Эффективность передачи дозы биологическим объектам пучками фотонов и электронов

СОДЕРЖАНИЕ
Содержание............................................................2
Введение..............................................................6
I. Обзор литературы.....................................................16
1.1. Пучки частиц в лучевой терапии.................................16
1.1.1. Методы лучевой терапии на пучках фотонов и электронов.....................................................17
1.1.2. Сравнение методов лучевой терапии фотонами и электронами и другими частицами: прогонами, ионами, нейтронами, пионами............................................26
1.2. Роль вторичных частиц в формировании дозы......................37
1.3. Влияние характеристик пучка на ОБЭ пучков фотонов и
заряженных частиц..............................................48
1.4. Способы облучения мишени.......................................55
1.5. Методы использования магнитного ноля при облучении
мишени....................................................... 62
1.6. Методы учета влияния неоднородностей на распределение
дозы...........................................................73
И. Разработка математических моделей и программного обеспечения для моделирования взаимодействия пучков фотонов и электронов с ткансэквивалснтной средой ...........................................82
2.1. Модели фантома человека........................................82
2.1.1. Экспериментальная модель фантома человека...............82
2.1.2. Математическая модель фантома человека..................83
2.2. Аналитическое описание распределения дозы пучков фотонов и
электронов в веществе..........................................90
2.3. Метод моделирования распределений дозы и вторичных частиц в веществе с использованием библиотек программ
2
GEANT3-4 и EGS4
112
2.4. Схема эксперимента и модель магнитной системы.................131
III. Моделирование распределений дозы при облучении пучками фотонов и
электронов мишени, расположенной в магнитном поле..................139
3.1. Влияние продольного и поперечного магнитного поля на распределение дозы пучков фотонов и электронов.....................139
3.2. Моделирование вторичных процессов при взаимодействии пучков фотонов и электронов со средой..............................148
3.2.1. Вторичные процессы при прохождении у-излучения через вещество.....................................................148
3.2.2. Вторичные процессы при прохождении электронов через вещество.....................................................153
3.2.3. Механизмы формирования поглощенной дозы пучков фотонов и электронов в среде.................................164
3.3. Расчеты распределении дозы пучков электронов в тканеэквивалентной среде, расположенной в поперечном магнитном поле.....................................................170
3.3.1. Зависимость распределения дозы от размера пучка электронов и величины магнитного поля........................170
3.3.2. Влияние на пространственное распределение дозы и энергии
электронов............................................174
3.3.3. Оценка эффективности облучения мишени, расположенной в магнитном поле, пучком электронов............................178
3.3.4. Профили и пространственное представление распределения дозы.........................................................181
3.3.5. Метод уменьшения разброса пучка в пространстве 185
3.3.6. Метод получения равномерного распределения дозы в объеме мишени.......................................................187
3.4. Моделирование распределения дозы пучков фотонов в ткаиеэквивалентной среде...........................................190
3.4.1. Влияние энергии фотонов, величины пространственного распределения магнитного ноля на распределение дозы... 190
3.4.2. Метод получения на пучках фотонов равномерного распределения дозы в объеме мишени..........................201
3.5. Моделирование распределения дозы пучков позитронов...........203
3.5.1. Сравнение рассчитанных распределений дозы пучков электронов и позитронов.....................................205
3.5.2. Метод лучевой терапии на пучке позитронов............208
3.6. Облучение мишеней в магнитном поле с разных сторон...........211
IV. Экспериментальные исследования распределений дозы пучков фотонов и электронов..............................................221
4.1. Описание экспериментальной установки для измерения глубинных распределений дозы ..............................................221
4.2. Измерения параметров пучка электронов и распределения поля магнита...........................................................227
4.3. Измерение распределения дозы пучков фотонов и электронов
в веществе при энергии 25 и 50 МэВ..........................232
V. Оценка погрешностей методов лучевой терапии пучками фотонов и электронов в биологических тканях.................................243
5.1. Оценка погрешностей при прохождении пучками фотонов неоднородных биологических сред...................................244
5.1.1. Оценка точности некоторых известных методов дозиметрическоголанирования.................................245
5.1.2. Оценка погрешностей распределения дозы математической модели фантома человека.....................................255
5.2. Оценка погрешностей поглощенной дозы от продуктов фотоядерных реакций...........................................................258
5.2.1. Методы оценки и анализа экспериментальных данных 258
5.2.2. Оценка сечений и энергетических спектров фотоядерных реакций на ядрах С12, О16, N14..............................266
4
5.2.3. Оценка вклада фотоядерных реакций в глубинное
распределение дозы и ОБЭ................................273
Заключение.........................................................279
Литература.........................................................284
5
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы
В последние годы в медицине и биологии широкое распространение получило применение ядерно-физических методов. В настоящее время одним из действенных способов лечения онкологических заболеваний является применение различных видов ионизирующих излучений. Они широко используются либо как самостоятельное средство лучевой терапии (ЛТ), либо в сочетании с хирургическим лечением и химиотерапией.
