Физические свойства различных видов ионизирующих излучений

ФИЗИЧЕСКИЕ И БИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ

Вопросы

1. Введение

2. Физические свойства различных видов излучения.

3. Клиническая дозиметрия.

4. Разновидности доз и единицы их измерения.

5. Основные стадии биологического действия ионизирующего излучения.

6. Основные факторы, модифицирующие радиочувствительность.

7. Радиобиологические принципы лучевой терапии опухолей.

8. Оптимизация лучевых методов лечения злокачественных опухолей.

9. Радиосенсибилизация опухолей.

Дидактический материал, демонстрация слайдов:

1. Портрет А.Беккереля, портрет В.К. Рентгена.

2. Портрет Ф. Кюри, портрет И. Кюри.

3. Свойства альфа, бета- и гамма-излучений.

4. Радиоактивные изотопы, применяющиеся в клинической радиологии.

5. Закрытые и открытые источники ионизирующих излучений.

6. Классификация методов дозиметрии ионизирующих излучений.

7. Схема ионизационной камеры.

8. Схема сцинтилляционного дозиметра.

9. Активность радиоактивных изотопов и ее единицы.

10. Единицы поглощенной и экспозиционной дозы излучения.

11. Относительная биологическая эффективность.

12. Изодоза; определение поглощенной очаговой дозы.

13. Радиочувствительность злокачественных опухолей.

14. Фактор времени в лучевой терапии.

Введение

ЛУЧЕВАЯ ТЕРАПИЯ - клиническая дисциплина, использующая в качестве лечебного фактора ионизирующее излучение. Лучевая терапия занимает важное место в лечении злокачественных новообразований, кроме того, она является ценной методикой в лечении ряда неопухолевых заболеваний.

На первом этапе развития лучевой терапии применение рентгеновского излучения основывалось на эмпирических данных. Метод использовали для лечения кожных заболеваний с целью эпиляции. В 1902-1903 г.г. в России впервые при лечении рака кожи применили радий. М.Я. Брейтман на XIV Международном съезде врачей доложил о первых результатах радиевой терапии заболеваний кожи по данным российских авторов. В 1906 г. приват – доцент Клиники кожных болезней Московского университета Д.Ф. Решетилло выпустил первое отечественное руководство по лучевой терапии «Лечение лучами Рентгена с предварительным изложением рентгенологии и рентгенодиагностики». В 1911 г. известный ученый Е.С. Лондон опубликовал первую в мире монографию «Радий в биологии и медицине». Однако возможности воздействия на глубоко расположенные органы были ограничены из-за повреждений кожи, которая поглощала большое количество излучений низкой энергии.

Второй этап развития терапии связан с техническим прогрессом, открывшим возможности облучения глубоко расположенных тканей и органов. Доминировала идея массивного однократного облучения опухоли. Наибольшее распространение она получила в Германии и США. Однако значительное повреждение не только опухоли, но и окружающих тканей приводило к тяжелой интоксикации организма и прогрессирующему расстройству кровообращения в облученной области, что способствовало развитию тяжелых осложнений.

Третий этап лучевой терапии связывают с работами французского радиолога К. Рего. В исследованиях, начатых в 1919 г., К. Рего и его сотрудниками было показано, что повторные облучения в сравнительно небольших дозах значительно эффективнее массивных однократных воздействий.

Четвертый этап связан с работами группы английских физиков и радиологов (манчестерская школа). В основе этих работ лежал четкий дозиметрический план и высокая точность наведения пучка излучения на очаг. Новый период характеризовался тесным содружеством лучевых терапевтов и физиков, осуществляющих дозиметрическое планирование.

На основе концепций, разработанных на предыдущих этапах, развернулся современный, пятый этап развития лучевой терапии. Он связан с кооперацией специалистов, сочетанием физико-дозиметрических, технических, клинических и радиобиологических подходов к лечению каждого больного с опухолевым заболеванием.

