ИСТОЧНИК ДЛЯ БРАХИТЕРАПИИ

Полезная модель относится к радиоактивным источникам, применяемым в брахитерапии онкологических заболеваний. Брахитерапией называется такой способ лечения рака, при котором источники радиоактивного излучения размещают в теле непосредственно в опухолевой области. При высокодозовой брахитерапии радиоактивный источник вводится в область очага с помощью катетеров с возможностью дистанционного перемещения по катетерам в соответствии с планом облучения.
Источники для брахитерапии представляют собой в общем случае герметичную капсулу, выполненную из различных материалов, (например, неорганических), внутри которой размещают источник излучения в виде сердечника из радиоактивного материала. Это так называемые закрытые радионуклидные источники (патенты РФ 2277953, оп. 20.06.06, 2251437, оп 10.05.05. 2343935, 20.01.09, 101367, оп. 20.01.2011, патент США 7530941, оп. 12.05.09).
Для высокодозовой брахитерапии (ВДБ) в настоящее время в основном используются два типа закрытых радионуклидных источников: на основе кобальта-60 и иридия-192.
Большая проникающая энергия гамма-излучения кобальта-60 приводит к существенному переоблучению жизненно важных органов пациентов. Кроме того, необходимы большие капитальные вложения на строительство кабинетов ВДБ (каньоны из тяжелого бетона). Транспортировка этих источников также требует тяжелых контейнеров. По этой причине источники для ВДБ на основе кобальта-60 все реже используются в лечебной практике.
Спектр гамма-излучения Иридия-192 существенно более мягкий по сравнению с кобальт-60 (центр энергии излучения лежит в области E=0,36 МэВ). Удельная активность этого радионуклида (в зависимости от условий облучения) может достигать 1,0 кКи/г, что позволяет создавать высокоинтенсивные закрытые источники малых размеров диаметром 0,6 мм и длиной 3,5 мм с активностью 10 Ки и более. Для ряда локализаций новообразований высокая средняя энергия гамма-излучения иридия не позволяет применять ВДБ с этими источниками из-за радиочувствительности жизненно-важных органов (мочевой пузырь, уретра, полость рта и др). Кроме того, использование этих источников также требует относительно тяжелой биологической защиты кабинетов ВДБ.
В настоящее время в качестве перспективного радионуклида для ВДБ рассматривается иттербий-169. Все преимущества использования источников на основе иттербия-169 обусловлены, во-первых, мягким энергетическим спектром гамма-лучей и, во-вторых, его высокой удельной активностью.
Ядерно-физические свойства иттербия-169:
- Мягкий спектр излучения (центр спектра излучения иттербия-169 расположен в области 93 кэВ; центр спектра излучения для иридия-192 - в области 360 кэВ)
- Высокая удельная активность (может достигать 14 кКи/г при облучении высокообогащенного изотопа иттербий-168), что примерно на порядок выше чем для иридия-192 (1,0 кКи/г).
- Период полураспада составляет 32 дня (для иридия-192 - 83 дня).
Ввиду более низкой средней энергии излучение иггербия-169 более эффективно (в разы) поглощается в защите в сравнении с излучением иридия-192. Таким образом, значительно повышается доступность ВДБ для лечения, поскольку не требуется создания дорогих защитных сооружений.
3
За прототип принят источник для брахитерапии, описанный в патенте РФ на полезную модель, №101367 оп. 20.01.2011. Источник представляет собой герметичную капсулу, которая может быть выполнена из различных неорганических материалов, алюминия, титана и др., в которой расположен сердечник, содержащий иттербий с концентрацией изотопа иттербий-168 в диапазоне 15-30 ат.%. При этом плотность частично пористого материала сердечника лежит в пределах 5-8,5 г/см. После облучения капсулы в канале атомного реактора в ней образуется радионуклид иттербий-169, энергия излучения которого не превышает 310 кэВ, а активность источника может достигать 30 Ки. На наружную поверхность капсулы нанесено сплошное герметизирующее покрытие, которое может быть выполнено из металлов или оксидов или нитридов металлов толщиной 0.5-5.0 мкм. Покрытие также может быть представлять собой никель-фосфорное покрытие. Герметичная капсула с сердечником затем помещается в контейнер из нержавеющей стали с поводком и в таком виде используется в аппаратах для высокодозовой брахитерапии.
