Іонізуюче випромінювання - це сукупність різних видів мікрочастинок і фізичних полів, що мають здатність іонізувати речовину, тобто утворювати в ньому електрично заряджені частинки - іони. Розрізняють декілька видів іонізуючих випромінювань: альфа-, бета-, гамма-випромінювання, а також нейтронне випромінювання.
Альфа-випромінювання
У формуванні позитивно заряджених альфа-частинок беруть участь 2 протони та 2 нейтрони, що входять до складу ядер гелію. Альфа-частинки утворюються при розпаді ядра атома і можуть мати початкову кінетичну енергію від 18 до 15 МеВ. Характерними особливостями альфа-випромінювання є висока іонізуюча та мала проникаюча здатність. Під час руху альфа-частинки дуже швидко втрачають свою енергію, і це обумовлює той факт, що її не вистачає навіть для подолання тонких пластмасових поверхонь. В цілому, зовнішнє опромінення альфа-частинками, якщо не брати до уваги високоенергійні альфа-частинки, отримані за допомогою прискорювача, не несе в собі жодної шкоди для людини, а ось проникнення частинок всередину організму може бути небезпечним для здоров'я., оскільки альфа-радіонукліди відрізняються великим періодом напіврозпаду і мають сильну іонізацію. У разі потрапляння всередину організму альфа-частинки часто можуть бути навіть небезпечнішими, ніж бета- та гамма-випромінювання.
Бета-випромінювання
Заряджені бета-частинки, швидкість яких близька до швидкості світла утворюються в результаті бета-розпаду. Бета-промені мають більшу проникаючу здатність, ніж альфа-промені - вони можуть викликати хімічні реакції, люмінесценцію, іонізувати гази, впливати на фотопластинки. Як захист від потоку заряджених бета-часток (енергією не більше 1МеВ) достатньо буде використовувати звичайну алюмінієву пластину завтовшки 3-5 мм.
Фотонне випромінювання: гамма-випромінювання та рентгенівське випромінювання
Фотонне випромінювання включає два види випромінювань: рентгенівське (може бути гальмівним і характеристичним) і гамма-випромінювання.
Найбільш поширеним видом фотонного випромінювання є дуже високою енергією при ультракороткій довжині хвилі гамма-частинки, які являють собою потік високоенергійних, не володіють зарядом фотонів. На відміну від альфа- та бета-променів гамма-частки не відхиляються магнітними та електричними полямиі мають значно більшу проникаючу здатність. У певних кількостях та за певної тривалості впливу гамма-випромінювання може викликати променеву хворобу, призвести до виникнення різних онкологічних захворювань. Перешкоджати поширенню потоку гамма-частинок можуть лише такі важкі хімічні елементи, як, наприклад, свинець, збіднений уран та вольфрам.
Нейтронне випромінювання
Джерелом виникнення нейтронного випромінювання можуть бути ядерні вибухи, ядерні реактори, лабораторні та промислові установки. Самі нейтрони є електрично нейтральні, нестабільні (період напіврозпаду вільного нейтрону становить близько 10 хвилин) частинки, які завдяки тому, що у них відсутній заряд, відрізняються великою проникаючою здатністю при слабкому ступені взаємодії з речовиною. Нейтронне випромінювання дуже небезпечне, тому для захисту від нього використовують ряд спеціальних, в основному водневмісних матеріалів. Найкраще нейтронне випромінювання поглинається звичайною водою, поліетиленом, парафіном, а також розчинами гідроксидів важких металів.
Як іонізуючі випромінювання впливають на речовини?
Усі види іонізуючих випромінювань у тому чи іншою мірою впливають на різні речовини, Але найсильніше воно виражене у гамма-частинок і в нейтронів. Так, при тривалому впливі вони можуть суттєво змінити властивості різних матеріалів, змінити хімічний складречовин, іонізувати діелектрики та надавати руйнівний ефект на біологічні тканини. Природне радіаційне тло не завдасть людині особливої шкоди, проте при поводженні зі штучними джерелами іонізуючих випромінювань варто бути дуже обережними і вживати всіх необхідних заходів, щоб до мінімуму знизити рівень впливу випромінювання на організм.
Фотонне випромінювання (воно ж гамма воно ж рентгенівське воно ж гальмівне воно характерне). Насправді це назви одного всього ж випромінювання - фотонного, тільки при різних енергіях фотона і отримане різними способами.
При проходженні рентгенівських променівчерез якесь тверде, рідке або газоподібна речовинавони взаємодіють з електронами, при дуже великій жорсткості та ядрами атомів елементів, що входять до складу речовини і при цьому втрачають частину своєї енергії внаслідок:
1) справжнього поглинання, тобто. перетворення їх енергії на інші види енергії;
2) розсіювання, тобто. зміни напряму поширення променів без зміни довжини та зі зміною довжини хвилі.
Первинними елементарними процесами справжнього поглинання рентгенівського випромінювання, тобто. перетворення їх енергії на кінетичну енергію електронів є:
а) фотоелектричний ефект - виривання електронів з атомів поглинаючої речовини та повідомлення їм кінетичної енергії (фотоелектричне поглинання);
б) комптон-ефект - когерентне і некогерентне розсіювання, тобто. із зміною довжини хвилі та передачею частини енергії розсіюючому електрону; Ефектом Комптонуназивається пружне розсіювання короткохвильового електромагнітного випромінювання (рентгенівського та?-випромінювань) на вільних (або слабозв'язаних) електронах речовини, що супроводжується збільшенням довжини хвилі.
в) утворення елементарних пар зарядів - електрона та позитрона - та повідомлення їм кінетичної енергії. Утворення пар електрон-позитрон грає визначальну роль у поглинанні речовиною гамма-квантів високої енергії, а також, спільно з гальмівним випромінюванням, у виникненні так званих електронно-фотонних злив у космічних променях. Процеси анігіляції (народження фотоном електрон-позитронної пари) і народження пар інших частинок знайшли застосування в наукових дослідженнях. Так, розподіл виникають при анігіляції фотонів по їх кутах розльоту дозволяє знайти розподіл електронів у металах за швидкостями (так як ймовірність анігіляції позитрону в речовині сильно залежить від віднос. швидкості позитрона н бере участь у тепловому русі електрона). Знання цього розподілу необхідно, наприклад, для розрахунку питомої теплоємності металів за дуже низьких температур. Інший приклад: за народженням електрон-позитронних пар можна отримувати відомості про фотони, що утворюються в реакції, великої енергії. Фотон, як і будь-яку іншу незаряджену частинку, не можна спостерігати безпосередньо, тому що він не залишає видимого сліду в детекторах частинок, таких, як камера Вільсона, бульбашкова камера, ядерна фотографічна емульсія та ін, і про його енергію, імпульс, а також про самому факті його освіти можна дізнатися тільки за народженою ним парою (а для фотона меншої енергії - за комптонопським електроном віддачі, див. Комптон-ефект).