Сегодня, как и в период зарождения лучевой терапии, ее генеральная задача состоит в достижении максимальной избирательности поражения опухолей с минимальными последствиями в отношении нормальных тканей.

В основе лечебного применения ионизируюших излучений лежит их биологический эффект.

Каковы же основные особенности биологического действия ионизирующего излучения по сравнению с другими физическими факторами:

1. Большое несоответствие между ничтожной величиной поглощенной энергии ионизирующего излучения и крайней степенью выраженности реакций биологического объекта вплоть до летального эффекта. (Основной радиобиологический парадокс).

2. Отсутствие специфических рецепторов в организме человека, воспринимающих ионизирующую радиацию.

3. Скрытый характер лучевых эффектов, особенно при облучении в малых дозах, наличие латентного периода (в широком диапазоне доз).

4. Возможность беспорогового эффекта.

5. Нарушение механизмов, обеспечивающих стационарное состояние биологических систем.

Актуальность знания и исследования биологического действия ионизирующих излучений продиктована, по крайней мере, тремя обстоятельствами:

1. Все живые организмы подвергаются действию естественного радиационного фона, который составляют космические лучи и излучения радиоактивных элементов земной коры;

2. Все население республики Беларусь подверглось повышенному воздействию атомной радиации вследствие катастрофы на Чернобыльской АЭС.

3. Разработка эффективных методов лучевой терапии опухолей и других патологических состояний невозможна без средств направленного изучения чувствительности клеток и тканей к радиационному воздействию.

Физические свойства различных видов ионизирующих излучений

Из таблицы 1 видно, что рентгеновское излучение и тормозное излучение высокой энергии обладает сходными с гамма-излучением природой и физическими свойствами.

Таблица 1 – Свойства квантовых излучений

К корпускулярному излучению относятся альфа-частицы, бета-частицы, нейтроны, протоны, пи-мезоны и тяжелые ионы. Они представляют собой поток быстролетящих заряженных или нейтральных (нейтроны) частиц – корпускул.

Альфа-излучение (a-частицы) – это поток частиц с массой, равной четырем, и двойным положительным зарядом, т.е. поток ядер атомов гелия. Альфа-частица состоит из двух нейтронов и двух протонов. Альфа-излучение естественных радиоактивных изотопов (энергия до 9 МэВ) обладает очень малой проникающей способностью, составляющей в тканях человека 50-70 мк. Оно применяется только в виде общих или местных радоновых ванн (²²²Rn) в физиотерапевтической практике. Альфа-частицы супервольтной энергии (800 МэВ), полученные на циклических ускорителях, обладают высокой проникающей способностью.

Бета-излучение (b-частицы) – это частицы, имеющие отрицательный или положительный заряд и массу, равную 1/1840 массы атома водорода. Их энергия варьирует в значительных пределах: от минимальной, практически нулевой, до максимальной – в несколько миллионов электрон-вольт. Источниками бета-излучения являются естественные и искусственные радиоактивные вещества (³²Р, ⁹⁰Y, ¹³¹I), а также линейные и цикличные ускорители. Характеристика альфа- и бета-излучения радиоактивных веществ приведена в таблице 2.

Таблица 2 – Свойства альфа- и бета-излучений радиоактивных веществ

Как следует из таблицы 2, проникающая способность бета-частиц значительно превосходит таковую альфа-частиц, тогда как ионизационная способность альфа-излучения намного выше, чем бета-излучения.

Таким образом, сопоставляя физические свойства альфа- и бета-частиц, источником которых являются радиоактивные вещества, с таковыми ортовольтного рентгеновского и гамма-излучения необходимо подчеркнуть, что наибольшей проникающей способностью обладают гамма-лучи. Что касается плотности ионизации, то на единицу пробега в тканях альфа-частицы оказывают действие в сотни раз более сильное, чем бета-частицы, и в тысячу раз сильнее, чем рентгеновское и гамма-излучение.

