RU2479329C2 - Nanosecond x-ray apparatus for blood radiation treatment - Google Patents

Abstract

FIELD: medicine.

SUBSTANCE: invention refers to medical equipment, particularly to X-ray engineering, namely to methods for producing biological objects, specifically blood and its components by the use of ionising radiation. A X-ray apparatus for blood radiation treatment comprises a biologically protected radiation blood chamber, an X-ray generator, an X-ray detector and a control panel for setting an absorbed dose required for radiation. The X-ray generator represents a nanosecond frequency electron accelerator with a semi-conductor circuit breaker and a vacuum diode with a metal-ceramic cathode, and the X-ray detector is designed so that to measure the absorbed dose of pulse X-ray radiation.

EFFECT: use of the invention allows higher dose setup rate combined with relatively low quantum energy.

Description

Изобретение относится к области медицины и рентгенотехники, а именно к способам облучения биологических объектов, в частности крови и ее компонентов, ионизирующим излучением.The invention relates to the field of medicine and X-ray technology, and in particular to methods of irradiating biological objects, in particular blood and its components, by ionizing radiation.

Сущность изобретения заключается в том, что биологические объекты, в частности кровь и ее компоненты, облучаются импульсным рентгеновским излучением, генерируемым наносекундным частотным ускорителем электронов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумным диодом с металлокерамическим катодом.The essence of the invention lies in the fact that biological objects, in particular blood and its components, are irradiated with pulsed x-ray radiation generated by a nanosecond frequency electron accelerator with a semiconductor current chopper and a vacuum diode with a ceramic-metal cathode.

Облучение крови применяется в случаях, когда необходимо произвести переливание крови для того, чтобы удалить из переливаемого материала любые возможные чужеродные клетки.Blood irradiation is used in cases when it is necessary to perform a blood transfusion in order to remove any possible foreign cells from the transfused material.

Реципиенты интенсивной химиотерапии, иммуносупрессивной терапии и, особенно, аллогенных трансплантаций гемопоэтических стволовых клеток в течение нескольких месяцев страдают от жесточайшего клеточного иммунодефицита, в значительной степени обусловливающего их жизненный прогноз.Recipients of intensive chemotherapy, immunosuppressive therapy, and especially allogeneic hematopoietic stem cell transplantation, suffer from severe cellular immunodeficiency for several months, which largely determines their life prognosis.

Одной из серьезных опасностей для этой группы больных является развитие посттранфузионной реакции "трансплантат-против-хозяина". Это стопроцентно летальное осложнение является результатом агрессии жизнеспособных лимфоцитов, контаминирующих тромбоцитную взвесь, эритроцитную массу и гранулоцитарную взвесь, против органов и тканей реципиента. Единственным методом борьбы с данным осложнением является облучение препаратов крови. Помимо реципиентов трансплантации гемопоэтических стволовых клеток, облучение препаратов крови необходимо также для детей, получающих иммуносупрессивную терапию, а также трансфузии от родителей и других родственников. В развитых странах облучение клеточных препаратов крови является обязательным вообще перед любой трансфузией у детей.One of the serious dangers for this group of patients is the development of the transplant-versus-host transfusion reaction. This one hundred percent lethal complication is the result of aggression of viable lymphocytes contaminating platelet suspension, erythrocyte mass and granulocyte suspension, against the organs and tissues of the recipient. The only way to combat this complication is to irradiate blood products. In addition to hematopoietic stem cell transplant recipients, irradiation of blood products is also necessary for children receiving immunosuppressive therapy, as well as transfusions from parents and other relatives. In developed countries, irradiation of cellular blood products is mandatory in general before any transfusion in children.

Отраслевой классификатор "Консервированная кровь человека и ее компоненты", утвержденный приказом Минздрава России 31 января 2002 г. (№25), предусматривает изготовление 18 трансфузионных сред, подвергаемых облучению с целью обеспложивания Т-лимфоцитов и профилактики развития болезни "трансплантат против хозяина" [4].The industry classifier “Canned human blood and its components”, approved by order of the Ministry of Health of Russia on January 31, 2002 (No. 25), provides for the manufacture of 18 transfusion media that are irradiated in order to provide T-lymphocytes and prevent the development of the graft versus host disease [4 ].