До фотонних ІІ відносяться -випромінювання радіоактивних речовин, характеристичне та гальмівне випромінювання, що генеруються різними прискорювачами. ЛПІ фотонного випромінювання найнижча (1-2 пари іонів на 1 см 3 повітря), що визначає його високу проникаючу здатність (у повітрі довжина пробігу становить кілька сотень метрів).
-випромінювання виникає при радіоактивному розпаді. Перехід ядра із збудженого в основний стан супроводжується випромінюванням -кванту з енергіями від 10 кэВ до 5 МеВ. Основними терапевтичними джерелами випромінювання є апарати (гармати).
Гальмівне рентгенівське випромінювання виникає за рахунок прискорення та різкого гальмування електронів у вакуумних системах різних прискорювачів та відрізняється від рентгенівського більшою енергією квантів (від одного до десятків МеВ).
При проходженні потоку фотонів через речовину відбувається його ослаблення внаслідок наступних процесів взаємодії (тип взаємодії фотонів з атомами речовини залежить від енергії фотонів):
Класичне (когерентне, або томпсонівське, розсіювання) - Для фотонів з енергією від 10 до 50-100 кеВ. Відносна частота цього ефекту мала. Відбувається взаємодія, яка істотної ролі не грає, оскільки квант, зіткнувшись з електроном, відхиляється, і його енергія не змінюється.
Фотоелектричне поглинання (фотоефект) - при відносно малих енергіях – від 50 до 300 кеВ (грає істотну рольпри рентгенотерапії). Падаючий квант вибиває орбітальний електрон з атома, сам при цьому поглинається, а електрон, трохи змінивши напрямок, відлітає. Цей електрон, що відлетів, називається фотоелектроном. Таким чином, енергія фотона витрачається на роботу виходу електрона та надання йому кінетичної енергії.
Ефект Комптону (некогерентне розсіювання) - виникає при енергії фотона від 120 кеВ до 20 МеВ (тобто практично весь спектр променевої терапії). Падаючий квант вибиває електрон із зовнішньої оболонки атома, передаючи йому частину енергії, і змінює свій напрямок. Електрон вилітає з атома під певним кутом, а новий квант відрізняється від початкового як іншим напрямом руху, а й меншою енергією. Утворений квант побічно іонізуватиме середовище, а електрон - прямо.
Процес утворення електронно-позитронних пар - енергія кванта має бути більше 1,02 МеВ (подвоєної енергії спокою електрона). З цим механізмом доводиться зважати при опроміненні хворого на пучок гальмівного випромінювання високої енергії, тобто на високоенергетичних лінійних прискорювачах. Поблизу ядра атома падаючий квант зазнає прискорення і зникає, перетворюючись на електрон і позитрон. Позитрон швидко поєднується із зустрічним електроном, і відбувається процес анігіляції (взаємного знищення), а натомість виникають два фотони, енергія кожного з яких вдвічі менша за енергію вихідного фотона. Таким чином, енергія первинного кванта переходить у кінетичну енергію електрона та в енергію анігіляційного випромінювання.
Фото ядерне поглинання - енергія квантів має бути більшою за 2,5 МеВ. Фотон поглинається ядром атома, у результаті ядро перетворюється на збуджений стан і може або віддати електрон, або розвалитися. Таким чином виходять нейтрони.
В результаті перерахованих вище процесів взаємодії фотонного випромінювання з речовиною виникає вторинне фотонне і корпускулярне випромінювання (електрони і позитрони). Іонізаційна здатність частинок значно більша, ніж фотонного випромінювання.
Просторове ослаблення пучка фотонів відбувається за експоненційним законом (законом зворотних квадратів): інтенсивність випромінювання обернено пропорційна квадрату відстані до джерела випромінювання.
Випромінювання в діапазоні з енергією від 200 кеВ до 15 МеВ знайшло найширше застосування в терапії злоякісних новоутворень. Велика проникаюча здатність дозволяє передавати енергію глибоко розташованим пухлинам. При цьому різко знижується променеве навантаження на шкіру та підшкірну клітковину, що дозволяє підвести необхідну дозу до вогнища ураження без променевого пошкодження вказаних ділянок тіла (на відміну від м'якого рентгенівського випромінювання). Зі збільшенням енергії фотонів більше 15 МеВ збільшується ризик променевого ураження тканин на виході з пучка.
Усі іонізуючі випромінювання поділяються на фотонні та корпускулярні.
До фотонного іонізуючого випромінювання відносяться:
- а) Y-випромінювання, що випромінюється при розпаді радіоактивних ізотопів або анігіляції частинок. Гамма-випромінювання за своєю є короткохвильовим електромагнітним випромінюванням, тобто. потоком високоенергетичних квантів електромагнітної енергії, довжина хвилі яких значно менша від міжатомних відстаней, тобто. y
- б) рентгенівське випромінювання, що виникає при зменшенні кінетичної енергії заряджених частинок та/або при зміні енергетичного стану електронів атома.
Корпускулярне іонізуюче випромінювання складається з потоку заряджених частинок (альфа-, бета-часток, протонів, електронів), кінетична енергія яких є достатньою для іонізації атомів при зіткненні. Нейтрони та інші елементарні часткибезпосередньо не виробляють іонізацію, але в процесі взаємодії з середовищем вивільняють заряджені частинки (електрони, протони), здатні іонізувати атоми та молекули середовища, через яке проходять:
а) нейтрони - єдині незаряджені частинки, що утворюються при деяких реакціях поділу ядер атомів урану чи плутонію. Оскільки ці частинки електронейтральні, вони глибоко проникають у будь-яку речовину, включаючи живі тканини. Відмінною особливістю нейтронного випромінювання є його здатність перетворювати атоми стабільних елементів їх радіоактивні ізотопи, тобто. створювати наведену радіацію, що різко підвищує небезпеку нейтронного випромінювання. Проникаюча здатність нейтронів можна порівняти з Y-випромінюванням. Залежно від рівня енергії, що носиться, умовно розрізняють нейтрони швидкі (що мають енергію від 0,2 до 20 Ме В) і теплові (від 0,25 до 0,5 Ме В). Ця відмінність враховується під час проведення захисних заходів. Швидкі нейтрони сповільнюються, втрачаючи енергію іонізації, речовинами з малою атомною вагою (так званими водневмісними: парафін, вода, пластмаси та ін.). Теплові нейтрони поглинаються матеріалами, що містять бор і кадмій (борна сталь, бораль, графіт борний, сплав кадмію зі свинцем).
Альфа-, бета-частинки і гамма-кванти мають енергію всього в кілька мегаелектронвольт, і створювати наведену радіацію не можуть;
- б) бета частки - електрони, що випускаються під час радіоактивного розпаду ядерних елементів з проміжною іонізуючою та проникаючою здатністю (пробіг у повітрі до 10-20 м).
