Введение к работе
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 стоит 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 рассеяние пучка. При этом удается равномерно облучать мишень, направляя пучок с одного или нескольких направлений, 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 излучений - 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, niCs,^la). Это обусловлено
' Под термином «передача дозы» здесь имеется в виду передача энергии пучка ионизирующего излучения единице объема вещества или биологических тканей.
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 мишенью 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 создается 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 предлучевой 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 факторам относится прежде всего относительная биологическая эффективность (ОБЭ) различных видов излучений, а также факторы, связанные с химическим, тепловым и другими модификаторами действия ионизирующего излучения.
Мало исследованным, но гораздо 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 эффективность 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 электронов с энергиями (20-70 МэВ);
позволяющий получить равномерное распределение дозы в некотором объеме биологических тканей на заданной глубине для пучков фотонов и электронов;
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.
-
Предложен и исследован метод лучевой терапии пучками позитронов, позволяющий в процессе облучения осуществлять контроль распределения дозы в различных участках мишени и окружающих ее тканях.
-
На основании теории переноса излучения и теории электронно-фотонных ливней впервые разработан метод аналитической оценки формы распределения дозы на оси пучка фотонов с энергаей до 50 МэВ в зависимости от глубины его проникновения в вещество.
-
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, l4N и 160. С этой целью разработан метод расчета и получены оценки сечений и энергетических спектров фотоядерных реакций на легких ядрах 3Н, 3,4Не, 67Li, 12С, 14N и ,60.
-
Разработана компьютерная модель фантома человека, которая учитывает элементный состав биологических тканей, форму и взаимное расположение органов.
-
Разработан новый блок программ (в качестве дополнения к библиотекам программ GEANT3,4 и EGS4) 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 GEANT3,4 и EGS4, 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 магнитною поля позволяют повысить дозу в объеме мишени при одновременном снижении дозы в окружающих ее тканях.
-
Предложенные физические методы позволяют равномерно облучать определенный объем мишени на глубине до 15 см и могут быть использованы в лучевой терапии.
-
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.
-
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).
-
Аналитическое выражение глубинного распределения дозы для пучка электронов может быть использовано для быстрых оценок величины дозы, а также сократит время расчетов распределения дозы.
-
Определено соотношение вкладов различных механизмов взаимодействия с веществом пучков фотонов, электронов и позитронов в величину и распределение поглощенной дозы в объеме мишени и за ее пределами.
-
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 зашиту:
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 (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.
-
Метод анализа экспериментальных данных, который позволяет оценить сечения и энергетические спектры продуктов фотоядерных реакций на легких ядрах.
-
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 тканеэквивалентном фантоме, помещенном в сильное поперечное магнитное поле.
Апробация работы. Основные положения и результаты
диссертационной работы были представлены и обсуждены на XXXIII, XXXV-XL, LIV Совещаниях по 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 по защите от ионизирующих излучений ядерно- технических установок (Москва, 1989); Съезде российских физиков- преподавателей «Физическое образование в XXI веке» (Москва, 2001); на I Евразийском конгрессе по медицинской физике (Москва, 2001); на ІУ 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 НШ-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, 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.
