КОЛЛИМАТОР ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ФОРМЫ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ПРОЦЕДУРЫ ЭЛЕКТРОННОЙ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

Полезная модель относится к области медицины и предназначена для использования в процедурах электронной лучевой терапии с индивидуальной формой поля излучения.
Коллиматор электронного пучка представляет собой изделие с размерами, обеспечивающими полное перекрытие пучка электронов, изготовленное из материала, поглощающего электроны, с внутренним отверстием заданной формы. Электронный пучок, проходя через коллиматор, полностью поглощается в материале изделия за пределами отверстия. Таким образом, после прохождения коллиматора пучок электронов по форме соответствует форме отверстия.
Известен коллиматор индивидуальной формы, описанный в патенте US №4700451B1, [МПК A61N5/01, опубл. 20.08.1996]. Данный коллиматор выполнен из металлического сплава (обычно используется сплав Вуда) путем отливки вокруг пенопластового блока, который по форме повторяет необходимую форму отверстия, которая обычно соответствует проекции области облучения на плоскость перпендикулярную направлению облучения и получается из рентгеновского снимка пациента. Главным недостатком такого коллиматора является большое отличие границ полученного отверстия от требуемых, поскольку в процессе отливки коллиматора пенопластовая деталь деформируется, и итоговая форма коллиматора отличается от планируемой. Кроме того, для изготовления таких коллиматоров используется сплав Вуда, который токсичен, поскольку содержит свинец и кадмий, и попадание сплава Вуда на оголенную кожу вызывает раздражение. Также известно, что пары из сплавов, содержащих кадмий, представляют опасность для человека, так как отравление кадмием несет в себе риск развития рака, аносмии (потери обоняния) и повреждения печени, почек, нервов, костей и дыхательной системы. Техническое решение характеризуется дороговизной, а также длительностью процесса отливки коллиматоров: более двух дней затрачивается на отливку одного коллиматора.
Известен коллиматор индивидуальной формы, принятый за прототип, описанный в заявке на патент CN №103505819A, [МПК A61N5/10, опубл. 15.01.2014]. Данный коллиматор представляет собой матрицу из гипсового порошка, распечатанную с использованием 3D-принтера Z Corp. Zprinter 350, заполненную порошком из сплава Вуда с размером частиц 840 мкм и спрессованным с помощью пуансона для прессования порошка до получения монолитной структуры. При этом внешние границы гипсовой матрицы выполнены так, чтобы иметь возможность расположения полученного коллиматора в аппликаторе, а внутренние границы повторяют форму индивидуально заданного отверстия, соответствующего плану облучения.
Главным недостатком данного технического решения является использование для заполнения матрицы коллиматора порошком из сплава Вуда, который при изготовлении или утилизации коллиматора оказывает негативное влияние на организм. Кроме того, прототип характеризуется дороговизной, поскольку сплав Вуда обладает высокой себестоимостью (не менее 3 тыс. руб./кг). К недостаткам этого технического решения следует отнести невысокую точность изготовления матриц коллиматоров на гипсовых 3D-принтерах.
Общим существенным признаком с заявляемой полезной моделью является использование 3D-печати матрицы коллиматора, у которой внутренние границы, выполнены повторяющими форму индивидуально заданного отверстия, соответствующего плану облучения.
Задачей настоящей полезной модели является разработка недорогого, простого в изготовлении, точно повторяющего границы индивидуально заданной области облучения, коллиматора.
Технический результат заключается в расширении арсенала индивидуальных коллиматоров для проведения процедур электронной лучевой терапии при одновременном обеспечении надежности его крепления в аппликаторе, снижении себестоимости и повышении безопасности и скорости изготовления изделия.
Технический результат достигается тем, что индивидуальный коллиматор для проведения процедуры электронной лучевой терапии изготовлен методом 3D-печати с внутренним контуром соответствующим  сформированному  в системе планирования лучевой терапии плану облучения. Индивидуальный коллиматор состоит из монолитных слоев термопластичного материала, общая толщина которых рассчитана в соответствии с требуемой по плану лучевой терапии мощностью электронного пучка из экспериментально полученной зависимости распределения поглощенной дозы от глубины для  материала, выбранного для 3D-печати,  при условии полного поглощения пучка электронов и вторичного излучения, при этом нижняя часть коллиматора выполнена с толщиной и размерами внешнего контура соответствующими толщине и размерам внутреннего контура держателя аппликатора, а внешние размеры остальной части коллиматора соответствуют внутренним размерам стандартного аппликатора ускорителя.
Оптимально в качестве термопластичного материала индивидуального коллиматора использовать ударопрочный полистирол.
Рекомендуется в качестве термопластичного материала индивидуального коллиматора использовать акрилонитрилбутадиенстирол.
Допускается в качестве термопластичного материала индивидуального коллиматора использовать полилактид.