- в) альфа частинки - позитивно заряджені ядра атомів гелію, а космічному просторі і атомів інших елементів, що випускаються при радіоактивному розпаді ізотопів важких елементів - урану чи радію. Вони мають малу проникаючу здатність (пробіг у повітрі - не більше 10 см), навіть людська шкіра є для них непереборною перешкодою. Небезпечні вони лише при попаданні всередину організму, оскільки здатні вибивати електрони з оболонки нейтрального атома будь-якої речовини, у тому числі й тіла людини, і перетворювати його на позитивно заряджений іон з усіма наслідками, про які буде сказано далі. Так, альфа частка з енергією 5 МеВ утворює 150 000 пар іонів.
Мал. 1
Кількісний вміст радіоактивного матеріалу в організмі людини або речовині визначається терміном активність радіоактивного джерела (радіоактивність). За одиницю радіоактивності в системі СІ прийнято беккерель (Бк), що відповідає одному розпаду в 1 с. Іноді практично застосовується стара одиниця активності - кюрі (Ки). Це активність такої кількості речовини, де за 1с відбувається розпад 37 млрд. атомів. Для перекладу користуються залежністю: 1 Бк = 2,7 х 10 Кі або 1 Кі = 3,7 х 10 Бк.
Кожен радіонуклід має постійний, властивий лише йому період напіврозпаду (час, необхідний втрати речовиною половини активності). Наприклад, в урану-235 він становить 4470 років, тоді як у йоду-131 - всього лише 8 діб.
Іонізуюче випромінювання умовно можна розділити на фотонне та корпускулярне. До фотонного випромінювання відносять електромагнітні коливання, до корпускулярного - потік частинок. Поняття "електромагнітного", "квантового", "фотонного" випромінювання можна вважати еквівалентними.
Тип взаємодії фотонів із атомами речовини залежить від енергії фотонів. Для вимірювання енергії та маси мікрочастинок використовують позасистемну одиницю енергії - електронвольт. 1 еВ - кінетична енергія, яку набуває частка, що несе один елементарний заряд, під дією різниці потенціалів 1В. 1еВ = 1,6 х 10 19 Дж. Кратні одиниці: 1 кеВ = 10 3 еВ; 1 МеВ = 10 6 еВ.
Згідно сучасним уявленням, заряджені частинки (α-, β-частинки, протони та ін) іонізують речовину безпосередньо, а нейтральні частинки (нейтрони) та електромагнітні хвилі (фотони) є опосередковано іонізуючими. Потік нейтральних частинок та електромагнітних хвиль, взаємодіючи з речовиною, викликають утворення заряджених частинок, які іонізують середовище.
2.1. ФОТОННЕ І КОРПУСКУЛЯРНЕ ВИМИКАННЯ
Електромагнітні випромінювання.У променевій терапії використовують рентгенівське випромінювання рентгенотерапевтичних апаратів, гамма-випромінювання радіонуклідів та гальмівне (рентгенівське) випромінювання високих енергій.
Рентгенівське випромінювання- фотонне випромінювання, що складається з гальмівного та (або) характеристичного випромінювання.
Гальмівне випромінювання- короткохвильове електромагнітне випромінювання, що виникає при зміні швидкості (гальмуванні) заряджених частинок при взаємодії з атомами речовини, що гальмує (анода). Довжини хвиль гальмівного рентгенівського випромінювання не залежать від атомного номера речовини, що гальмує, а визначаються тільки енергією прискорених електронів. Спектр гальмівного випромінювання безперервний, з максимальною енергією фотонів, що дорівнює кінетичній енергії частинок, що гальмуються.
Характеристичне випромінюваннявиникає за зміни енергетичного стану атомів. При вибиванні електрона із внутрішньої оболонки
атома електроном або фотоном атом переходить у збуджений стан, а місце, що звільнилося, займає електрон із зовнішньої оболонки. При цьому атом повертається в нормальний стан і випускає квант характеристичного рентгенівського випромінювання з енергією, що дорівнює різниці енергій на відповідних рівнях. Характеристичне випромінювання має лінійний спектр із певними для даної речовини довжинами хвиль, які, як і інтенсивність ліній характеристичного спектру рентгенівського випромінювання, визначаються атомним номером елемента Z та електронною структурою атома.
Інтенсивність гальмівного випромінювання обернено пропорційна квадрату маси зарядженої частинки і прямо пропорційна квадрату атомного номера речовини, в полі якої відбувається гальмування заряджених частинок. Тому збільшення виходу фотонів використовують щодо легкі заряджені частинки - електрони і речовини з великим атомним номером (молібден, вольфрам, платину).
Джерелом рентгенівського випромінювання для цілей променевої терапії є рентгенівська трубка рентгенотерапевтичних апаратів, які в залежності від рівня генерованої енергії діляться на близькофокусні та дистанційні. Рентгенівське випромінювання близькофокусних рентгенотерапевтичних апаратів генерується при анодній напрузі менше 100 кВ, дистанційних – до 250 кВ.
Гальмівне випромінювання високої енергії,як і гальмівне рентгенівське випромінювання - це короткохвильове електромагнітне випромінювання, що виникає при зміні швидкості (гальмуванні) заряджених частинок при взаємодії з атомами мішені. Цей вид випромінювання відрізняється від рентгенівської високої енергії. Джерелами гальмівного випромінювання високої енергії є лінійні прискорювачі електронів – ЛУЕ з енергією гальмівного випромінювання від 6 до 20 МеВ, а також циклічні прискорювачі – бетатрони. Для отримання високоенергетичного гальмівного випромінювання використовують пригальмування різко прискорених електронів у вакуумних системах прискорювачів.
Гамма-випромінювання- короткохвильове електромагнітне випромінювання, що випромінюється збудженими атомними ядрами при радіоактивних перетворенняхабо ядерних реакціях, а також при анігіляції частинки та античастинки (наприклад, електрона та позитрону).
Джерелами гамма-випромінювання є радіонукліди. Кожен радіонуклід випромінює γ-кванти своєї певної енергії. Радіонукліди виробляють на прискорювачах та в ядерних реакторах.
Під активністю радіонуклідного джерела розуміють кількість розпадів атомів за одиницю часу. Вимірювання виробляють у Беккерелях (Бк). 1 Бк – активність джерела, в якому відбувається 1 розпад на секунду. Несистемна одиниця активності – Кюрі (Кі). 1 Кі = 3,7 х 10 10 Бк.
Джерелами γ-випромінювання для дистанційної та внутрішньопорожнинної променевої терапії є 60 Зі 137 Cs.Найбільшого поширення набули препарати 60 Coз енергією фотонів у середньому 1,25 МеВ (1,17 та 1,33 МеВ).
