Виртуальные модели пучков были верифицированы в соответствии с полученными экспериментальными данными глубинных распределений доз электронов в водном фантоме. Определено, что для номинальной энергии электронного пучка равной 6 МэВ средняя расчетная энергия составила 6,8 МэВ (σ=2%), для 10 МэВ – 9,9 МэВ (σ = 2%). На основе разработанных численных моделей материалов и электронных пучков интраоперационного линейного ускорителя, был проведен расчет глубинных распределений доз электронов в пластиковых материалах, «утяжеленных» металлическими примесями. Определено, что наличие медной примеси позволяет изменить характер глубинного распределения дозы электронов. На следующем этапе был проведен выбор оборудования трехмерной печати, наиболее подходящего для решения поставленных задач и определены особенности изготовления образцов из новых материалов, «утяжеленных» металлическими примесями. Для решения задач настоящего проекта был выбран метод послойного наплавления. Значительным преимуществом данного метода является возможность создания детализированных объектов с высокой сложностью геометрических форм, в которых могут содержаться нависающие элементы и полости. При использовании филаментов из нетипичных материалов, «утяжеленных» металлической примесью, могут возникать различные ошибки печати, которые как следствие могут привести к браку готового изделия или выходу из строя самого принтера. В связи с этим, отдельно для каждого используемого в проекте филамента экспериментально были определены оптимальные параметры печати. Методом послойного наплавления с помощью устройства быстрого прототипирования были изготовлены тестовые объекты. В зависимости от плотности филамента, а, значит, концентрации утяжеляющей примеси, при печати изменялась температура экструдера в соответствии с оптимизированными параметрами печати: PLA – 215°С; PLA+3,5%Cu – 220°С; PLA+6,5%Cu – 220°С; PLA+14%Cu – 220°С; BFCopper – 225°С. Все образцы печатались с линейным рисунком заполнения. Было проведено томографическое исследование напечатанных образцов. Получены значения КТ-индексов изготовленных изделий: PLA – +145±20 HU; PLA+3,5%Cu – +420±20 HU, дя PLA+6,5%Cu – +710±20 HU; PLA+14%Cu – +1050±20 HU; BFCopper – +1200±20 HU. Определено, что внутренняя структура объектов не имеет скрытых дефектов. Для экспериментального измерения глубинных распределений доз электронов в тестовых образцах, изготовленных из «утяжеленных» пластиков, использовались пленочные дозиметры. Эксперименты были проведены на выведенном электронном пучке интраоперационного линейного ускорителя с энергиями 6 и 10 МэВ. Были получены результаты сравнения экспериментальных и расчетных глубинных распределений доз электронов в исследуемых материалах. Было определено, что экспериментальные и расчетные кривые глубинных распределений доз имеют расхождения в области положения 50% дозы от максимального значения, которые обусловлены тем, что плотности филаментов, которые использовались в предварительном расчете, выше, чем плотности напечатанных объектов, что связанно с особенностями изготовления изделий методом послойного наплавления. В соответствии с этим, численные модели материалов были скорректированы. Были получены новые расчетные кривые с учетом корректировки по плотности, которые сравнивались с экспериментальными данными. Было показано, что скорректированная численная модель хорошо описывает характер поведения кривых глубинных распределений доз электронов во всех исследуемых материалах. Дополнительно были получены расчетные глубинные распределения дозы электронных пучков с энергиями 6, 12 и 15 МэВ в исследуемых материалах с применением модели клинического линейного ускорителя, предназначенного для дистанционного облучения. Для оценки эффективности поглощения высокоэнергетических электронов образцами, изготовленными методом трехмерной печати из пластиков, «утяжеленных» металлическими примесями, были определены основные параметры полученных кривых глубинного распределения доз электронов с энергиями 6 и 10 МэВ в исследуемых материалах и водном фантоме такие, как R100 – глубина в водном фантоме соответствующая положению максимального значения поглощенной дозы, R50 – глубина в водном фантоме, на которой находится 50% поглощенной дозы от максимального значения, Rэ – экстраполированный пробег. Было определено, что использование пластиков, «утяжеленных» металлической примесью, позволяет эффективно сместить положение R100, R50 и Rэ в область меньших глубин по сравнению с водным фантомом. Например, для электронов с энергией 6 МэВ в воде: R100 – 1,03 см; R50 – 2,3 см; Rэ – 3,2 см; и в PLA+6,5%Cu: R100 – 0,67 см; R50 – 1,68 см; Rэ – 2,3 см; а для электронов с энергией 10 МэВ в воде: R100 – 1,36 см; R50 – 3,3 см; Rэ – 4,5 см; и в BFCopper: R100 – 0,85 см; R50 – 2,20 см; Rэ – 3,0 см. На пучке электронов микротрона ТПУ было проведено испытание тестовых образцов на радиационную стойкость. Исследуемые напечатанные образцы помещались в поле действия электронного пучка таким образом, чтобы плоскость печати была перпендикулярна центральной оси распространения пучка. В процессе облучения образцы поглощали дозу 60 Гр. Мощность дозы за образцом фиксировалась каждую секунду с помощью плоскопараллельной ионизационной камеры клинического дозиметра. После чего была проведена нормировка на значение мощности дозы открытого пучка, получаемого при помощи опорного проходного детектора ускорителя. Было определено, что коэффициент поглощения излучения для исследуемых напечатанных объектов остается постоянным в процессе всего облучения. Такие характеристики образцов как цвет, температура и форма также не изменились после облучения. Это позволило сделать вывод о том, что в диапазоне доз до 60 Гр свойства взаимодействия исследуемых образцов с высокоэнергетическими электронами не меняются. Таким образом, по совокупности изученных в рамках реализации данного этапа проекта свойств напечатанных образцов было определено, что все исследуемые материалы на основе ПЛА пластика, «утяжеленного» медной примесью, могут быть использованы для задач формирования электронных терапевтических пучков.

Аннотация результатов, полученных в 2023 году
В рамках выполнения работ по второму году реализации проекта были проведены численные эксперименты для определения форм и размеров тестовых изделий типа болюс и компенсатор, пригодных для формирования глубинного распределения дозы электронного пучка. Для этого была использована экспериментально верифицированная расчетная модель выведенного электронного пучка с энергиями 6, 12 и 15 МэВ клинического линейного ускорителя, включающая в себя типичную систему формирования поля облучения. Геометрия моделирования дополнялась образцом из пластика, «утяжеленного» металлической примесью, представляющим собой параллелепипед толщиной 1 см или 2,5 см и поперечными размерами 6х6 см. Образцы, располагались либо на поверхности водного фантома – геометрия болюс, либо на расстоянии 5 см от поверхности воды в геометрии компенсатор. После чего проводился расчет глубинного распределения дозы электронного пучка в водном фантоме за исследуемыми материалами. Было определено, что для всех энергий в геометриях болюс и компенсатор – поглотитель толщиной 1 см из ПЛА пластика с 3,5% примеси меди позволяет уменьшить глубину, на которой максимальное значение поглощенной дозы снижается в два раза (R50), на 1,38 см в сравнении с открытым полем; из ПЛА с 6,5% меди – на 1,46 см; из ПЛА с 14% меди – на 1,56 см; из ПЛА с 16% меди – на 1,60 см. Таким образом, расчетные данные могут быть использованы для определения форм и размеров тестовых изделий типа болюс и компенсатор, пригодных для формирования глубинного распределения дозы электронного пучка. Из полученных в расчетах данных были разработаны цифровые модели изделий типа болюс и компенсатор, на основе которых методом послойного наплавления изготавливались физические тестовые образцы. Цифровые модели тестовых объектов типа болюс и компенсатор создавались в соответствии с формой, используемой при численном моделировании, а именно параллелепипеды с размерами 1х6х6 см и 2,5х6х6 см. Тестовые образцы из пластиков, «утяжеленных» металлической примесью, были изготовлены с помощью устройства быстрого прототипирования. На следующем этапе работ проводились экспериментальные исследования по формированию глубинного распределения дозы электронного пучка созданными изделиями типа болюс и компенсатор. Испытания проводились на электронном пучке клинического линейного ускорителя с энергиями 6, 12 и 15 МэВ. Экспериментальное определение глубинного распределения дозы электронного пучка в водном фантоме за исследуемыми образцами проводилось с использованием плоскопараллельной ионизационной камеры. Для реализации геометрии облучения типа болюс, стандартный электронный аппликатор, позволяющий формировать поле облучения размером 6х6 см, дополнялся специально разработанным и изготовленным методом послойного наплавления держателем, позволяющим разместить исследуемые напечатанные образцы болюсов непосредственно на поверхности водного фантома. Геометрия типа компенсатор, предполагает размещение исследуемых образов на расстоянии от водного фантома, имитирующего тело человека. Принимая это во внимание, напечатанные образцы, размещались в стандартном аппликаторе, позволяющем формировать поле облучения размером 6х6 см. Расстояние от переднего края образцов до водного фантома составляло 5 см. Экспериментально определено, что