Оглавление
Введение 4
Г лава 1. Ионизирующие излучения в лучевой терапии 13
1.1 Виды ионизирующих излучений в терапии 13
1.2 Влияние вторичных процессов на биологический эффект от ионизирующих излучений 25
Глава 2. Обзор методов облучения мишени пучками электронов и фотонов в магнитном поле 37
Глава 3. Компьютерное моделирование воздействия ионизирующего излучения на вещество 48
Глава 4. Метод управления распределением поглощенной дозы с помощью магнитного поля 65
Глава 5. Распределение дозы от фотонов и электронов в мишенях, помещенных в магнитное поле 75
5.1 Распределение дозы от электронов в мишенях,
помещенных в поперечное магнитное поле 79
5.1.1 Глубинное распределение поглощенной дозы от бесконечно широкого пучка электронов 79
5.1.2 Пространственное распределение дозы от пучка электронов в магнитном поле 85
5.1.3 Метод облучения электронами в магнитном поле переменного направления 96
5.2 Распределение дозы от фотонов в мишенях, помещенных в поперечное магнитное поле 99
5.3 Общие замечания и выводы 112
Заключение 114
С п исок литературы 117
3
1. Введение
Последние достижения в развитии ускорительной техники открывают новые возможности для целого спектра прикладных направлений. В медицине, в частности, в лучевой терапии, значительный прогресс может ожидаться в связи с введением в практику компактных ускорителей электронов высоких энергий.
Лучевая терапия - раздел клинической медицины, связанный с использованием в качестве основного лечебного фактора ионизирующего излучения [1, 2]. За годы, прошедшие после первых попыток применения рентгеновских лучей для лечения злокачественных опухолей, были открыты и внедрены в клиническую практику различные виды ионизирующих излучений [3-6], построена теория их действия на биологические ткани [7], расширились технические возможности лучевой терапии [6, 8]. Благодаря этому, а также высокому уровню подготовки обслуживающего персонала - медицинских физиков [4, 9-11], лучевая терапия стала одним из основных методов лечения злокачественных опухолей. В ряде стран курс лучевой терапии проходят около 70% всех онкологических больных, хотя в каждом конкретном случае роль ионизирующих излучений определяется видом злокачественного новообразования, периодом заболевания и некоторыми другими факторами [6, 12, 13].
4
Главная цель лучевой терапии состоит в том, чтобы обеспечить максимальное поражение опухолевых клеток при минимальном повреждении окружающих опухоль здоровых тканей. Так как в основе биологического действия всех типов излучений лежит их способность ионизировать вещество, то положительный результат терапии зависит от распределения поглощенной энергии или дозы в теле человека [2,6].
При расчете оптимального дозового распределения необходимо учитывать, что в результате взаимодействия ионизирующего излучения с атомами и атомными ядрами облучаемого объекта могут образовываться вторичные частицы (электроны, протоны, нейтроны, ядра отдачи, фотоны и т.д.). Механизмы образования вторичных частиц, их виды различаются как для разных типов ионизирующих излучений, так и их энергий. Вторичные частицы влияют на форму распределения дозы и изменяют относительную биологическую эффективность ионизирующих излучений [14, 15].
В качестве ионизирующего излучения в медицинских целях в основном используются пучки фотонов и электронов, но в настоящее время быстро развивается терапия тяжелыми заряженными частицами (протонами или тяжелыми ионами) [6, 16, 17]. Облучение нейтронами [18, 19] или отрицательными пионами [20] также возможно, но такие методы пока не вышли из стадии клинических исследований.
5
Облучение заряженными частицами более удобно, чем фотонами и нейтронами, поскольку они имеют конечный пробег в веществе [3, 6]. Среди них использование тяжелых заряженных частиц обладает тем преимуществом, что в распределении дозы наблюдается максимум в конце пробега частиц. Это открывает возможность резко повысить концентрацию поглощенной энергии в патологическом очаге, который обычно называется мишенью, и одновременно снизить лучевую нагрузку вне пего.
Для электронов максимум в распределении дозы слабо выражен. Поглощенная доза за ним спадает достаточно медленно. При облучении фотонами действию излучения подвергаются все ткани вдоль оси пучка. Характерные глубинные распределения поглощенной в воде дозы от различных типов ионизирующих излучений приведены на рис. I [3, 6].
В лучевой терапии в настоящее время работает более 1,5 тысяч ускорителей (в том числе несколько десятков у нас в стране). Среди них подавляющее большинство - ускорители электронов, на которых получают пучки электронов и тормозных фотонов [6]. Они дешевле ускорителей тяжелых заряженных частиц (синхротронов, фазотронов) и существенно проще в эксплуатации [21]. В этой связи весьма актуальной представляется задача получения в распределении поглощенной дозы от пучков фотонов и электронов максимума на удобной для лучевой терапии глубине.