Для проведення внутрішньопорожнинної променевої терапії застосовують 60 Co,
137 Cs, 192 Ir.
При взаємодії фотонного випромінювання з речовиною відбуваються явища фотоефекту, ефекту Комптона, утворення електронпозитронних пар.
Фотоефектполягає у взаємодії гамма-кванта із пов'язаним електроном атома (рис. 10). При фотоелектричному поглинанні вся енергія фотона, що падає, поглинається атомом, з якого вибивається електрон. Після вильоту фотоелектрона у атомній оболонці утворюється вакансія. Перехід менш пов'язаних електронів на вакантні рівні супроводжується виділенням енергії, яка може передаватися одному з електронів верхніх оболонок атома, що призводить до вильоту з атома (ефект Оже), або трансформуватися в енергію характеристичного рентгенівського випромінювання. Таким чином, при фотоефекті частина енергії первинного гамма-кванту перетворюється на енергію електронів (фотоелектрони та електрони Оже), а частина виділяється у вигляді характеристичного випромінювання. Атом, що втратив електрон, перетворюється на позитивний іон, а вибитий електрон - фотоелектрон - в кінці пробігу втрачає енергію, приєднується до нейтрального атома і перетворює його на негативно заряджений іон. Фотоефект відбувається при відносно малих енергіях – від 50 до 300 кеВ, що використовуються при рентгенотерапії.
Рис.10.Фотоефект
Мал. 11.Ефект Комптону
Ефект Комптону (некогерентне розсіювання)виникає при енергії фотона від 120 кеВ до 20 МеВ, тобто за всіх видів іонізуючих випромінювань, що застосовуються при променевій терапії. При ефекті Комптона падає фотон в результаті пружного зіткнення з електронами втрачає частину своєї енергії і змінює напрямок початкового руху, а з атома вибивається електрон віддачі (комптонівський електрон), який здійснює подальшу іонізацію речовини (рис. 11).
Процес перетворення енергії первинного фотона на кінетичну енергію електрона і позитрона та на енергію анігіляційного випромінювання. Енергія кванта має бути більше 1,02 МеВ (подвоєної енергії спокою електрона). Така взаємодія квантів із речовиною відбувається при опроміненні хворих на високоенергетичних лінійних прискорювачах пучком гальмівного випромінювання високої енергії. Фотон зникає у кулонівському полі ядра (або електрона).
Мал. 12.Утворення електрон-позитронних пар
При цьому парі, що виникла, передається вся енергія падаючого фотона за вирахуванням енергії спокою пари. Електрони і позитрони, що виникають у процесі поглинання гамма-квантів, втрачають свою кінетичну енергію в результаті іонізації молекул середовища, а при зустрічі анігілюють з випромінюванням двох фотонів з енергією 0, 511 МеВ кожен (рис. 12).
В результаті перерахованих вище процесів взаємодії фотонного випромінювання з речовиною виникає вторинне фотонне та корпускулярне випромінювання (електрони та позитрони). Іонізаційна здатність частинок значно більша, ніж фотонного випромінювання. При чергуванні процесів утворення електрон-позитронних пар, гальмівного випромінювання серед створюється величезна кількість фотонів і заряджених частинок, так звана лавина випромінювання,яка зі зменшенням енергії кожних фотонів і частинок, що знову утворюються, загасає.
Взаємодія рентгенівського випромінювання з речовиною супроводжується його іонізацією та визначається двома основними ефектами – фотоелектричним поглинанням та комптонівським розсіюванням. При взаємодії гальмівного випромінювання високої енергії з речовиною відбувається комптонівське розсіювання, а також утворення пар іонів, оскільки енергія фотонів більша за 1,02 МеВ.
Інтенсивність фотонного випромінювання точкового джерела змінюється у просторі обернено пропорційно квадрату відстані.
Корпускулярне випромінювання- Потоки заряджених частинок: електронів, протонів, важких іонів (наприклад, ядер вуглецю) з енергіями в кілька сотень МеВ, а також нейтральних частинок - нейтронів. Опромінення за допомогою потоку частинок у цей час почали називати адронною терапією. До адронів (від грецького слова hadros- «важкий») відносяться нуклони, що входять до них протони та нейтрони, а також π -мезони та ін. Джерелами частинок є прискорювачі та ядерні реактори. Залежно від максимальної енергії протонів, що прискорюються, умовно прискорювачі ділять на 5 рівнів, причому прискорювачі 5-го рівня з Ep > 200 МеВ (мезонні фабрики)
використовуються для виробництва окремих радіонуклідів. Як правило, виробництво цих радіонуклідів на циклотронах іншого рівня неможливе чи неефективне.
Електронний пучок високої енергіїгенерується такими самими прискорювачами електронів, як і при отриманні гальмівного випромінювання. Використовують пучки електронів з енергією від 6 до 20 МеВ. Електрони високої енергії мають велику проникаючу здатність. Середня довжина вільного пробігу таких електронів може досягати в тканинах людського організму 10-20 см. Електронний пучок, поглинаючись у тканинах, створює дозне поле, у якому максимум іонізації утворюється поблизу поверхні тіла. За межами максимуму іонізації відбувається досить швидкий спад дози. На сучасних лінійних прискорювачах є можливість регулювати енергію пучка електронів, а, відповідно, створювати необхідну дозу необхідної глибині.
Нейтрон - Частка, що не має заряду. Процеси взаємодії нейтронів (нейтральних частинок) із речовиною залежать від енергії нейтронів та атомного складу речовини. Основний ефект дії теплових (повільних) нейтронів з енергією 0,025 еВ на біологічну тканину відбувається під дією протонів, що утворюються в реакції (n, p) і втрачають свою енергію в місці народження. Більшість енергії повільних нейтронів витрачається на збудження і розщеплення молекул тканин. Майже вся енергія швидких нейтронів з енергією від 200 кеВ до 20 МеВ втрачається на тканині при пружному взаємодії. Подальше виділення енергії відбувається внаслідок іонізації середовища протонами віддачі. Висока лінійна щільність енергії нейтронів перешкоджає репарації опромінених пухлинних клітин.
Ще один вид впливу нейтронами - нейтронозахоплююча терапія, яка є бінарним методом радіотерапії, що з'єднує два компоненти. Перший компонент - це стабільний ізотоп бору 10 B, який при введенні у складі препарату може накопичуватися в клітинах певних видів пухлин головного мозку та меланомах. Другий компонент – потік низькоенергетичних теплових нейтронів. Тяжкі високоенергетичні заряджені частинки (бор розпадається на атоми літію і α-частинки), що утворюються в результаті захоплення ядром 10 B теплового нейтрону, знищують тільки клітини, що знаходяться в безпосередній близькості до атомів бору, майже не вражаючи прилеглі нормальні клітини. Крім бору, у нейтронозахоплюючій терапії перспективне використання препаратів з гадолінієм. Для глибокорозташованих пухлин перспективним є використання епітеплових нейтронів в діапазоні енергій 1 еВ - 10 кеВ, які мають велику проникаючу здатність і, сповільнюючись в тканині до теплових енергій, дозволяють здійснити нейтронозахоплюючу терапію пухлин, розташованих на глибині до 10 см. нейтронів здійснюється з використанням ядерного реактора.