применение образцов, изготовленных из пластиков, «утяжеленных» металлическими примесями, в геометриях болюс и компенсатор, позволяет изменить глубинное распределение дозы электронных пучков с энергиями 6, 12 и 15 МэВ. Определено, что экспериментально полученные глубинные распределения дозы в пределах точности совпадают с результатами моделирования. Далее расчетными и экспериментальными методами была проведена оценка эффективности применения новых пластиков, «утяжеленных» металлическими примесями, для формирования глубинного распределения дозы электронного пучка, в сравнении со стандартными материалами, применяемыми для этих задач, такими как Bolx (Action Products) и парафин. Было определено, что образцы из ПЛА+3,5%Cu толщиной 0,74 см; ПЛА+6,5%Cu – 0,72 см; ПЛА+14%Cu – 0,67 см и ПЛА+16%Cu – 0,66 см по эффективности формирования глубинного распределения дозы электронов с энергиями 6, 12 и 15 МэВ соответствуют стандартным изделиям толщиной 1 см, что позволяет делать подобные изделия более компактными. На следующем этапе был разработан подход к созданию комбинированных напечатанных пластиковых устройств, позволяющих формировать не только глубинное распределение дозы, но и поперечный профиль электронных пучков. Для коллимации пучка осуществлялся выбор необходимой и достаточной толщины образца, обеспечивающей полное поглощение. Для формирования глубинного распределения дозы определялись соответствующие толщины поглотителя переменной толщины. Было определено, что толщины изделий, изготовленных из пластиков, «утяжеленных» металлической примесью, равной 5 см, достаточно для полного поглощения медицинских электронных пучков в диапазоне энергий от 6 до 15 МэВ. Толщины меньше 2,5 см, 4 см и 5 см за счет частичного поглощения электронов могут быть применены для эффективного формирования глубинного распределения дозы электронных пучков с энергиями 6, 12 и 15 МэВ соответственно. Для апробации предложенного подхода были разработаны цифровые модели и на их основе методом послойного наплавления были изготовлены комбинированные устройства, представляющие собой уникальную модульную конструкцию типа компенсатор в сочетании с коллиматором. Устройство позволяет сформировать поле облучения круглого сечения разных диаметров. Использование дополнительных вставок переменной толщины позволяет создать требуемое глубинное распределение дозы. Кроме этого, было создано устройство типа болюс, позволяющее формировать открытое поле облучения заданного размера одновременно с частичным экранированием, сложная геометрия которого выбирается в соответствии с индивидуальными анатомическими особенностями. Экспериментальные исследования по формированию полей облучения при помощи изготовленных комбинированных устройств, показали возможность применения пластиков, «утяжеленных» металлической примесью, для решения терапевтических задач. На завершающем этапе реализации проекта была предложена технология создания индивидуальных устройств, изготовленных методами трехмерной печати, предназначенных для формирования распределения дозы терапевтических электронных пучков. Данная технология включает в себя последовательную реализацию следующих этапов: постановка терапевтической задачи; определение типа формирующего устройства; выбор материала для изготовления формирующего устройства методами трехмерной печати; определение геометрии формирующего устройства в соответствии с поставленной задачей и свойствами выбранного материала; создание цифровой трехмерной поверхности тела человека; создание цифровой трехмерной анатомически точной модели формирующего изделия; изготовление формирующего изделия методом послойного наплавления; экспериментальная верификация плана облучения и проверка соответствия изготовленного изделия поставленной клинической задаче. Апробация предложенной технологии проведена для случая облучения кожи ушной раковины. Методом послойного наплавления был изготовлен анатомически точный болюс из материала ПЛА пластик с 16% примеси меди. Экспериментальные результаты распределения дозы на глубине 1,0 см в твердотельном водоэквивалентном фантоме, полученные с помощью матричного детектора, для открытого поля и поля сформированного сложным поглотителем типа болюс показали, что доза облучения за болюсом уменьшилась в два раза, что соответствовало поставленной задаче. Таким образом, по совокупности полученных в рамках реализации данного этапа проекта результатов было определено, что устройства, изготовленные методом послойного наплавления из материалов на основе ПЛА пластика, «утяжеленных» медной примесью, могут быть использованы для задач формирования электронных терапевтических пучков, как в типовых, так и в индивидуальных анатомически точных конфигурациях.