Известно изобретение [1]. Сущность изобретения заключается в том, что биологические объекты, в частности кровь и ее компоненты, облучаются импульсным рентгеновским излучением, при этом поглощенная в воздухе доза вблизи выходного окна облучателя составляет 1-5 Гр за импульс. Необходимая для подавления лимфоидных клеток доза (12-20 Гр) достигается в пятне диаметром 12 см на расстоянии 5 см от окна за 16 мин при работе облучателя с частотой 0,5 Гц. Способ реализуется с помощью малогабаритного импульсного ускорителя АРСА, разработанного во Всероссийском научно-исследовательском институте экспериментальной физики Министерства Российской Федерации по атомной энергии. Длительность импульса рентгеновского излучения на полувысоте 10 нс, средняя энергия в спектре 130 кэВ, доза в воздухе вблизи выходного окна 5 Гр. К недостаткам данного ускорителя можно отнести высокую энергию ускоренных электронов - 1 МэВ [2], что существенно усложняет создание биологической защиты, а также низкую частоту работы ускорителя.Known invention [1]. The essence of the invention lies in the fact that biological objects, in particular blood and its components, are irradiated with pulsed x-ray radiation, while the dose absorbed in the air near the exit window of the irradiator is 1-5 Gy per pulse. The dose (12-20 Gy) necessary for suppressing lymphoid cells is achieved in a spot 12 cm in diameter at a distance of 5 cm from the window in 16 minutes when the irradiator is operated at a frequency of 0.5 Hz. The method is implemented using a small pulse accelerator ARSA, developed at the All-Russian Scientific Research Institute of Experimental Physics of the Ministry of the Russian Federation for Atomic Energy. The duration of the X-ray pulse at half maximum is 10 ns, the average energy in the spectrum is 130 keV, and the dose in air near the exit window is 5 Gy. The disadvantages of this accelerator include the high energy of accelerated electrons - 1 MeV [2], which significantly complicates the creation of biological protection, as well as the low frequency of the accelerator.

Ближайшим аналогом изобретения (прототип) является установка RADGIL производства компании "GILARDONI S.p.A.", Италия [3], которая используется для облучения компонентов крови рентгеновскими лучами. Для облучения материала в дозе 30 Гр при фокусном расстоянии 30 см время облучения составляет приблизительно 30 минут, при фокусном расстоянии 40 см - около 45 минут, при мощности 5,5 кВт. Установка RADGIL не требует создания специальных защищенных помещений, т.к. содержит встроенную биологическую защиту - свинец 12 мм.The closest analogue of the invention (prototype) is the RADGIL installation manufactured by GILARDONI S.p.A., Italy [3], which is used to irradiate blood components with X-rays. For irradiating the material at a dose of 30 Gy with a focal length of 30 cm, the irradiation time is approximately 30 minutes, with a focal length of 40 cm - about 45 minutes, with a power of 5.5 kW. RADGIL installation does not require the creation of special protected rooms, as contains integrated biological protection - lead 12 mm.

Основная проблема при создании подобных установок состоит в том, что используются рентгеновские трубки постоянного тока с накаливаемыми катодами, работающие в высоком вакууме. Эти трубки обладают относительно небольшим ресурсом и требуют замены после нескольких тысяч часов работы. При этом ремонт этих трубок невозможен, а стоимость составляет десятки тысяч евро. Кроме того, используемые высоковольтные источники питания рентгеновских трубок обладают большим весом и стоимостью.The main problem when creating such installations is that they use direct current x-ray tubes with incandescent cathodes operating in high vacuum. These tubes have a relatively small resource and require replacement after several thousand hours of operation. However, repair of these tubes is not possible, and the cost is tens of thousands of euros. In addition, the high voltage X-ray tube power supplies used are of great weight and cost.

Технической задачей, решаемой в данном изобретении, было создание рентгеновского облучателя, сочетающего относительно невысокую энергию квантов, высокую скорость набора дозы, невысокую цену и хорошую ремонтопригодность.The technical problem solved in this invention was the creation of an X-ray irradiator that combines a relatively low energy of quanta, a high dose rate, a low price and good maintainability.