Протон - Позитивно заряджена частка. Використовується метод опромінення на «піку Брегга», коли максимальна енергія заряджених частинок виділяється в кінці пробігу і локалізується в обмеженому обсязі опромінювання.
ної пухлини. В результаті утворюється великий градієнт доз на поверхні тіла і в глибині об'єкта, що опромінюється, після чого відбувається різке згасання енергії. Змінюючи енергію пучка можна змінювати місце його повної зупинки в пухлини з великою точністю. Застосовуються пучки протонів з енергією 70-200 МеВ та техніка багатопольного опромінення з різних напрямків, за якої інтегральна доза розподіляється на великій площі поверхневих тканин. При опроміненні на синхроциклотроні в ПІЯФ (Петербурзький інститут ядерної фізики) використовують фіксовану енергію виведеного протонного пучка - 1000 МеВ і застосовують методику опромінення безперервно. Протони такої високої енергії легко проходять крізь об'єкт, що опромінюється, виробляючи рівномірну іонізацію вздовж свого шляху. При цьому відбувається мале розсіювання протонів у речовині, тому сформований на вході вузький з різкими межами пучок протонів залишається практично вузьким і в зоні опромінення всередині об'єкта. В результаті застосування опромінення безперервно в поєднанні з ротаційною технікою опромінення забезпечується дуже високе відношення дози в зоні опромінення до дози на поверхні об'єкта - близько 200:1. Вузький протонний пучок з розмірами на половині інтенсивності в 5-6 мм використовують для лікування різних захворювань головного мозку, таких як артеріовенозні мальформації головного мозку, аденоми гіпофіза та ін. іонів вуглецювиявляється у піку Брегга вище ніж у протонів у кілька разів. Відбуваються багаторазові подвійні розриви спіралі ДНК атомів опромінюваного обсягу, які після цього не підлягають відновленню.
π -Мезони- безспинові елементарні частинки з масою, величина якої займає проміжне місце між масами електрона та протона. π-мезони з енергіями 25-100 МеВ проходять весь шлях у тканини практично без ядерних взаємодій, а наприкінці пробігу захоплюються ядрами атомів тканини. Акт поглинання π-мезону супроводжується вильотом із зруйнованого ядра нейтронів, протонів, α-часток, іонів Li, Be та ін. Активному впровадженню в клінічну практику адронної терапії поки що перешкоджає висока вартість технологічного забезпечення процесу.
Перевагами використання випромінювання високою енергією для лікування злоякісних пухлин, що знаходяться на глибині, є при збільшенні енергії зростання глибинної дози та зменшення поверхневої, більш висока проникаюча здатність зі збільшенням відносної глибинної дози, менша різниця між поглиненою дозою в кістках та м'яких тканинах. За наявності лінійного прискорювача чи бетатрона відпадає необхідність захоронення радіоактивного джерела, як із використання радіонуклідів.
При проведенні брахітерапії, системної радіонуклідної терапії використовують α-, β-, γ-випромінюючі радіонукліди, а також джерела, що володіють змішаним, наприклад γ- і нейтронним (n), випромінюванням.
α -Випромінювання- корпускулярне випромінювання, що складається з ядер 4 Не (два протони і два нейтрони), що випускаються при радіоактивному розпаді ядер або при ядерних реакціях, перетвореннях. α-Частини випромінюються при радіоактивному розпаді елементів важче свинцю або утворюються в ядерних
реакціях. α-Частини мають високу іонізуючу здатність і малу проникаючу здатність, несуть два позитивні заряди.
Радіонуклід 225 Ac з періодом напіврозпаду 10,0 діб у поєднанні з моноклональними антитілами застосовують для радіоімунотерапії пухлин. У перспективі - використання для цих цілей радіонукліду 149 Tb з періодом напіврозпаду 4,1 год. α-випромінювачі почали використовувати для опромінення ендотеліальних клітин у коронарних артеріях після проведення операцій - аортокоронарного шунтування.
β -Випромінювання- корпускулярне випромінювання з безперервним енергетичним спектром, що складається з негативно або позитивно заряджених електронів або позитронів (β- або β + частинок) і виникає при радіоактивному β-розпаді ядер або нестабільних частинок. β-випромінювачі використовуються при лікуванні злоякісних пухлин, локалізація яких дозволяє забезпечити безпосередній контакт із цими препаратами.
Джерелами β-випромінювання є 106 Ru, β - випромінювач з енергією 39,4 кеВ і періодом напіврозпаду 375, 59 дня, 106 Rh, β - випромінювач з енергією 3540,0 кеВ і періодом напіврозпаду 29,8 с. Обидва β-випромінювачі 106 Ru + 106 Rh входять до комплектів офтальмологічних аплікаторів.
β - -Излучатель 32 P з енергією 1,71 МеВ і періодом напіврозпаду 14,2 дня використовується в шкірних аплікаторах для лікування поверхневих захворювань. Радіонуклід 89 Sr є практично чистим β-випромінювачем з періодом напіврозпаду 50,6 дня та середньою енергією β-частинок 1,46 МеВ. Розчин 89 Sr – хлориду використовується для паліативного лікування кісткових метастазів.
153 Sm з енергіями β-випромінювання 203,229 і 268 кеВ і з енергіями γ-випромінювання 69,7 і 103 кеВ, періодом напіврозпаду 46,2 год входить до складу вітчизняного препарату самарію-оксабіфора, призначеного для впливу на метаста у хворих із вираженим больовим синдромом у суглобах при ревматизмі.
90 Y з періодом напіврозпаду 64,2 год та максимальною енергією 2,27 МеВ використовується для різних терапевтичних цілей, включаючи радіоімунотерапію з міченими антитілами, лікування пухлин печінки та ревматоїдного артриту.
Радіонуклід 59 Fe у складі таблетованого радіофармацевтичного препарату застосовують у Російському науковому центрі рентгенорадіології (Москва) для лікування хворих на рак молочної залози. Принцип дії препарату, на думку авторів, полягає у поширенні заліза струмом крові, вибірковому накопиченні в клітинах пухлинної тканини та впливі на них β-випромінюванням. 67 Cu з періодом напіврозпаду 26 сут з'єднують з моноклональними антитілами для радіоімунної терапії пухлин.
186 Re у складі препарату (ренію сульфід) з періодом напіврозпаду 3,8 діб використовують для лікування хвороб суглобів, а балонні катетери з розчином перренату натрію застосовують для проведення ендоваскулярної брахітерапії. Вважається, що є перспектива для застосування β + -випромінювача 48 V з періодом напіврозпаду 16,9 діб для проведення внутрішньокоронарної брахітерапії з використанням артеріального стенту зі сплаву титану та нікелю.