Несмотря на большие технические усовершенствования последних лет, по-прежнему остро споит вопрос о повышении эффективности радиационной онкологии. Важным подходом к решению этой проблемы является увеличение эффективности облучения мишени - соотношения дозы, переданной мишени1, к величине дозы, приходящейся на окружающие ее здоровые ткани. Для этой цели достаточно широкое распространение для различных видов ионизирующих излучений получили методы облучения мишени с разных сторон, например применение встречных пучков, многопольного облучения и др.
К современному направлению повышения эффективности лучевого лечения онкологических больных относится достижение наибольшего совпадения контуров пространственного распределения высокой дозы с поверхностью мишени.
Пучки протонов кажутся идеальными для решения этой задачи. Преимуществом пучков протонов с энергией 50-250 МэВ является возрастание дозы с глубиной, наличие пика Брэгга в конце пробега с полной остановкой частиц, возможность изменением энергии регулировать его положение в глубине среды, а также слабое боковое
1 Под термином «передача дозы» здесь имеется в виду передача энергии пучка ионизирующего излучения единице объема вещества или биолог ических тканей.
6
рассеяние пучка. При этом удается равномерно облучать мишень, направляя пучок с одного или нескольких направлении, одновременно используя фильтры, изменяющие пробег протонов.
Однако протонная терапия не настолько распространена или освоена, чтобы можно было отказаться от широко используемых в лучевой терапии в течение последних десятилетий ионизирующих излучении - пучков фотонов и электронов, получаемых на ускорителях электронов (линейных ускорителях, бетатронах, микротронах) с энергией до 25 МэВ. В мире действует более 5000 медицинских ускорителей электронов и десятки тысяч естественных радиоактивных источников (^Со, |37Сз,226Ва). Это обусловлено сравнительно невысокой стоимостью ускорителей электронов и относительной простотой получения на них пучков фотонов и электронов.
Для пучков фотонов с энергией до 50 МэВ характерна большая доза, получаемая поверхностными слоями среды и ее быстрое уменьшение с увеличением глубины проникновения излучения в вещество. Равномерность облучения мишени на пучках фотонов достигается путем облучения со значительно большего числа направлений (по сравнению с пучками протонов). В последнее время это дополняется регулировкой формы поперечного сечения пучка и его интенсивности. Однако в этом случае здоровые ткани, расположенные до и после мишени, получают как минимум вдвое большую интегральную дозу. Поэтому актуальной остается задача разработки методов изменения глубинного распределения дозы с целью улучшения соотношения интегральных доз, получаемых мишеныо и окружающими ее тканями.
При прохождении пучков электронов через вещество, получаемая им доза уменьшается на большой глубине быстрее, чем для пучков у-квантов, а максимум в распределении дозы располагается ближе к поверхности среды. Поэтому при облучении мишени электронами
большая, чем при использовании пучков фотонов, доза создастся в поверхностных слоях вещества. Помимо формы. глубинного распределения дозы и по другому качеству - рассеянию пучка электроны также хуже фотонов и протонов. Однако это существенно лишь при тесном расположении радиочувствительных тканей к мишени.
Повышение эффективности облучения за счет выгодного локального распределения дозы, а также интегральной дозы могло бы осуществляться и на пучках электронов, если бы удалось достигнуть такой же, как у протонов, большой концентрации энергии в области мишени (наличия у них аналога пика Брэгга). Возможность повышения энергии электронов на современных ускорителях (имеющих небольшие размеры) до величины 40-70 МэВ, необходимой для облучения глубинных мишеней, делает эту задачу актуальной.
Для повышения эффективности лучевой терапии важно максимально исключить из зоны облучения ткани, не относящиеся к мишени - очагу заболевания. Достигаемое при этом снижение объема облучаемых тканей (как принято говорить, «объема лечения») становится возможным при условии повышения точности анатомического планирования зоны облучения. Ошибки в определении краев опухоли ведут к возможности рецидива заболевания, так как опухоль способна к восстановлению. Этого можно избежать при современной точности предлушевой диагностики границ объема мишени.
Для разработки стратегии лечения важное значение имеет не только техника подведения дозы к тканям, но и повышение эффективности лечения за счет различных факторов биологического характера, влияющих на соотношение между реакциями опухоли и нормальных тканей на облучение. К таким факгорам относится прежде всего относительная биологическая эффективность (ОБЭ) различных видов
8
излучений, а также факторы, связанные с химическим, тепловым и другими модификаторами действия ионизирующего излучения.
Мало исследованным, но гараздо более точно физически контролируемым является воздействие магнитного поля на ткани, производимое перед облучением или одновременно с ним. Весьма обнадеживающие результаты в этом направлении исследований получены недавно в Обнинске.
Одним из перспективных подходов в применении физических методов увеличения соотношения дозы в мишени к дозе, полученной окружающими ее здоровыми тканями, является использование' высокоэнергичных пучков фотонов и электронов с одновременным применением поперечного и продольного магнитного поля. Такой подход повышает эффекгивность облучения мишени.