6
Рис. 1. Зависимость величины дозы от глубины проникновения в воду для:
I - высокоэнергетичных фотонов (22 МэВ), II - электронов (22 МэВ),
III - прогонов (200 МэВ).
Впервые на возможность применения магнитного поля в электронной лучевой терапии указал в 1950 году W.H. Bostick [22]. Он предложил использовать однородное продольное магнитное поле силой I Тл с целью получения области с повышенным значением дозы. Продольное магнитное поле будет препятствовать разбуханию пучка, которое происходит в результате многократного рассеяния. При этом изменятся характеристики глубинного распределения дозы: в продольном магнитном поле максимум дозы будет смещаться на большую глубину.
7
Проведенные в дальнейшем компьютерные вычисления методом Монте-Карло [23] и эксперименты [24] подтвердили справедливость высказанных предположений.
В середине 70-ых годов С.С. 5ЫЬ доложил о своих исследованиях но применению поперечного магнитного поля в электронной лучевой терапии [25]. Если облучаемый объект разместить в поперечном поле, то внутри пего электроны будут закручиваться. Потери энергии электронов приведут к тому, что в сильном поле траектории частиц будут напоминать скручивающуюся спираль. В ее центре следует ожидать возникновение максимума дозы.
В дальнейшем было проведено несколько экспериментов, цель которых состояла в проверке возможности влиять на распределение дозы от электронов с помощью поперечного магнитного поля [26-29]. Во всех экспериментах наблюдались существенное увеличение отношения дозы в максимуме к дозе на входе в фантом и крутизны спада дозы за максимумом.
Применение магнитных полей может найти применение и в фотонной терапии. Впервые о такой возможности было указано в работе [30], в которой А.Е. В1е1а]еш изложил концепцию уменьшения полутени с помощью продольного магнитного поля. Позднее в работах [31-35] был рассмотрен способ воздействия на фотонные пучки поперечным магнитным полем. Как замечено в них, такой метод может потенциально привести
8
как к образованию максимума дозы в области мишени, так и уменьшению дозы за ней.
Однако, к началу наших исследований из-за относительно высокой стоимости экспериментальных магнитных систем вопрос о воздействии магнитных полей на распределение поглощенной дозы оставался мало изученным, не были выработаны конкретные рекомендации по разработке магнитных систем. В этой связи нами с целью подготовки к эксперименту на базе разрезного микротрона НИИЯФ МГ У с максимальной энергией 70 МэВ было проведено моделирование распределений дозы от фотонного и электронного излучений.
Основной долью настоящей диссертации является разработка метода облучения пучками электронов и фотонов мишени, помещенной в магнитное поле, с целью получения пространственного распределения дозы с резким максимумом на удобной для лучевой терапии глубине.
Научная новизна:
1. На основе пакета GEANT 3.21 создана программа, позволяющая моделировать пространственное распределение поглощенной дозы от ионизирующих излучений.
9
2. Предложен и развит оригинальный метод активного управления распределением дозы от пучков электронов и фотонов с помощью магнитного ПОЛЯ.
3. В модельных расчетах в распределении дозы от пучков фотонов и электронов получен хорошо выраженный максимум на удобной для лучевой терапии глубине.
4. Определены характеристики пространственных распределений дозы, созданных пучками фотонов и электронов в мишенях, помещенных в поперечное магнитное поле.
5. Впервые для пучков фотонов и электронов предложен метод получения с помошью магнитного поля в заданном объеме среды равномерного распределения дозы, аналогичного модифицированному пику Брэгга для пучков тяжелых заряженных частиц.
Практическая значимость.
Разрабатываемый метод ориентирован на разработку технологий и оборудования для практического применения в лучевой терапии. Магнитное поле позволяет сместить максимум дозы вглубь облучаемого объекта, сконцентрировать дозу на мишени и снизить нагрузку на интактные ткани. С медицинской точки зрения это создаст возможность повышения эффективности лечения онкологических заболеваний и расширения списка
10
локализаций, облучение которых можно проводить пучками электронов, или фотонов.
На защиту выносятся следующие результаты:
1. Программа, моделирующая распределения поглощенной дозы от ионизирующих излучений.
2. Метод облучения пучком у-квантов и электронов высоких энергий (20 - 70 МэВ) мишеней, помещенных в сильное магнитное поле.
3. Метод, позволяющий при облучении пучками фотонов и электронов мишеней, помещенных в магнитное поле, увеличить размер области с высоким значением дозы, сохранив высокий градиент дозы на границах указанной области.
4. Результаты моделирования распределений поглощенной дозы от фотонного и электронного излучений в мишенях, помещенных в магнитное поле.
Диссертация основана на материалах, опубликованных в 7 печатных работах и доложенных на 6 международных конференциях и совещаниях:
VII Международной конференции студентов и аспирантов по фундаментальным наукам «Ломоносов», секция «Физика», Москва, 11-13 апреля, 1999 г.
11
- Київ+380960830922