131 I застосовують у вигляді розчинів для лікування захворювань щитовидної залози. 131 I розпадається з випромінюванням складного спектра β- і γ-випромінювання. Має період напіврозпаду 8,06 доби.
До рентгенівських та Оже-електронних випромінювачів відносять 103 Pd з періодом напіврозпаду 16,96 днів і 111 In з періодом напіврозпаду 2,8 діб. 103 Pd у вигляді закритого джерела в титановій капсулі застосовують при брахітерапії пухлин. 111 In застосовують при радіоімунотерапії з використанням моноклональних антитіл.
125 I, що є γ-випромінювачем (тип ядерного перетворення - електронний захоплення з перетворенням йоду на теллур і виділенням γ-кванта), використовують у вигляді закритого мікроджерела для брахітерапії. Період напіврозпаду – 60,1 діб.
Змішанеγ + нейтронне випромінювання властиве 252 Cf з періодом напіврозпаду 2,64 року. Застосовують для контактного опромінення, причому з урахуванням нейтронної складової при лікуванні високорезистентних пухлин.
2.2. КЛІНІЧНА ДОЗИМЕТРІЯ
Клінічна дозиметрія- Розділ дозиметрії іонізуючого випромінювання, що є невід'ємною частиною променевої терапії. Основне завдання клінічної дозиметрії полягає у виборі та обґрунтуванні засобів опромінення, що забезпечують оптимальний просторово-часовий розподіл поглиненої енергії випромінювання в тілі хворого, що опромінюється, і кількісний опис цього розподілу.
Клінічна дозиметрія використовує розрахункові та експериментальні методики. Розрахункові методи ґрунтуються на вже відомих фізичних законах взаємодії різних видів випромінювання з речовиною. За допомогою експериментальних методів моделюють лікувальні ситуації з вимірюваннями у тканиннееквівалентних фантомах.
Завданнями клінічної дозиметрії є:
Вимірювання радіаційних характеристик терапевтичних пучків випромінювання;
Вимірювання радіаційних полів та поглинених доз у фантомах;
Прямі вимірювання радіаційних полів та поглинених доз на хворих;
Вимірювання радіаційних полів розсіяного випромінювання в каньйонах з терапевтичними установками (з метою радіаційної безпеки пацієнтів та персоналу);
Проведення абсолютного калібрування детекторів для клінічної дозиметрії;
Проведення експериментальних дослідженьнових терапевтичних методик опромінення.
Основними поняттями та величинами клінічної дозиметрії є поглинена доза, дозне поле, дозиметричний фантом, мета.
Доза іонізуючого випромінювання: 1) міра випромінювання, одержуваного опроміненим об'єктом, поглинена доза іонізуючого випромінювання;
2) кількісна характеристика поля випромінювання - експозиційна доза та керма.
Поглинена доза- це основна дозиметрична величина, що дорівнює відношенню середньої енергії, переданої іонізуючим випромінюванням речовини в елементарному обсязі, до маси речовини в цьому обсязі:
де D - поглинена доза,
E - середня енергія випромінювання,
m – маса речовини в одиниці об'єму.
Як одиниця поглиненої дози випромінювання в СІ прийнятий Грей (Гр) на честь англійського вченого Грея (L. Н. Gray), відомого своїми працями в галузі радіаційної дозиметрії. 1 Гр дорівнює поглиненій дозі іонізуючого випромінювання, при якій речовині масою в 1 кг передається енергія іонізуючого випромінювання, що дорівнює 1 Дж. У практиці поширена також позасистемна одиниця поглиненої дози - рад (radiation absorbed dose). 1 рад = 10 2 Дж/кг = 100 ерг/г = 10 2 Грабо 1 Гр = 100 рад.
Поглинена доза залежить від виду, інтенсивності випромінювання, енергетичного та якісного його складу, часу опромінення, а також від складу речовини. Доза іонізуючого випромінювання тим більша, чим триваліший час випромінювання. Збільшення дози в одиницю часу називається потужністю дози,яка характеризує швидкість накопичення дози іонізуючого випромінювання. Допускається використання різних спеціальних одиниць (наприклад, Гр/год, Гр/хв, Гр/с та ін.).
Доза фотонного випромінювання (рентгенівського та гамма-випромінювання) залежить від атомного номера елементів, що входять до складу речовини. За однакових умов опромінення у важких речовинах вона, як правило, вища, ніж у легенях. Наприклад, в тому самому полі рентгенівського випромінювання поглинена доза в кістках більша, ніж у м'яких тканинах.
У полі нейтронного випромінювання головним фактором, що визначає формування поглиненої дози, є ядерний склад речовини, а не атомний номер елементів, що входять до складу біологічної тканини. Для м'яких тканин поглинена доза нейтронного випромінювання багато в чому визначається взаємодією нейтронів з ядрами вуглецю, водню, кисню та азоту. Поглинена доза в біологічній речовині залежить від енергії нейтронів, оскільки нейтрони різної енергії вибірково взаємодіють із ядрами речовини. При цьому можуть виникати заряджені частинки, -випромінювання, а також утворюватися радіоактивні ядра, які самі стають джерелами іонізуючого випромінювання.
Таким чином, поглинена доза при опроміненні нейтронами формується за рахунок енергії вторинних іонізуючих частинок різної природи, що виникають внаслідок взаємодії нейтронів з речовиною.
Поглинання енергії випромінювання викликає процеси, що призводять до різних радіобіологічних ефектів. При конкретному виді випромінювання вихід радіаційно індукованих ефектів певним чином
пов'язаний із поглиненою енергією випромінювання, часто простою пропорційною залежністю. Це дозволяє дозу випромінювання вживати як кількісний захід наслідків опромінення, зокрема живого організму.
Різні види іонізуючого випромінювання при одній і тій же поглиненій дозі надають на тканини живого організму різний біологічний ефект, що визначається їхньою відносною біологічною ефективністю – ОБЕ.
ОБЕ випромінювань залежить головним чином від відмінностей у просторовому розподілі актів іонізації, викликаних корпускулярним і електромагнітним випромінюванням в речовині, що опромінюється. Енергію, передану зарядженою часткою на одиниці довжини її пробігу в речовині, називають лінійною передачею енергії (ЛПЕ).Розрізняють рідкоіонізуючі (ЛПЕ)< 10 кэВ/мкм) и плотноионизирующие (ЛПЭ >10 кэВ/мкм) види випромінювань.
Біологічні ефекти, що виникають при різних видах іонізуючого випромінювання, прийнято порівнювати з аналогічними ефектами, що виникають у полі рентгенівського випромінювання з граничною енергією фотонів 200 кеВ, що приймається за зразкове.
Коефіцієнт ВБЕвизначає відношення поглиненої дози стандартного випромінювання, що викликає певний біологічний ефект, до поглиненої дози даного випромінювання, що дає той самий ефект.