Нейтронное излучение – поток нейтронов, представляющих собой элементарные частицы, не имеющие электронного заряда, с массой, равной 1,00897 атомной единицы массы. В клинической практике находят применение быстрые нейтроны с энергией от 20 кэВ до 20 МэВ. Основными источниками нейтронов, используемых с лечебной целью, являются ускорители и ядерные реакторы (для дистанционного облучения), а также радиоактивный калифорний (²⁵²Сf) для контактного облучения.

Протонное излучение – поток элементарных частиц с массой, равной 1,00758 атомной единицы массы, и положительным зарядом. Протоны – это ядра атомов водорода, образующиеся при ионизации атомов водорода. Источником протонов для медицинских целей служат ускорители. Преимуществом протонов и получаемых на ускорителях альфа-частиц перед перечисленными ранее видами излучений является их способность образовывать в конце своего пробега в тканях максимум ионизации, именуемый пиком Брэгга. При этом доза в пике превосходит таковую в окружающих тканях в 2,5 – 3,5 раза.

Пи-мезонное излучение – поток элементарных частиц, имеющих массу, промежуточную между массой электрона и протона. Мезоны могут быть положительными (p+), отрицательными (p–) и нейтральными (p°). Заряд положительных и отрицательных пи-мезонов равен заряду электрона, а масса составляет 273,2 массы электрона. Как и у протонов, плотность ионизации у пи-мезонов растет к концу пробега (пик Брэгга). Однако, в отличие от протонов, остановившиеся отрицательные пи-мезоны захватываются ядрами атомов кислорода, углерода, азота или водорода, а затем расщепляют ядра с высвобождением громадного количества энергии, т.е. образуется максимум ионизации. При этом соотношение дозы в пике к дозе в окружающих тканях достигает 10/1. Основным источником мезонов являются ускорители.

Тяжелые ионы – ионы кислорода, азота, неона, аргона – имеют положительный заряд, обладают высокой плотностью ионизации и образуют пик Брэгга. Источником тяжелых ионов являются ускорители.

Физические свойства корпускулярных излучений супервольтных энергий представлены в таблице 3.

Таблица 3 – Свойства корпускулярных излучений супервольтных энергий

Из таблицы 3 видно, что наибольшей массой обладают ускоренные альфа-частицы и тяжелые ионы, наименьшей – быстрые электроны. Что касается величины энергии, то наиболее высокой она является у альфа-частиц, самой маленькой – у быстрых нейтронов.

Клиническая дозиметрия

Исход лучевого воздействия определяется наряду с радиочувствительностью дозой излучения, облучаемым объемом и временем облучения.

Специфических рецепторов, воспринимающих ионизирующие излучения у человека нет, вместе с тем, ионизирующие излучения могут быть обнаружены и зарегистрированы по тем эффектам, которые возникают в результате их взаимодействия с веществом.

Эффект взаимодействия ионизирующих излучений с веществом можно наблюдать в физических, химических и биологических средах, что позволяет различать физические, химические и биологические методы клинической дозиметрии. Каждый из этих методов дозиметрии включает в себя большое число способов регистрации ионизирующих излучений, неравноценных в точности измерения. Среди физических методов наибольшее распространение получила возможность регистрации ионизации в газообразных и твердых веществах (дозиметры, оснащенные ионизационными камерами, счетчики Гейгера-Мюллера, сцинтилляционные и полупроводниковые дозиметры). Среди химических методов дозиметрии широко применяется фотографический способ. Биологические методы дозиметрии в настоящее время полностью утратили свое значение и практического применения в клинике не находят.

В рентгеновских и радиологических отделениях для контроля доз излучения, действующих на больных и медицинский персонал, применяются ионизационные камеры, сцинтилляционные, полупроводниковые и пленочные дозиметры.

