Регистрация / Вход
Прислать материал

Анализ характера взаимодействия ионизирующего излучения с модифицированным АБС–пластиком

Сведения об участнике
ФИО
Данилова Ирина Борисовна
Вуз
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский Томский политехнический университет»
Тезисы (информация о проекте)
Область наук
Физика и астрономия
Раздел области наук
Ядерная физика. Физика элементарных частиц и полей. Космология. Физика ускорителей и детекторов
Тема
Анализ характера взаимодействия ионизирующего излучения с модифицированным АБС–пластиком
Резюме
Настоящая работа включает в себя исследование профилей и глубинных распределений дозы гамма и электронного излучений в АБС-пластике с металлическими примесями разной концентрации, их численное моделирование методом Монте-Карло, с последующим изготовлением материалов с заданной плотностью и их анализом с помощью методов рентгеновской компьютерной томографии.
Ключевые слова
Гамма-излучение, электронный пучок, поглощенная доза, Монте-Карло метод, АБС-пластик, пластограф, рентгеновская компьютерная томография
Цели и задачи
Целью данной работы является теоретическое и экспериментальное исследование характера взаимодействия ионизирующего излучения с АБС-пластиком, имеющим металлические примеси разной концентрации.
Для реализации данной цели были поставлены следующие задачи:
1. Проведение расчета плотностей тестовых материалов.
2. Проведение теоретической оценки взаимодействия гамма излучения и электронных пучков с модифицированным АБС-пластиком с помощью численного моделирования методом Монте-Карло.
3. Изготовление тестовых материалов на основе АБС-пластика.
4. Исследование тестовых материалов методами рентгеновской компьютерной томографии, определение индексов Хаунсфилда.
Введение

Методы, основанные на использовании ионизирующих излучений, являются неотъемлемой частью современной медицины, включающие в себя как диагностику различного вида заболеваний, так и лучевую терапию злокачественных и доброкачественных новообразований.

При работе с ионизирующим излучением всегда возникают задачи связанные с подготовкой и планированием процедуры облучения пациента.

Актуальным является создание технологии, позволяющей изготавливать фантомы (модели конкретного пациента) для имитации взаимодействия терапевтических и диагностических пучков ионизирующего излучения с телом пациента, что позволило бы разрабатывать экспериментальные методы планирования подобных медицинских процедур с индивидуальным подходом.

Методы и материалы

В данном исследовании в качестве тестовых материалов был использован АБС-пластик с металлическими примесями разных концентраций.

Численное моделирование для оценки характера взаимодействия ионизирующего излучения с модифицированным АБС-пластиком проводилась в программе «Компьютерная лаборатория (PCLab)» версии 9.6. Данный программный пакет позволяет рассчитывать процессы распространения фотонов, электронов, позитронов и протонов в веществе, посредством применения метода Монте-Карло.

Для расчетов источником гамма-излучения был выбран аппарат “Theratron 780”, который выполнен на основе радионуклида кобальт-60. В качестве источника электронных пучков был выбран микротрон ТПУ.

В настоящей работе смешивание АБС-пластика с различными концентрациями металлических примесей производилось с помощью пластографа Brabender Plastograph EC Plus.

Для исследования свойств рентгеноплотности и определения индексов Хаунсфилда изготовленных материалов, образцы изучали на 16-срезовом компьютерном томографе Siemens SOMATOM Emotion.

Для исследования однородности распределения металлической примеси в пластиковом филаменте был использован микротомограф «Орел-МТ».

Описание и обсуждение результатов

В данной работе с помощью численного моделирования методом Монте-Карло в программном комплексе “Компьютерная лаборатория (PCLab)” был проведен теоретический анализ взаимодействия гамма-излучения (рисунок № 1) и электронного пучка (рисунок № 2) с модифицированным АБС-пластиком. Созданные модели позволяют получить количественную оценку взаимодействия фотонных и электронных пучков с материалами разной плотности.