де D x - доза цього виду випромінювання, для якого визначається ОБЕ, D R - доза зразкового рентгенівського випромінювання.
На основі даних про ВБЕ різні види іонізуючого випромінювання характеризуються своїм радіаційним коефіцієнтом випромінювання.
Зважує радіаційний коефіцієнт (радіаційний коефіцієнт випромінювання)- безрозмірний коефіцієнт, на який має бути помножена поглинена доза випромінювання в органі чи тканині для розрахунку еквівалентної дозивипромінювання, щоб врахувати ефективність різних видів випромінювань. Поняття еквівалентної дози застосовують для оцінювання біологічного ефекту опромінення незалежно від виду випромінювання, що необхідно для цілей протирадіаційного захисту персоналу, що працює з джерелами іонізуючого випромінювання, а також пацієнтів при радіологічних дослідженнях та лікуванні.
Еквівалентна дозавизначається як середня величина поглиненої дози в органі або тканині з урахуванням середнього радіаційного коефіцієнта, що зважує.
де Н - еквівалентна поглинена доза,
W R - важливий радіаційний коефіцієнт, встановлений на даний момент нормами радіаційної безпеки.
Одиницею еквівалентної дози СІ є Зіверт (Зв)- на ім'я шведського вченого Зіверта (R. М. Sievert), першого голови Міжнародної комісії з радіологічного захисту (МКРЗ). Якщо в останній формулі поглинену дозу випромінювання (D) виразити у Греях, то еквівалентна доза буде виражена у Зівертах. 1 Зв дорівнює еквівалентній дозі, при якій добуток поглиненої дози (D) в живій тканині стандартного складу на середній радіаційний коефіцієнт (W R) дорівнює 1 Дж/кг.
У практиці поширена також позасистемна одиниця еквівалентної дози. бер(1 Зв = 100 бер), якщо в тій же формулі поглинену дозу випромінювання виразити в рядах.
Зважувальні коефіцієнти окремих видів випромінювання під час розрахунку еквівалентної дози.
Ефективна еквівалентна доза- поняття, що використовується для дозиметричної оцінки опромінення здорових органів та тканин та ймовірності появи віддалених ефектів. Ця доза дорівнює сумі творів еквівалентної дози в органі або тканині на відповідний ваговий множник (зважуючий коефіцієнт) для найважливіших органів людини:
де E - ефективна еквівалентна доза,
Н Т - еквівалентна доза в органі або тканині Т,
W T - коефіцієнт, що зважує, для органу або тканини Т.
Одиницею ефективної еквівалентної дози СІ є Зіверт (Зв).
Для дозиметричної характеристики поля фотонного іонізуючого випромінювання служить експозиційна доза.Вона є мірою іонізуючої здатності фотонного випромінювання повітря. Одиниця експозиційної дози СІ - Кулон на кілограм (Кл/кг).Експозиційна доза, що дорівнює 1 Кл/кг, означає, що заряджені частинки, звільнені в 1 кг атмосферного повітря при первинних актах поглинання та розсіювання фотонів,
утворюють при повному використанні свого пробігу повітря іони з сумарним зарядом одного знака, рівним 1 Кулону.
У практиці часто застосовують позасистемну одиницю експозиційної дози Рентген (Р)- на ім'я німецького фізика Рентгена (W. К. Rontgen): 1 Р = 2,58 х10 -4 Кл/кг.
Експозиційну дозу використовують для характеристики поля лише фотонного іонізуючого випромінювання повітря. Вона дає уявлення про потенційний рівень впливу іонізуючого випромінювання на людину. При експозиційній дозі 1 Р поглинена доза м'якої тканини в цьому ж радіаційному полі дорівнює приблизно 1 рад.
Знаючи експозиційну дозу, можна розрахувати поглинену дозу та її розподіл у будь-якому складному об'єкті, поміщеному в дане радіаційне поле, зокрема у тілі людини. Це дозволяє планувати та контролювати заданий режим опромінення.
В даний час частіше як дозиметрична величина, що характеризує поле випромінювання, застосовують керму(KERMA - абревіатура виразу: Kinetic Energy Released in Material). Керма - це кінетична енергія всіх заряджених частинок, звільнених іонізуючим випромінюванням будь-якого виду, в одиниці маси речовини, що опромінюється при первинних актах взаємодії випромінювання з цією речовиною. За певних умов керма дорівнює поглиненій дозі випромінювання. Для фотонного випромінювання повітря вона є енергетичним еквівалентом експозиційної дози. Розмірність керми така сама, як і поглиненої дози, виражається в Дж/кг.
Отже, поняття «експозиційна доза» необхідне оцінки рівня дози, генерованої джерелом випромінювання, і навіть контролю режиму опромінення. Поняття "поглинена доза" застосовується при плануванні проведення променевої терапії з метою досягти необхідного ефекту (табл. 2.1).
Дозне поле- це просторовий розподіл поглиненої дози (або її потужності) в опроміненій частині тіла хворого, тканиннееквівалентному середовищі або дозиметричному фантомі, що моделює тіло хворого за фізичними ефектами взаємодії випромінювання з речовиною, формою та розмірами органів і тканин та їх анатомічним взаєминам. Інформацію про дозне поле подають у вигляді кривих, що з'єднують точки однакових значень (абсолютних або відносних) поглиненої дози. Такі криві називають ізодозами,а їх сімейства – картами ізодоз. За умовну одиницю (або 100%) можна прийняти поглинену дозу в будь-якій точці дозного поля, зокрема максимальну поглинену дозу, яка повинна відповідати мішенню, що підлягає опроміненню (тобто області, що охоплює клінічно виявлену пухлину і передбачувану зону її поширення).
Фізична характеристика поля опромінення характеризується різними параметрами. Число частинок, що проникли в середу, називають флюєнс.Сума всіх прониклих частинок і розсіяних у цьому середовищі частинок становить потікіонізуючих частинок, а відношення потоку до площі становить густина потоку.Під інтенсивністю випромінювання,або щільністю потоку
Таблиця 2.1. Основні радіаційні величини та їх одиниці
енергії, розуміють ставлення потоку енергії до площі об'єкта. Інтенсивність випромінювання залежить від густини потоку частинок. Крім лінійної передачі енергії (ЛПЕ),характеризує середні енергетичні втрати частинок (фотонів), що визначають лінійну щільність іонізації (ЛПІ),кількість пар іонів на одиницю довжини пробігу (треку) частки чи фотона.
Формування дозного поля залежить від виду та джерела випромінювання. p align="justify"> При формуванні дозного поля при фотонному випромінюванні враховують, що інтенсивність фотонного випромінювання точкового джерела падає в середовищі назад пропорційно квадрату відстані до джерела. При дозиметричному плануванні використовують поняття середньої енергії іонізації, яка включає енергію безпосередньої іонізації і енергію збудження атомів, що призводить до вторинного випромінювання, що також викликає іонізацію. Для фотонного випромінювання середня енергія іонізації дорівнює середньої енергії іоноутворення електронів, звільнених фотонами.