Ионизационные камеры. При взаимодействии излучения с веществом часть энергии передается атомам этого вещества и расходуется на их ионизацию и возбуждение. В ионизационной камере веществом, в котором вызывается процесс ионизации, служит газ.

Ионизационная камера представляет собой цилиндр с ограниченным объемом газа, помещенный в электрическое поле. Электрическое поле создается путем прикладывания разности потенциалов от внешнего источника к двум изолированным друг от друга проводникам, между которыми находится газ. В обычных условиях газ является изолятором, поэтому тока в цепи нет. Под действием ионизирующего излучения в газе, заполняющем камеру, появляются положительные и отрицательные ионы. Благодаря наличию электрического поля беспорядочное движение ионов сменяется направленным, при котором положительные ионы движутся к отрицательно заряженному электроду, а отрицательные – к положительно заряженному. Число ионов, подходящих к электродам за единицу времени, пропорционально скорости направленного движения. Скорость направленного движения при малых величинах напряжения сравнительно небольшая, время, за которое ионы доходят до электродов, велико, и большое количество ионов рекомбинирует, не успевая достигнуть электродов. При дальнейшем увеличении напряжения между электродами сила тока в цепи будет возрастать за счет большего числа ионов, достигающих электродов. Наконец, при некотором напряжении время, за которое ионы доходят до электродов, становится намного меньше среднего времени рекомбинации, и все ионы, образующиеся под воздействием излучения, доходят до электродов камеры. В этом случае ионизационный ток пропорционален числу ионов, образующихся в камере за единицу времени, и, следовательно, пропорционален интенсивности ионизирующего излучения.

В зависимости от назначения различают два типа ионизационных камер:

1. камеры для измерения суммарного ионизационного эффекта; такие камеры могут измерять силу тока, вызванного большим количеством ионизирующего излучения, или заряд, накопленный за продолжительное время на электродах;

2. камеры для измерения отдельных ионизирующих частиц (импульсные камеры).

Ионизационные камеры используют для счета ионов, возникающих при действии заряженных частиц, рентгеновского, гамма-излучения и потока быстрых нейтронов. Малая проникающая способность альфа-частиц вынуждает использовать для их регистрации камеры с очень тонкими окнами или размещать альфа-препарат непосредственно в чувствительном объеме камеры. В силу высокой ионизирующей способности и малого пробега альфа-частиц ионизационные камеры для измерения альфа-излучения имеют небольшое расстояние между электродами. Препараты, испускающие бета-излучение, располагаются вне камеры, при этом камера оснащается окном с тонкими воздухоэквивалентными стенками. В ионизационных камерах, применяемых для регистрации рентгеновского и гамма-излучений, образующиеся в стенках камеры вторичные электроны играют более важную роль, чем электроны, возникающие в газе камеры. Чем больше газовый объем камеры, тем больше число ионов, возникающих в нем под действием вторичных электронов. Поэтому для регистрации малых доз излучения используют сравнительно большие камеры, а для больших доз – маленькие. Ионизационные камеры позволяют регистрировать дозы различных излучений с энергиями от единиц килоэлектрон-вольт до десятков мегаэлектрон-вольт.

Сцинтилляционные дозиметры. При прохождении излучения через вещество происходит не только ионизация, но и возбуждение атомов и молекул. Переход атомов и молекул из возбужденного в невозбужденное состояние, как известно, может сопровождаться испусканием ультрафиолетового, видимого или инфракрасного света. В некоторых веществах доля энергии первичного излучения, преобразуемого в видимое излучение, довольно велика (около 20% от энергии первичного излучения). Вещества, обладающие такой способностью, называются сцинтилляторами. К ним относятся некоторые неорганические соединения, например, йодистый калий, йодистый натрий, йодистый цезий, а также такие органические вещества, как антрацен, стильбен, толан и др.