В настоящее время разработаны наносекундные импульсно-периодические ускорители электронов [5] и генераторы рентгеновского излучения с полупроводниковым прерывателем тока [6], которые имеют существенно меньшие габариты и стоимость (примерно в два раза), чем ускорители и генераторы постоянного тока. Кроме того, в вакуумных диодах и рентгеновских трубках этих установок можно использовать ненакаливаемые катоды большого размера, в том числе металлокерамические [7]. С одной стороны, это позволяет использовать относительно низкий вакуум и перейти к разборным откачиваемым конструкциям вакуумных диодов, что дает возможность восстанавливать ресурс катодов. С другой стороны, большой размер катода позволяет реализовать выгодные геометрии облучения пакетов с кровью, в том числе облучение с двух сторон, что поможет уменьшить неоднородность набора дозы и избежать вредного переоблучения других компонентов крови.Nanosecond pulsed periodic electron accelerators [5] and X-ray generators with a semiconductor current chopper [6], which have significantly smaller dimensions and cost (about two times) than accelerators and direct current generators, are currently developed. In addition, large incandescent cathodes, including cermet ones, can be used in vacuum diodes and x-ray tubes of these devices [7]. On the one hand, this makes it possible to use a relatively low vacuum and switch to collapsible pumped-out structures of vacuum diodes, which makes it possible to restore the cathode resource. On the other hand, the large size of the cathode allows one to realize advantageous geometries of irradiation of blood packets, including irradiation from two sides, which will help to reduce the heterogeneity of the dose set and to avoid harmful overexposure of other blood components.

Решением поставленной задачи было то, что биологические объекты, в частности кровь и ее компоненты, облучаются импульсным рентгеновским излучением, генерируемым наносекундным частотным ускорителем электронов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумным диодом с металлокерамическим катодом большого размера.The solution to this problem was that biological objects, in particular blood and its components, are irradiated with pulsed x-ray radiation generated by a nanosecond frequency electron accelerator with a semiconductor current chopper and a large metal-ceramic cathode vacuum diode.

Установка для радиационной обработки крови содержит генератор рентгеновского излучения, который выполнен в виде наносекундного частотного ускорителя электронов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумным диодом с металлокерамическим катодом, камеру облучения с биологической защитой для размещения крови, детектор рентгеновского излучения выполнен с возможностью измерения поглощенной дозы импульсного рентгеновского излучения и пульт управления для установки требуемой для облучения поглощенной дозы.The installation for radiation processing of blood contains an x-ray generator, which is made in the form of a nanosecond frequency electron accelerator with a semiconductor current chopper and a vacuum diode with a ceramic-metal cathode, an irradiation chamber with biological protection for placing blood, an x-ray detector configured to measure the absorbed dose of pulsed x-ray radiation and a control panel for setting the absorbed dose required for irradiation.

Чем созданное изобретение лучше прототипа...Why the created invention is better than the prototype ...

Большой размер катода позволяет получать равномерное поле рентгеновского излучения, необходимое для однородного облучения стандартного пакета с кровью (размером около 150×150 мм²) без отдаления на фокусное расстояние 30-40 см, как в прототипе. Это существенно улучшает использование формируемого рентгеновского излучения, снижает энергозатраты и время облучения. Кроме того, вакуумный диод такого ускорителя работает при невысоком вакууме - не лучше 10^-2 Па, имеет разборное исполнение и может легко быть отремонтирован путем замены катода или другого комплектующего.The large size of the cathode allows you to get a uniform x-ray field, necessary for uniform irradiation of a standard package of blood (size of about 150 × 150 mm ² ) without distance to the focal length of 30-40 cm, as in the prototype. This significantly improves the use of the generated x-ray radiation, reduces energy consumption and exposure time. In addition, the vacuum diode of such an accelerator operates at a low vacuum - not better than 10 ^-2 Pa, has a collapsible design and can easily be repaired by replacing the cathode or other component.

Установка работает следующим образом. В камеру облучения помещается пакет с кровью, на пульте управления устанавливается требуемая для облучения поглощенная доза и включается ускоритель. Происходит облучение пакета, при этом детектор измеряет величину получаемой дозы. Когда требуемая величина дозы достигается, ускоритель отключается.Installation works as follows. A bag of blood is placed in the irradiation chamber, the absorbed dose required for irradiation is set on the control panel and the accelerator is turned on. The package is irradiated, while the detector measures the value of the dose received. When the desired dose is reached, the accelerator is turned off.

Пример конкретного выполнения более подробно с указанием улучшенных характеристик…An example of a specific implementation in more detail, indicating improved features ...