Целью работы является экспериментальное исследование и теоретическая разработка новых физических способов повышения эффективности облучения биологических объектов пучками высокоэнергичных фотонов и электронов с применением магнитного поля, а также развитие этих методов для использования в медицине, в частности, в лучевой терапии онкологических заболеваний.
Научная новизна работы
1. Предложен и исследован метод повышения эффективности облучения биологических тканей (например, опухоли в лучевой терапии):
•помещенных в сильное поперечное магнитное поле, пучком у-квантов и элекгронов с энергиями (20-70 МэВ);
•позволяющий получить равномерное распределение дозы в некотором объеме биологических тканей на заданной глубине для пучков фотонов и электронов;
9
•обеспечивающий повышение эффективности при облучении мишени на встречных и взаимно перпендикулярных пучках электронов и позитронов и уменьшение разброса пучка электронов в пространстве при его прохождении через мишень, расположенную в сильном магнитном поле.
2. Создана экспериментальная установка на базе разрезного микротрона НИИЯФ МГУ, включающая в себя магнитную систему, объекты облучения (фантомы). Измерены глубинные распределения дозы пучков фотонов и электронов с энергией 25 и 50 МэВ на фантомах, помещенных в поперечное магнитное поле.
3. Предложен и исследован метод лучевой терапии пучками позитронов, позволяющий в процессе облучения осуществлять контроль распределения дозы в различных участках мишени и окружающих се тканях.
4. На основании теории переноса излучения и теории электронно-фотонных ливней впервые разработан метод аналитической оценки формы распределения дозы на оси пучка фотонов с энергией до 50 МэВ в зависимости от глубины его проникновения в вещество.
5. Предложен способ оценки энергетической зависимости ОБЭ пучков фотонов с высокой энергией с учетом вклада фотоядерных реакций в энергетической области до 50 МэВ при использовании оцененных сечений и спектров на ядрах 12С, !4Ы и 160. С этой целью разработан метод расчета и получены оценки сечений и энергетических спектров фотоядерных реакций на легких ядрах 3Н, 3’4Не, 6'71Л, |2С, 14Ы и 160.
6. Разработана компьютерная модель фантома человека, которая учитывает элементный состав биологических тканей, форму и взаимное расположение органов.
ю
7. Разработан новый блок программ (в качестве дополнения к библиотекам программ СЕАЫТЗ,4 и Е084) описывающий для случая прохождения через вещество пучков электронов и у-квантов:
• пространственное распределение магнитного поля;
• двухмерное распределение дозы в зависимости от глубины проникновения пучков фотонов и электронов в среду;
• трехмерное представление распределения дозы;
• пространственное и энергетическое распределение вторичных частиц;
• элементный состав тканей человека;
• форму, взаимное расположение и атомный состав неоднородностей на пути пучка.
Достоверность научных результатов и выводов обеспечена экспериментальной проверкой расчетных данных, их внутренней согласованностью и непротиворечивостью. Результаты исследований, полученные с использованием общеизвестных библиотек программ ОЕЛЫТЗ,4 и Ев84, находятся в хорошем согласии с проведенными экспериментальными исследованиями и также с имеющимися данными модельных расчетов и экспериментальных измерений других авторов.
Практическая и научная ценность работы заключается в следующем:
1. Разработанный метод облучения биологических тканей пучками фотонов и электронов при одновременном использовании поперечного магнитного поля позволяют повысить дозу в объеме мишени при одновременном снижении дозы в окружающих сс тканях.
2. Предложенные физические методы позволяют равномерно облучать определенный объем мишени на глубине до 15 см и могут быть использованы в лучевой терапии.
п
3. Разработанная математическая модель фантома человека может быть использована в медицине при планировании лучевого лечения, позволяя при этом учитывать форму, взаимное расположение органов и атомный состав тканей.
4. Использование в лучевой терапии пучков позитронов позволяет одновременно с облучением по регистрации аннигиляционных фотонов осуществлять контроль за распределением дозы в тканях различного состава, управлять этим распределением в процессе облучения' (например, чтобы устранить погрешности из-за движения органов).
5. Аналитическое выражение глубинного распределения дозы для пучка электронов может быть использовано для быстрых оценок величины дозы, а также сократит время расчетов распределения дозы.
6. Определено соотношение вкладов различных механизмов взаимодействия с веществом пучков фотонов, ЭЛСКфОНОВ и позитронов в величину и распределение поглощенной дозы в объеме мишени и за ее пределами.
7. Учет фотоядерных реакций при лучевом лечении пучками высокоэнергичных фотонов позволяет оценить погрешности в расчете дозы, обусловленные высокой ОБЭ продуктов этих реакций, а также зависимость ОБЭ от энергии фотонов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1. Способ получения на глубине 5-15 см максимума в распределении дозы пучков фотонов и электронов с энергией 20 - 70 МэВ в веществе, помещенном в поперечное магнитное поле.