Размеры источника: диаметр ~1 мм, длина 2,5…4,2 мм.
Источник для В ДБ должен удовлетворять следующим требованиям:
- диаметр источника не должен превышать 0,6 мм, а длина - не более 3,5 мм, т.к. современные аппараты для контактной лучевой терапии имеют уменьшенные посадочные места для источников исходя из требования максимального приближения источника к месту локализации опухоли;
- начальная активность источника исходя из сложившейся врачебной практики должна составлять для иридия не менее 10 Ки.
Изготовление указанного прототипа иттербиевого источника представляет сложности по следующим причинам:
- при требуемом внешнем диаметре титановой капсулы 0,6 мм внешний диаметр керамического сердечника не должен превышать 0,35 мм (толщина стенок титановой капсулы должна быть не менее 0,1 мм для последующей надежной герметизации титановой капсулы, например, лазерной сваркой);
3
- объем такого керамического сердечника при длине 3,5 мм будет составлять 0,35 мм при массе частично пористого оксида иттербия не более 3,0…3,5 мг, что делает труднореализуемым получение активности 10 Ки и выше даже в наиболее мощных реакторах;
- герметизация титановой капсулы удлиняет технологическую цепочку и увеличивает трудоемкость изготовления «холодного» источника.
Техническим результатом, на которое направлена полезная модель, является повышение активности источника за счет замены материалов сердечника и упрощения конструкции устройства, а именно за счет отказа от внутренней титановой капсулы для герметизации сердечника.
Для достижения указанного результата предложен источник для брахитерапии, состоящий из герметичного контейнера с расположенным в нем сердечником, выполненным из материала, содержащего иттербий, а именно, сердечник выполнен из сверхплотной керамики радиоактивного оксида иттербия, содержащего иттербий-169.
При этом сердечник может быть выполнен из кубической фазы оксида иттербия,
или из моноклинной фазы оксида иттербия,
или из смеси кубической и моноклинной фазы оксида иттербия.
При этом плотность оксида иттербия должна быть не ниже 9,1 г/см.
Также,
- контейнер выполнен из нержавеющей стали
- на наружную поверхность сердечника нанесено сплошное герметизирующее покрытие с толщиной 0,5-5 мкм.
При этом может быть нанесено никель-фосфорное покрытие или покрытие из органического материала с низким молекулярным весом
При этом сердечник может быть выполнен выполнен составным.
Для преодоления недостатков прототипа предлагается изготовление керамического сердечника из сверхплотной керамики оксида иттербия.
Использование сверхплотной керамики имеет следующие преимущества:
- можно отказаться от использования герметичной титановой капсулы, так как изготовленный из такой керамики сердечник имеет остеклованную поверхность и является закрытым радиоактивным источником;
- отказ от титановой капсулы позволяет увеличить диаметр сердечника до 0,6 мм и довести его объем до 1 мм3(при длине - 3,5 мм) с увеличением его массы до 10 мг;
14
2
- при использовании оксида иттербия с обогащением по иттербию-168 на уровне 20%, активность такого сердечника (в зависимости от условий облучения в реакторе) составляет 15…18 Ки. При использовании оксида иттербия с обогащением по иттербию -168 на уровне 40…45% активность источника (при облучении в реакторах с плотностью потока нейтронов 4*10 н/см сек) может превышать 30 Ки;
- существенно уменьшается трудоемкость изготовления «холодных» источников за счет исключения операции сварки и контроля герметичности титановой капсулы.
Облученный в атомном реакторе сверхплотный керамический сердечник вставляется непосредственно в цилиндрическую упаковку из нержавеющей стали с поводком аппарата для контактной лучевой терапии (например «АГАТ») и герметизируется, например, с помощью лазерной сварки.