Сцинтилляционный счетчик состоит из сцинтиллятора, фотоэлектронного умножителя (ФЭУ) и электроизмерительного прибора. Фотон светового излучения, возникший при попадании заряженной частицы в вещество сцинтиллятора, выбивает из фотокатода фотоэлектронного умножителя электрон. Этот электрон дает начало ряду последовательных процессов умножения в результате эффекта вторичной эмиссии на электродах фотоумножителя, называемых диодами. В результате на выходном электроде (аноде) возникает поддающийся измерению импульс тока.

Обычные конструкции фотоэлектронных умножителей предусматривают наличие 8-10 диодов, что позволяет получить количество электронов, приходящих на анод ФЭУ, в 10⁸-10⁹ раз больше, чем было выбито из фотокатода.

Сцинтилляционные счетчики отличаются высокой эффективностью измерения, в частности, по отношению к рентгеновскому и гамма-излучению. Кроме того, сцинтилляторы позволяют регистрировать заряженные частицы, следующие друг за другом с ничтожными промежутками времени (до 10^-9 с). Важным преимуществом таких счетчиков, по сравнению с другими дозиметрами, является возможность использования сцинтилляторов малой величины, что позволяет проводить измерения доз не только в воздухе или на поверхности облучаемого объекта, но и в глубине.

Полупроводниковые дозиметры. Метод полупроводниковой дозиметрии основан на способности некоторых веществ изменять сопротивление под воздействием ионизирующих излучений. Ряд полупроводников, обладающих достаточной чувствительностью, может быть использован для клинической дозиметрии. Таковы, например, кристаллы сернистого кадмия (СdS), который является полупроводником. Полупроводники имеют некоторое количество электронов проводимости, способных перемещаться под действием магнитного поля, а другой части электронов не хватает небольшого количества энергии для того, чтобы стать электронами проводимости. Эта энергия может быть получена за счет ионизирующего излучения. В таком случае сопротивление полупроводника значительно уменьшается. Если к кристаллу проводника приложена разность потенциалов, и на него начинает воздействовать ионизирующее излучение, то ток в цепи в связи с уменьшением сопротивления полупроводника значительно увеличивается и будет пропорционален интенсивности излучения.

Детекторы из сульфида кадмия имеют небольшие размеры (несколько кубических миллиметров); диапазон чувствительности от 1 до 120 рентген/ч (Р/ч). Эти свойства позволяют использовать дозиметр с СdS для измерения глубинных доз, особенно при внутриполостной дозиметрии.

Фотографический метод дозиметрии. Как известно, под действием ионизирующих излучений в фотоэмульсии возникает скрытое изображение. После проявления и фиксирования засвеченные участки чернеют. Химизм процесса заключается в том, что под действием излучения бромистое серебро, составляющее основу чувствительного слоя фотопластины, разлагается с образованием свободных атомов серебра.

Фотографический метод может быть использован для определения доз в фантомах и для индивидуальной дозиметрии. Степень почернения фотопленки зависит от спектрального состава излучения (энергии фотонов) и от дозы. Наибольший интерес фотографический метод представляет для индивидуальной дозиметрии.

По степени почернения пленки можно судить о дозе, полученной данным сотрудником. Степень почернения изменяется путем сравнения с эталонной пленкой на фотометре. Важным условием для получения достаточно точных результатов измерения является обработка фотоматериала и эталонных пленок в одинаковых растворах проявителя и в идентичных условиях.

Термолюминесцентный метод дозиметрии. При термолюминесцентном методе дозиметрии производится измерение световой энергии, выделяющейся при нагревании облученных детекторов до определенной температуры. Достоинства этих детекторов в том, что они имеют небольшие размеры, не связаны с измерительным прибором, имеют широкий диапазон доз, с их помощью измерения могут быть проведены после облучения. Для изготовления детекторов используют составы на основе фтористого лития, соединения кальция, алюмофосфатные стекла. Широко применяются при индивидуальной дозиметрии.