2. Способы использования знакопеременного поперечного магнитного поля, которое уменьшает разброс пучка электронов в пространстве и улучшает равномерность облучения разных частей объекта, повышает эффективность облучения биологических объектов
12
(например, опухолей в лучевой терапии), расположенных на глубине 5-15 см.
3. Математическая модель, которая позволяет:
• аналитически оценить глубинное распределение дозы пучка электронов в биологических средах.
• оценить энергетическую зависимость вклада фотоядерных реакций в значение ОБЭ.
4. Метод учета плотности и атомного состава среды, который позволяет рассчитать трехмерные представления глубинных распределений дозы пучков фотонов и электронов в неоднородных средах, как при наличии магнитного поля, так и в его отсутствие.
5. Метод анализа экспериментальных данных, который позволяет оценить сечения и энергетические спектры продуктов фотоядерных реакций на легких ядрах.
6. Способ облучения мишени пучком позитронов, который позволяет в процессе облучения контролировать распределение дозы в различных участках мишени и управлять им (например, в случае движения органов).
7. Методику эксперимента, позволяющую измерить и обработать распределения дозы в ткансэквивалентном фантоме, помещенном в сильное поперечное магнитное поле.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы были представлены и обсуждены на ХХХШ,
XXXV-XXXX, LIV Совещаниях но ядерной спектроскопии и структуре
атомного ядра (1983, 1985 -1990, 2004); International Conference on
Nuclear Data for Science and Technology (Mito, Japan, 1988); на V
Всесоюзной научной конференции но защите от ионизирующих
излучений ядерно- технических установок (Москва, 1989); Съезде
российских физиков- преподавателей «Физическое образование в XXI
13
веке» (Москва, 2001); на I Евразийском конгрессе по медицинской физике (Москва, 2001); на 1У съезде по радиационным исследованиям (Москва, 2001); на Конференции по физическим проблемам экологии (экологическая физика) (Москва, 2001, 2004); на Ежегодном собрании ассоциации медицинских физиков (Москва, 2001 - 2003); на V научно-технической конференции: Медико-технические технологии на страже здоровья «МЕДТЕХ - 2003» (Египет, 2003); на Конференции по использованию ядерно-физических методов в медицине (Москва, 2003); на Конференции по медицинской физике (Троицк, 2004); на Научных семинарах ОЭПВАЯ НИИЯФ МГУ; на Ломоносовских чтениях в 2004г.
Работы в данной области поддержаны двумя грантами Правительства Москвы (2001, 2002), грантом Президента РФ 11111-
1619.2003.2, грантом программы «Университеты России» (2004).
Под руководством автора защищена кандидатская диссертация и 15 дипломных работ.
Автор по теме диссертации читает три специальных курса на кафедре физики ускорителей высоких энергий физического факультета МГУ: «Введение в физику ускорителей», «Взаимодействие излучения с веществом» с 1997 г., «Прохождение ионизирующего излучения через неоднородные среды» с 1999 г. Им в соавторстве подготовлено и опубликовано 5 учебных пособий.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 55 научных работ, в том числе 1 патент, 1 учебное пособие с грифом УМО физика, и 29 статей, в том числе в журналах: Известия АН СССР, сер. физическая - 6, Вопросы атомной науки и техники -1, Украинский физический журнал - 1, Вестник Московского университета, сер. Физика и Астрономия - 3, ПТЭ - 3, Радиационная биология и радиационная экология - 1, Медицинская радиология - 1, Наукоемкие технологии - 3,
14
Биомедицинские технологии и радиоэлектроника - 3, Медицинская физика - 6, в сборнике статей «Медицинская физика» -1.
Личный вклад автора. В основу диссертации легли результаты исследований, выполненных автором в Научно-исследовательском институте ядерной физики (НИИЯФ) МГУ. Постановка экспериментальной и теоретической задачи, заложенные в работе идеи предложены лично автором. Результаты экспериментальных исследований проводились на разрезном микротроне Отдела электромагнитных процессов и взаимодействий с атомными ядрами НИИЯФ МГУ при непосредственном участии автора. Анализ и обобщение результатов осуществлялось при непосредственном участии автора.
Объем и структура диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы, содержит 306 страниц текста, 129 рисунков и 30 таблиц. Список литературы включает 228 наименований.
15
I. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ
1.1. Пучки частиц в лучевой терапии.
В настоящее время лечение онкологических заболеваний включает в себя хирургические, лучевые, гормональные, лекарственные методы лечения. Применяются также нетрадиционные методы лечения, к которым можно отнести магнитолучевую терапию. В основе лучевых методов лежит применение в лучевой терапии
ионизирующих излучений:
фотонов, элсюронов, протонов, ионов, нейтронов и 71*-мезоиов. Роль, тип и энергии ионизирующих излучений в этой комплексной терапии определяются видом злокачественного
новообразования, заболевания и тенденция к использования
периодом др. Имеется расширению ионизирующих
I
о
5 10 15 20 25
Глубина, см
излучений в лучевой терапии и увеличению их энергии.