Получение сверхплотной керамики оксида иттербия обеспечивают с помощью следующих основных операций:
- исходный порошок кубической модификации оксида иттербия формуют в металлической пресс-форме при давлении 1.0-5.0 ГПа;
изделие отжигается в печи сопротивления на воздухе при 400-550°C в течение 1-2 часов;
- изделие спекается в условиях высоких давлений и температур для получения беспористого материала из кубической, смеси кубической с моноклинной или моноклинной модификации оксида иттербия.
Термобарические параметры спекания выбирают из диапазонов по давлению от 2.0 до 8.0 ГПа, а по температуре от 600 до 1500°C.
Время выдержки при температуре спекания выбирают в зависимости от конкретных параметров из диапазона 5-100 секунд.
Предлагаемые границы по давлению при формовании порошка оксида иттербия определяются геометрическими размерами изделия.
Температура и время отжига в печи определяются задачей полного удаления из сформованного изделия влаги и получения стехиометрического состава оксида иттербия без уплотнения изделия.
Термобарические параметры и время выдержки под давлением выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование сверхплотного изделия из кубической фазы оксида иттербия или ее частичной или полной трансформации в моноклинную модификацию. Использование давления ниже 2.0 ГПа нецелесообразно из-за слишком высокой температуры спекания кубической модификации, а при давлениях выше 8.0 ГПа происходит быстрое разрушение твердосплавных частей камер высокого давления.
При температурах ниже 600°C процесс спекания кубической фазы, а также ее перехода в моноклинную заторможен и требует длительных времен выдержки, связанных с с дополнительными затратами энергии, а при температурах выше 1500°C наблюдается интенсивная собирательная рекристаллизация, что в условиях спекания под давлением приводит к появлению в образцах микротрещин.
Для аттестации образцов после термобарической обработки их плотность измеряли гидростатическим взвешиванием, фазовый состав определяли при помощи рентгеновских методов, а размер кристаллитов и наличие примесей анализировали на сканирующем электронном микроскопе.
3
Исходная частично пористая кубическая форма оксида иттербия имеет плотность в диапазоне 5…8,5 г/см.
3
Сверхплотная (беспористая) кубическая фаза иттербиевой керамики имеет плотность 9,12 г/см.
3
3
3
Сверхплотная (моноклинная фаза) керамика имеет плотность 10,1 г/см, поэтому керамический сердечник диаметром 0,6 мм и длиной 3,5 мм имеет объем 1 мм и массу 10 мг.
При обогащении оксида иттербия по изотопу иттербий-168 на уровне 20-22% удельная активность сердечника при облучении в высокопоточном реакторе составляет 1,5-1,8 Ки/мг. Поэтому становится вполне реально создание высокодозовых источников на основе сверплотной керамики оксида иттербия с начальной активностью 15-18 Ки. Создание источников с активностью 30 Ки и выше возможно при использовании оксида иттербия с обогащением по иттербию-168 на уровне 40-45%.
Сверхплотные керамические источники имеют хорошие механические свойства и остеклованную поверхность, что упрощает процесс упаковки таких источников в аппараты для контактной лучевой терапии.
Для уменьшения выхода радиоактивных продуктов из сердечника при упаковке его в контейнер из нержавеющей стали в «горячей» камере и снижения загрязнения камеры предлагается нанесение на поверхность сердечника после извлечения его из канала атомного реактора герметизирующего сплошного покрытия из неорганических материалов: тонкие слои металлов, оксидов, нитридов и др. При этом толщина покрытия составляет 0.5-5 мкм.
Например, возможен способ химического покрытия сердечников металлическим никелем или никель-фосфорным покрытием.
Для уменьшения выхода радиоактивных продуктов из сердечника при работе с ним в «горячей» камере и снижения загрязнения камеры предлагается нанесение на поверхность сердечника до облучения его в атомном реакторе герметизирующего сплошного покрытия толщиной до 5 мкм из органических материалов с низким молекулярным весом (например, полиэтилен).