Работа установки была проверена экспериментально, при этом в качестве ускорителя использовался ускоритель УРТ-0,2 [5], который в режиме генератора рентгеновского излучения, при длине катода 200 мм, создает на расстоянии 5 см дозу 70,5 мкГр за импульс. Это позволяет при работе на частоте 250 Гц набирать требуемую дозу 30 Гр за 28 минут при потребляемой энергии около 3 кВт. При возможной модернизации ускорителя с увеличением частоты работы до 500 Гц и ускоряющего напряжения до 250-300 кВ, время облучения не будет превышать 10 мин, при энергопотреблении не более, чем у прототипа. Для измерений поглощенной дозы был использован дозиметр типа ДКС-АТ1123.The operation of the installation was verified experimentally, while the accelerator was a URT-0.2 accelerator [5], which in the regime of an x-ray generator, with a cathode length of 200 mm, creates a dose of 70.5 μGy per pulse at a distance of 5 cm. This allows you to work at a frequency of 250 Hz to gain the required dose of 30 Gy in 28 minutes at a power consumption of about 3 kW. With a possible upgrade of the accelerator with an increase in the operating frequency up to 500 Hz and accelerating voltage up to 250-300 kV, the irradiation time will not exceed 10 minutes, with energy consumption not more than that of the prototype. To measure the absorbed dose, a dosimeter of the type DKS-AT1123 was used.

ЛитератураLiterature

1. Патент РФ 2097072.1. RF patent 2097072.

2. Н.И.Терентьев // ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ ИЗЛУЧЕНИЯ УСКОРИТЕЛЯ АРСА ВБЛИЗИ ВЫХОДНОГО ОКНА / ВАНТ, серия: «физика радиационного воздействия на радиоэлектронную аппаратуру». 2010. В 3. С.101-103.2. N.I. Terentyev // RESEARCH OF THE RADIATION PARAMETERS OF THE ARS ACCELERATOR NEAR THE OUTPUT WINDOW / VANT, series: "Physics of the radiation impact on electronic equipment". 2010. In 3. S.101-103.

3. http://www.gilardoni.it.3. http://www.gilardoni.it.

4. http://www.ital-rentgen.ru.4.http: //www.ital-rentgen.ru.

5. С.Ю.Соковнин / Наносекундные ускорители электронов и радиационные технологии на их основе. Екатеринбург: УрО РАН, 2007. 225 с. ISBN 5-7691-1840-7.5. S. Yu. Sokovnin / Nanosecond electron accelerators and radiation technologies based on them. Yekaterinburg: Ural Branch of the Russian Academy of Sciences, 2007.225 s. ISBN 5-7691-1840-7.

6. Рукин С.Н. Генераторы мощных наносекундных импульсов с полупроводниковыми прерывателями тока // ПТЭ. 1999. №4. С.5-36.6. Rukin S.N. Powerful nanosecond pulse generators with semiconductor current choppers // PTE. 1999. No4. S.5-36.

7. Патент РФ №2191488, кл. 7 Н05Н 5/02, H01J 1/30.7. RF patent No. 2191488, cl. 7 H05H 5/02, H01J 1/30.

Claims (1)

Установка для радиационной обработки крови рентгеновским изучением, содержащая камеру облучения с биологической защитой для размещения крови, генератор рентгеновского излучения, выполненный с возможностью облучения крови, размещенной в камере облучения, детектор рентгеновского излучения, выполненный с возможностью измерения поглощенной дозы рентгеновского излучения, и пульт управления для установки требуемой для облучения поглощенной дозы, отличающаяся тем, что генератор рентгеновского излучения выполнен в виде наносекундного частотного ускорителя электронов с полупроводниковым прерывателем тока и вакуумным диодом с металлокерамическим катодом, а детектор рентгеновского излучения выполнен с возможностью измерения поглощенной дозы импульсного рентгеновского излучения. An apparatus for radiation treatment of blood by an X-ray study, comprising an irradiation chamber with biological protection for storing blood, an X-ray generator configured to irradiate blood located in the irradiation chamber, an X-ray detector configured to measure the absorbed dose of the X-ray radiation, and a control panel for settings required for irradiation of the absorbed dose, characterized in that the x-ray generator is made in the form of a nanosecond clock a frequency electron accelerator with a semiconductor current chopper and a vacuum diode with a ceramic-metal cathode, and the x-ray detector is configured to measure the absorbed dose of pulsed x-ray radiation.