Активное применение рис ; Зависимость величины дты от
„ „ „ глубины проникновения в ткань для I -
достижений ядерной И радиационной рентге„овсЫ1Х ,1)щс6 (300кВ), и - юл.учти,
мСо, /// - высокочнергетичных фотонов (22 ФИЗИКИ В МеДИЦИИСКНХ ЦеЛЯХ Привело К МэВ), IV-электронов (22 МэВ), V- протонов
(200 МэВ). V!-модулированный пик Врэгга.
созданию многих новых источников и
аппаратов для лучевого лечения онкологических больных. Развиваются
методы повышения эффективности лучевой терапии с использованием
разных видов ионизирующих излучений и их комбинаций. В связи с этим
появилась необходимость сравнительного анализа и систематики
16
различных видов ионизирующих излучении, используемых в лучевой терапии, методов их применения.
1.1.1. Методы лучевой терапии на пучках фотонов и электронов
Рентгенотерапия
Приблизительно до 1950 года дистанционная лучевая терапия внешним пучком проводилась рентгеновскими лучами, образующимися электронами с энергией до 300 кВ. Но впоследствии в 50-60-х годах успехи в создании установок с болсс высокой энергией пучка и возросшая популярность радиоактивных источников 60Со привели к постепенному отказу от обычных низкоэнергетических киловольт! !ых установок, хотя полностью они не исчезли [1-2].
Термин ортовольтная терапия применяется для описания облучения рентгеновскими лучами, создаваемыми электронами с энергией 150 - 500 КэВ. В этом случае максимум дозы расположен вплотную к поверхности кожи, а 90%-ная доза - на глубине около 2 см (рис. 1). Таким образом, кожа подвергается наиболее сильному воздействию излучения даже в тех случаях, когда не является мишенью [2]. Существуют и другие недостатки ортовольтного облучения: высокая поглощенная доза в кости и увеличение рассеяния в костной ткани, что делает его неприемлемым для облучения опухоли, расположенной за костью.
Несмотря на это, ортовольтная рентгенотерапевтическая аппаратура продолжает играть определенную роль при облучении поверхностно расположенных опухолей, поскольку' распределение дозы низковольтного рентгеновского излучения при некоторых формах поверхностного рака более удобно, чем электронов, и, кроме того, исключается возможность использования дорогостоящего времени ускорителей. Так, при лечении
17
опухолей кожи и век короткофокусная рентгенотерапия применяется в 80% случаев.
Радионуклидная дистанционная у-терапия
Использование радиоактивных источников у-квантов в дистанционной лучевой терапии в настоящее время имеет широкое распространение. В мире количество установок с использованием естественных радиоактивных источников составляет десятки тысяч. На этих установках проходят курс лечения сотни тысяч онкологических больных ежегодно.
В дистанционной терапии в качестве источников у-излучения использовались такие радионуклиды как 226Ка, |37Сз, ^Со. Однако из всех источников самым подходящим для лучевой терапии внешними пучками оказался 60Со, при распаде которого образуется у-кваиты с энергиями 1,17 и 1,33 МэВ. Его преимуществом перед радиевым и цезиевым источниками является прежде всего возможность получать более высокую удельную активность (кюри/грамм), а также высокая средняя энергия фотонов. Максимум дозы при использовании у-излучения ^Со сдвинут с поверхности тела вглубь на «0,5 см (рис. 1), что уменьшает облучение кожи. Источник ^Со получают путем облучения нейтронами из реактора стабильного изотопа 59Со в реакции 59Со (п,у) 60Со [2]. В настоящее время в клиниках широко применяются у-терапевтические аппараты с 60Со активностью порядка 5000 Ки (рис. 2), позволяющие осуществлять различные геометрии и режимы облучения.
Для уменьшения дозы на поверхностных тканях для 60Со у-источников было применено статическое и подвижное дистанционное облучение. Статическое облучение производится с одного или нескольких направлений и обычно называется соответственно однопольным или многопольным.
18
Многопольное облучение позволяет уменьшить дозу на поверхностных тканях.
При проведении подвижного облучения источник все время движется вокруг пациента, оставаясь при этом «наведенным» на патологический очаг.
Преимуществом этого метода является еще более значительное снижение дозы в окружающих здоровых тканях. Общий объем облучаемых тканей возрастает, но Рис. 2. Гамма-аппарат., использующий
радиоактивный источник Со6*.
интегральная поглощенная доза
при гаком облучении остается постоянной.
Наиболее широко у-излучение 60Со используется при лечении злокачественных опухолей молочной железы, мочеполовой системы, головы и шеи [3|.
Терапия высокоэнергичными фотонами
На ускорителях электронов - линейных, бетатронах и микротронах получают пучки электронов высоких энергий. Эти пучки используются либо непосредственно для облучения, либо их «сбрасывают» на тормозную мишень, в которой образуется пучок тормозных у-квантов. имеющих спектр, называемый спектром Шиффа. В настоящее время в лучевой терапии используется около 5000 ускорителей электронов. Это обусловлено относительной простотой получения пучка тормозных у-квантов и сравнительно невысокой стоимостью ускорителей электронов. На рис.З в качестве примера представлен медицинский линейный ускоритель.