Рисунок № 1. Глубинные распределения поглощенных доз для АБС-пластика с примесями свинца и цинка: а) плотность 1.5 г/см3, б) плотность 2.5 г/см3

Рисунок № 2. Глубинное распределение дозы электронного пучка в модифицированном АБС-пластике

При проведении исследования было установлено, что даже небольшое изменение концентраций тяжелых элементов в пластиковом филаменте существенно влияет на характер взаимодействия гамма-излучения и электронных пучков с тестовыми материалами. Такое свойство очень полезно, так как позволяет точно задавать итоговые значения индексов Хаунсфилда разрабатываемых тестовых материалов.

Хорошее согласие экспериментальных данных определения плотностей тесовых материалов, на примере АБС-пластика с разной концентрацией примеси меди, с расчетным методом, говорит об эффективности выбранного метода изготовления образцов (рисунок № 3).

Рисунок № 3. Зависимость плотности исследуемого материала от концентрации меди

Данные, полученные методами рентгеновской компьютерной томографии, по оценке равномерности смешивания АБС-пластика с металлическим порошком (рисунок № 4), говорят об однородности распределения металлической примеси в пластиковом филаменте, что еще раз указывает на эффективность выбранного метода изготовления образцов.

Рисунок № 4. Томографический срез иллюстрирующий однородность распределения металлической примеси в пластиковом филаменте

Индексы Хаунсфилда изготовленных тестовых образцов, полученные с помощью клинического рентгеновского компьютерного томографа, соответствуют рентгеноплотностям человеческих органов и тканей, как следствие данные материалы пригодны для создания медицинских дозиметрических фантомов.

Общим итогом данного исследования является разработка метода, позволяющего создавать материалы с заданной рентгеновской плотностью. Данный метод основан на использовании характеристик материалов, рассчитанных с учетом специфики взаимодействия конкретного ионизирующего излучения, и включает в себя изготовление образцов из этих материалов.

Перспективой развития данной работы является создание индивидуальных фантомов, с высокой точностью имитирующих структуры человеческого тела, для разработки экспериментальных методов подготовки и планирования радиотерапевтических и диагностических процедур, что позволит существенно повысить их качество.

Используемые источники
1 Климанов В.А. Радиобиологическое и дозиметрическое планирование лучевой и радионуклидной терапии. Часть 1. Уч. Пос. НИЯУ МИФИ, Москва, 2011. С 500
2 Баева Л.С., Маринин А.А. Вестник МГТУ, 2014. Т. 17. № 1. С 7-13
3 Theratron 780: http://ru.medwow.com/med/cobalt-linear-accelerator/theratronics/theratron-780c/25942.model-spec
4 Науменко Г.А., Потылицын А.П., Шевелёв М.В., Попов Ю.А. Письма в ЖЭТФ, 2011. Т. 94, вып.4. С 280–283
5 Беспалов В.И. Компьютерная лаборатория. ТПУ. Томск, 2015. С 115
6 Siemens SOMATOM Emotion: http://healthcare.siemens.ru/imaging/computed-tomography/singlesource_CT/somatom_emotion
7 Brabender Plastograph EC: http://www.brabender.com/english/plastics/products/rheometerdrive-units/plastographr-ec-plus.html
8 Микротомограф Орел-МТ: http://portal.tpu.ru/departments/laboratory/tti/products/orel_tomo
Information about the project
Surname Name
Danilova Irina
Project title
The analysis of the radiation interaction with the modified ABS-plastic
Summary of the project
The present research includes the investigations of the profile and depth dose distribution of the gamma-radiation and electron beam in the ABS-plastic with metal impurities of different concentrations and its numerical simulation by Monte Carlo method, followed by the materials creation with a predetermined density and analysis of the samples by X-ray computed tomography.
Keywords
Gamma-radiation, electron beam, absorbed dose, Monte-Carlo method, ABS- plastic, plastograph, X-ray computed tomography