Выполнение нижней части коллиматора с толщиной и размерами внешнего контура соответствующими толщине и размерам внутреннего контура держателя аппликатора обеспечивает надежное фиксацию коллиматора в аппликаторе, тем самым предотвращая боковое смещение и соскальзывание коллиматора с аппликатора.
В предлагаемом техническом решении не используются порошки металлов, которые при попадании в организм в процессе изготовления или утилизации коллиматора могут приводить к нежелательным последствиям для организма.
Применение метода 3D-печати для изготовления монолитного коллиматора позволяет существенно сократить длительность этого процесса.
Использование экспериментально полученных зависимостей распределения поглощенной дозы электронного пучка от глубины для различных материалов позволяет подобрать толщину коллиматора, необходимую для полного поглощения пучка электронов, и выбрать оптимальный с точки зрения скорости и себестоимости материал для печати, а именно ударопрочный полистирол, акрилонитрилбутадиенстирол или полилактид.
Предложенная полезная модель может быть изготовлена из термопластичного материала без дорогостоящего вспомогательного оборудования, а также обладает пониженной себестоимостью коллиматора, напечатанного на 3D-принтере (до 500 рублей), что на порядок ниже стоимости коллиматора-прототипа.
Полезная модель поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 изображен вид коллиматора сбоку, совмещенный с центральным разрезом.
На фиг. 2 изображен вид коллиматора снизу.
На фиг. 3 представлена экспериментально полученная зависимость распределения поглощенной дозы электронного пучка от глубины для ударопрочного полистирола (HIPS пластика) для пучка с энергией 6, 12,18 МэВ.
Коллиматор индивидуальной формы для проведения процедуры электронной лучевой терапии состоит (фиг. 1, фиг. 2) из множества монолитных слоев термопластичного материала, изготовленных посредством 3D-печати. Конструктивно коллиматор состоит из верхней части 1, с размерами внешнего контура соответствующими внутренним размерам стандартного аппликатора ускорителя 2, а также нижней части 3,  выполненной с толщиной и размерами внешнего контура соответствующими толщине и размерам внутреннего контура держателя аппликатора 4. Также в коллиматоре есть сквозное отверстие 5, форма которого определяется в соответствии с сформированным  в системе планирования лучевой терапии планом облучения пациента. Толщина коллиматора определяется согласно требуемой по плану лучевой терапии мощностью электронного пучка из экспериментально полученной зависимости распределения поглощенной дозы от глубины (фиг. 3) для материала, выбранного для 3D-печати. В качестве материала коллиматора можно использовать акрилонитрилбутадиенстирол, ударопрочный полистирол либо полилактид.
Коллиматор после изготовления посредством 3D-печати устанавливается в держатель стандартного аппликатора медицинского ускорителя и готов к использованию в процедурах электронной лучевой терапии.
Полезная модель иллюстрируется следующим примером. В системе планирования лучевой терапии XiO был составлен план облучения пациента с заданной формой распределения поля электронов для клинического ускорителя ONCOR Impression Plus фирмы Siemens. Форма пучка была экспортирована из системы планирования лучевой терапии в виде файла трехмерной модели в формате .stl  и программным обеспечением преобразована в файл трехмерной модели коллиматора  для 3D-принтера. Энергия электронного пучка по плану облучения составила 6 МэВ, максимальная толщина коллиматора подбиралась для выполнения условия полного поглощения пучка электронов в HIPS-пластике и составила 5,0 см. Внешние размеры верхнего слоя коллиматора были выбраны в соответствии с внутренними размерами стандартного аппликатора ускорителя и составили 10 см. Толщина нижней части 3 коллиматора выбиралась исходя из толщины держателя аппликатора 4 и составила 0,7 см, соответственно толщина верхней части 1 составила 4,3 см. Размеры внешнего контура нижней части 3 выбирались исходя из размеров внутреннего контура держателя аппликатора 4 и составили 9 см. В качестве термопластичного филамента для 3D-печати использовался HIPS-пластик (производитель – Bestfilament). Диаметр нити используемого филамента – 2,85 мм.  Для печати использовали 3D-принтер «UP1 Plus 2» (диаметр сопла экструзионной головки – 400 мкм). Толщина слоя составляла 600 мкм, печатали со скоростью передвижения экструзионной головки 20 мм/мин. Температура рабочей платформы 3D-принтера составляла 90° С. Расход нити филамента на изготовление одного коллиматора составил 495 гр., при цене филамента 1000 руб./кг, цена готового коллиматора составила примерно 500 рублей, что на порядок ниже цены аналогичного коллиматора-прототипа путем прессования порошка сплава Вуда в гипсовой матрице (оценка дала стоимость примерно 6350 рублей).
Реализация заявляемого технического решения позволяет обеспечить создание недорогого, простого в изготовлении, точно повторяющего границы индивидуально заданной области облучения, коллиматора с надежным закреплением в стандартном аппликаторе ускорителя, что уменьшает риск смещения и соскальзывания коллиматора из аппликатора и минимизирует облучение прилегающих здоровых тканей.