19
К преимуществам высокоэнергичных пучков фотонов по сравнению с рентгеновскими установками
относятся: смещение максимума
распределения доты вглубь среды, уменьшение полутени (различия в интенсивности облучения,
связанного с конечными размерами источника '/-излучения),
возможность изменения энергии фотонов, снижение радиационной опасности для медицинского и инженерного персонала, отсутствие необходимости захоронения
радиоактивных отходов.
При энергии фотонов 20-25 МэВ максимум в глубинном
распределении дозы приходится на глубину 3-5 см. При этом ткани,
находящиеся перед ним получают меньшую дозу. За максимумом
происходит медленный спад дозы (рис. 1). гак что здоровые ткани,
расположенные за опухолью получают сравнительно большую дозу.
Энергия используемого излучения зависит от локализации опухоли. Так, тормозное излучение с максимальной энергией 4-6 МэВ наиболее широко используется при опухолях головы и шеи (55%), лимфомах (60%), центральной нервной системы (70%); а с энергией 8-25 МэВ - при новообразованиях костей (50%), мочеполовой системы (75%), желудочно-кишечного тракта (95%), легкого (90%) и женской половой сферы (3]. При глубоко расположенных опухолях применяют облучение с двух и более направлений пучками, пересекающимися в области мишени. При этом доза в очаге, как в случае применения “Со, оказывается выше дозы на поверхности тела.
20
При некоторых формах злокачественных заболевании (например при лимфогрануломатозе) применяют тотальное облучение высокоэнергичными фотонами больших участков тела.
Терапия пучками электронов
Для облучения опухолей пучками электронов применяются те же ускорители, что и при использовании фотонов. В этом случае пучок направляется на рассеивающую фольгу для равномерного облучения мишени. В лучевой терапии применяются пучки электронов с энергиями от 4 до 50 МэВ. В последнее время ведутся научные исследования по использованию пучков электронов с энергиями 50 - 70 МэВ [4] и 150-250 МэВ [5].
Распределение дозы пучка электронов, достигнув максимума, спадает существенно быстрее, чем доза от пучка у-кваитов, что позволяет избежать облучения здоровых тканей, расположенных за опухолью. Этот факт, в тоже время ограничивает их применение: в лучевой терапии облучение пучками электронов осуществляют в случаях, когда опухоль расположена на поверхности или на глубине нескольких сантиметров (< 5 см) [2]. В этом случае максимум дозы, поглощенной в теле пациента, смещен вглубь на 0,1-2,5 см. (рис. 1). Этого оказываегся достаточно для того, чтобы кожа не получила ожог при облучении. К недостаткам распределения дозы пучков элскгронов относится сильное боковое рассеяние. При прохождении через среду размер пучка растет в зависимости от глубины его проникновения.
Пучки ускоренных электронов с энергиями до 20 МэВ применяют при лечении неглубоко залегающих опухолей рака кожи и губ, при облучении грудной клетки в случае рака груди.
К специальным методикам использования электронов в лучевой терапии относятся подвижное облучение электронами, интраоперационная лучевая терапия, методика тотального облучения кожи [6].
21
Подвижное облучение проводится при перемещении источника по дуге, изоцентр которой расположен на некоторой глубине в теле пациента. При подвижном облучении максимум дозы смещается на большую глубину по сравнению со статическим пучком той же энергии, а доза на поверхности уменьшается [6]. Объясняется это тем, что при подвижном облучении области, расположенные глубже в ткани облучаются в течение болсс длительного времени, чем лежащие ближе к поверхности. Эти эффекты становятся болсс выраженными с увеличением энергии электронов.
Иитраоперациоиная лучевая терапия - это метод лечения онкологических больных однократным подведением высокой дозы, когда доступ к мишени обеспечивается хирургическим путем и облучается либо сама опухоль, либо ложе после се удаления. В операционную рану пациента в стерильных условиях вставляют специальный пластиковый или металлический тубус, который соединяется другим концом с облучающей головкой. Тубусы не только формируют поле облучения, но и экранируют от первичного излучения ткани и органы, находящиеся вне тубуса [6].
Для тотального облучения кожи используются электроны с энергиями 2-9 МэВ [6].
Исследование возможностей применения в лучевой терапии пучков электронов высоких энергий 150 - 250 МэВ [5] показывают, что в этом случае распределение дозы в зависимости от глубины проникновения пучка в ткань медленно спадают, максимум смещается вглубь среды на глубину до 10 см и уменьшается рассеяние пучка. Увеличивается также доза, получаемая мишеныо, но сравнению с дозой на поверхности среды и, таким образом, повышается эффективность облучения опухоли. Эффективность возрастает при облучении мишени такими пучками с разных сторон. Однако в этом случае возрастает доза, получаемая здоровыми тканями за ней.
22
Контактная лучевая терапия
При использовании контактных методов облучения радиоактивные источники (^Со, ^У, ,<>хЛи и др.) помещаются в опухоли или в непосредственной близости от нее. Полная реализация энергии излучателей на расстоянии до нескольких миллиметров позволяет создавать высокие дозы облучения в органе-мишени без повреждения окружающих нормальных тканей.
Радиофармпрепараты (РФП), выпускаемые на основе
радионуклидов. применяются при обследовании и лечении примерно трети онкологических больных [7].
РФП применяют в виде растворимых соединений для лечения метастазов костей, печени легких, рака почки, предстательной железы.
Для производства РФП
Рис. 4. Аппарат для контактной терапии.
используются ускорители циклотроны с энергией 4 - 30 МэВ.
Возможность селективного воздействия большинства терапевтических РФП достигается за счет использования различных носителей и способов введения [7]. Основными способами подведения источника радиации являются:
• Внутриполостной метод облучения, применяющийся при лечении опухоли, возникшей в стенке какой-либо полости тела или полого органа (прямой кишки, мочевого пузыря, влагалища, пищевода, носоглотки и т.д.). При этом источник излучения с помощью специальных аппликаторов, зондов или баллонов вводят в естественные полости тела |8|. Контактное облучение таким методом
23
осуществляется с помощью аппаратуры типа “АГАТ-ВУ”, “Ми крос електрон” (рис. 4) и др. [3]. Разновидностью внутриполостного метода является р-терания, осуществляемая путем прямого введения жидкого радиоактивного препарати в закрытые полости тела (брюшную, плевральную и др.). Энергия р-излучения поглощается на глубине 1-3 мм [8].
• Внутритканевой метод облучения заключается в непосредственном введении радиоактивных препаратов в ткань опухоли. Бго применяют в основном при ограниченных новообразованиях, объем которых можно точно определить. Для у-терапии используются закрытые радиоактивные препараты в иглах, проволоке, зернах. Для р-терапии применяют открытые радиопрепараты (коллоидные растворы), введение которых осуществляют через инъекционные иглы [8]. Наибольшее внимание в настоящее время привлекает контактное облучение, осуществляемое при непосредственном введении радиоактивного вещества в ткани опухоли или “ложе” после се оперативного удаления (инграоперационная лучевая терапия) [3].
• Аппликационный метод облучения, при котором закрытые радиоактивные препараты с помощью муляжей, масок, аппликаторов размещают на поверхности облучаемого участка. Этот метод применяется для лечения злокачественных опухолей кожи и слизистых оболочек, распространяющихся вглубь на 1-3 мм, для р-терапии и на 1-2 см. для у-терапии [8].
• Используется эффект накопления радиоактивного препарата в мишени. Отсутствие отторжения радиоактивного вещества в опухоли может быть достигнуто, например, в результате соединения его с противоопухолевыми антителами. Этот путь применяется при лечении радиоактивным йодом рака щитовидной железы. С хорошим результатом, в ряде случаев с исчезновением отдаленных метастазов рака щитовидной
24
железы в легких, пролечены десятки тысяч больных в крупных медицинских центрах США, Европы, России, Японии [7].
Вследствие того, что при контактном облучении распределение дозы сосредоточено преимущественно в зоне опухоли, причем градиент мощности дозы оказывается наиболее высоким на границе опухоль-нормальная ткань, контактная терапия применяется при локально ограниченных опухолях. Контактная терапия традиционно продолжает широко использоваться при лучевом лечении больных раком головы и шеи, раком шейки матки, ведутся клинические исследования по выявлению её роли при опухолях головного мозга, бронхов, рака поджелудочной железы и опухолях забрюшшшого пространства [3].
Перспективным направлением в разработке и применении терапевтических радиопрспаратов является создание РФГ1 на основе корогкожнвущих радионуклидов - солевой раствор йода-133 вместо йода-131, остсотропнос соединение самария-153 вместо хлорида стронция-89 для лечения костных мегастазов, а также РФП на основе белковых микросфер, которые практически не выводятся из организма. Технолог ия изготовления последних позволяет использовать широкий набор радионуклидов оптимальных по своим ядсрно-физическим характеристикам: |86Яе, шЯе, |77Ьи, 1538т, 165Иу, 166Но, |69Ег, 2ПД1, получаемых при облучении соответствующих стабильных изотопов в потоке тепловых нейтронов ядерных реакторов [7].
Накоплен опыт применения ш1, 198Аи, *°У, 32Р для лечения различных заболеваний. Проводится клиническое испытание 1538т- оксабифора [7].
Начиная с 70-х годов для проведения контактной терапии начали применять калифориий-252, образующий при спонтанном распаде нейтроны со средней энергией 2,35 МэВ.
25
У. 1.2. Сравнение методов лучевой терапии фотонами, электронами и другими частицами: протонами, ионами, нейтронами и пионами
Методы лучевой терапии протонами Тяжелые заряженные частицы теряют энергию в среде в результате ионизационных потерь, неупругого рассеяния и ядерных реакций [9]. Ионизационные потери энергии пропорциональны квадрату заряда частицы и приблизительно обратно пропорциональны квадрату ее скорости. Поэтому с увеличением глубины проникновения тяжелых ионов и протонов в вещество энергетические потери на единицу пути (то есть поглощаемая веществом доза) увеличиваются и дают в конце пробега острый максимум, называемый пиком Брэгга [10,11] (рис.1). Зависимость энергетических потерь тяжелых ионов и протонов от их глубины проникновения в вещество носит название кривой Брэгга. Область спад дозы за пиком Брэгга от 90% до 20% (обычно называемая геныо) составляет 3-5 мм. Небольшое (по сравнению с пучками электронов) рассеяние протонов и ионов в веществе (часто называемое боковым рассеянием), наличие в их глубинных распределениях дозы максимума в конце пробега представляют собой важное преимущество. Оно заключается в том, что позволяет концентрировать большую дозу внутри объема мишени и уменьшать дозу в окружающих ее здоровых тканях (рис. 1). Отмеченное преимущество оказывается полезным при использовании пучков протонов в лучевой терапии. Еще одно преимущество - высокая степень точности попадания в мишень, которая составляет порядка 1 мм. Использование в клиниках протонных пучков основано на этих и других их характеристиках.
Важнейшей из таких характеристик является относительная биологическая эффективность (ОБЭ), которая определяется как отношение поглощенной дозы эталонного излучения (обычно у-излучения источника 60Со) к поглощенной дозе данного излучения, если эти дозы приводят к
одинаковому биологическому эффекту. ОБЭ других типов излучений,
26
согласно этому определению может отличаться от единицы. ОБЭ пучков протонов высоких энергий несколько выше единицы, так как при взаимодействии протонов с веществом образуется большое количество вторичных частиц. Все эти частицы (протоны, нейтроны, дейтроны, а-частицы и др. кроме вторичных фотонов) обладают небольшой энергией и имеют ОБЭ существенно выше единицы.
Протонная терапия имеет преимущество при лечении опухолей, прилегающих к особо чувствительным к ионизирующему излучению органам (головному и спинному мозгу, сетчатке глаза и т.д.) [13].
Типичные энергии протонов в пучках, используемых для лечения, составляют 70-250 МэВ. Для облучения опухоли но всей ее глубине острый пик Брэгга модифицируется в распределение, равномерное в некоторой области. Это достигается с помощью специальных фильтров, установленных на пути пучка. Обычно используют гребенчатые, вращающиеся, спиральные и другие фильтры. Принцип их действия сводится к преобразованию исходного моноэнсргетического пучка в пучок с широким энергетическим спектром [10]. Пучок протонов проходит разный слой вещества фильтра и в результате ионизационных потерь образуется спектр протонов с разными энергиями. Подбором соответствующих параметров фильтра можно добиться ширины и равномерности “плато” с заданной точностью (рис.1).
При прохождении пучка протонов внутри пациента на его пути встречаются различные неоднородности: полости, кости, сосуды и другие. При этом искажается фронт пучка, а также равномерность распределения дозы [14]. Одним из способов борьбы с этим эффектом является использование болюса - специального компенсатора неоднородностей, устанавливаемого непосредственно перед пацнетгом. Появление неоднородности на пути пучка тяжелых заряженных частиц не столь сильно влияет на на величину угла рассеяния как для пучка электронов. При
27
использовании пучков электронов угловой разброс пучка существенно выше. Вблизи границы сред разной плотности в обоих случаях наблюдается колебание дозы.
За последние годы был получен большой опыт лечения больных протонами главным образом в области онкоофтальмологии (почти 55% случаев), радионейрохирургии (25 % случаев), которые составляют лишь 5-7% в структуре онкологической заболеваемости. Имеется также небольшой опыт лечения больных с опухолями простаты, шейки матки, легких и других органов человека. Это лечение проводилось более чем в 30 лечебных центрах мира таблица 1, в том числе и трех российских центрах (ИТЭФ, ОИЯИ (Дубна), ЦНИРРИ (Гатчина)), созданных на базе ускорителей, действующих в научных центрах [15].
В последнее время методы лечения с помощью протонов находят все большее применение. Предполагается расширить сферу использования протонной лучевой терапии (Г1ЛТ) до 24 -27% от всей структуры онкологической заболеваемости. Дальнейшие перспективы этого метода связаны с нарастающим процессом создания специализированных госпитальных центров протонной лучевой терапии, первый из которых был запущен в 1990 г. в Лома-Линде (США). В настоящее время действует уже девять крупных клинических центров, а сооружение еще семи центров завершаегся. Сущеегвующие методики позволяют настроить установку на лечение конкретного пациента. Стоимость госпитальных протонных центров постоянно снижается и сегодня она уже не намного превосходит стоимость обычных радиотераневтичсских центров.
В лучевой терапии применяются и другие виды ионизирующих излучений. Их свойства и распределения дозы менее изучены, а установки для получения и использования зачастую очень дороги. Поэтому они распространены существенно меньше.
28