Дозний розподіл пучка γ-випромінювання нерівномірний. Ділянка 100% ізодози має порівняно невелику ширину і далі відносна величина дози падає по кривій досить круто. Розмір поля опромінення визначається шириною 50 % дози. При формуванні дозного поля гальмівного випромінювання є крутий спад дози на межі поля, який визначається малим розміром фокусної плями. Це призводить до того, що ширина 100% ізодози близька до 50% ширини ізодози, яка визначає дозиметричну величину розміру поля опромінення. Таким чином, у формуванні дозного розподілу при опроміненні пучком гальмівного випромінювання є переваги перед пучком γ-випромінювання, оскільки зменшуються дози опромінення здорових органів та тканин поблизу патологічного вогнища (табл. 2.2).
Таблиця 2.2. Глибина розташування 100%, 80% і 50% ізодоз при найчастіше використовуваних енергіях випромінювання
Примітка. Відстань джерело-поверхня для рентгенотерапевтичного апарату – 50 см; гамма-терапевтичного – 80 см; лінійних прискорювачів – 100 см.
З даних табл. 2.2 видно, що мегавольтне випромінювання на відміну ортовольтного рентгенівського має максимум дози над поверхні шкіри, глибина його зростає з підвищенням енергії випромінювання (рис. 13). Після досягнення електронами максимуму відзначається крутий градієнт дози, що дозволяє знизити дозове навантаження на здорові тканини, що підлягають.
Протони відрізняються відсутністю розсіювання випромінювання у тілі, можливістю гальмування пучка на заданій глибині. При цьому з глибиною проникнення лінійна щільність енергії (ЛПЕ) зростає, величина поглиненої дози збільшується, досягаючи максимуму в кінці пробігу частинок,
Мал. 13.Розподіл енергії різних видіввипромінювання в тканиннееквівалентному фантомі: 1 - при близькофокусній рентгенотерапії 40 кВ та глибокій рентгенотерапії 200 кВ; 2 – при гамма-терапії 1,25 МеВ; 3 - при гальмівному випромінюванні 25 МеВ; 4 - при опроміненні швидкими електронами 17 МеВ; 5 - при опроміненні протонами 190 МеВ; 6 - при опроміненні повільними нейтронами 100 кеВ
Рис.14.Пік Брегга
Мал. 15.Розподіл дози гамма-випромінювання з двох відкритих паралельних протилежних полів
так званого піку Брегга, де доза може бути набагато більшою, ніж на вході пучка, з крутим градієнтом дози за хвилею піку Брегга майже до 0 (рис. 14).
Часто при опроміненні застосовуються паралельні протилежні поля (рис. 15, див. рис. 16 на кол. вклейці). При відносно центральному розташуванні вогнища доза кожного поля зазвичай однакова; якщо зона розташування мішені ексцентрична, змінюють співвідношення доз на користь ближнього до пухлини поля, наприклад 2:1, 3:1 і т.п.
У тих випадках, коли дозу підводять з двох непаралельних полів, то чим менше кут між їх центральними осями, тим більше проводиться вирівнювання ізодоз за допомогою клі-
фільтрів, що дозволяють гомогенізувати розподіл дози (див. рис. 17 на кол. вклейці). Для лікування глибокорозташованих пухлин зазвичай застосовують три- і чотирипідлогові методики опромінення (рис. 18).
На лінійному прискорювачі електронів формується прямокутне радіаційне поле тих чи інших розмірів за допомогою металевих кіл-
Мал. 18.Розподіл дози гамма-випромінювання із трьох полів
ліматорів, вбудованих в апарат. Додаткове формування пучка досягається використанням комбінації цих коліматорів і спеціальних блоків (набір свинцевих блоків або блоків зі сплаву Вуда різних форм і розмірів), приєднаних до ЛВЕ після коліматорів. Блоки перекривають частини прямокутного поля поза обсягом мішені та захищають тканини за межами мішені, формуючи таким чином поля складної конфігурації.
Нові лінійні прискорювачі дозволяють здійснити контроль над позиціями і переміщенням багатопелюсткових коліматорів, що формують поле. Типові багатопелюсткові коліматори мають від 20 до 80 пелюсток або більше, розташованих парами. Комп'ютерне управління положенням великої кількості вузьких пелюсток, що щільно прилягають один до одного, дає можливість генерувати поле необхідної форми. Встановлюючи пелюстки у необхідну позицію, одержують поле, що найбільше відповідає формі пухлини. Регулювання поля здійснюється за допомогою змін у комп'ютерному файлі, який містить установки для пелюсток.
При плануванні дози враховують, що максимальна доза (95-107 %) повинна бути підведена до запланованого обсягу мішені, при цьому ≥ 95 % цього обсягу одержує ≥ 95 % від запланованої дози. Інша необхідна умова – лише 5 % обсягу органів ризику можуть отримувати ≥ 60 % від запланованої дози.
Зазвичай в лінійних прискорювачах є дозиметр, детектор якого вмонтований пристрій формування первинного пучка гальмівного випромінювання, тобто здійснюється моніторування дози випромінювання, що підводиться. Монітор дози часто градує по дозі в опорній точці, що знаходиться на глибині максимуму іонізації.
Дозиметричне забезпечення внутрішньопорожнинної γ-терапії джерелами високої активностірозраховано на індивідуальне формування дозних розподілів з урахуванням локалізації, довжини первинної пухлини, лінійних розмірів порожнини. При плануванні можуть бути використані розрахункові дані у вигляді атласу багатоплощинних ізодозних розподілів, що додаються до внутрішньопорожнинних γ-терапевтичних апаратів, а також дані систем планування для внутрішньопорожнинних апаратів на базі персональних комп'ютерів.
Наявність системи комп'ютерного планування контактної терапії дозволяє проводити клініко-дозиметричний аналіз для кожної конкретної ситуації з вибором дозного розподілу, що найбільш повно відповідає формі та протяжності первинного вогнища, що дозволяє знижувати інтенсивність променевого впливу на навколишні органи.
Перед використанням джерел випромінювання для контактної променевої терапії проводять попередню дозиметричну атестацію, для чого застосовують клінічні дозиметри і комплекти тканиннееквівалентних фантомів.
Для фантомних вимірювань дозних полів використовують клінічні дозиметри з малогабаритними іонізаційними камерами або іншими (напівпровідниковими, термолюмінесцентними) детекторами, аналізатори
дозного поля чи ізодозографи. Термолюмінесцентні детектори (ТЛД) використовують для контролю поглинених доз у хворих.
Дозиметричні прилади.Дозиметричні прилади можуть бути для вимірювання доз одного виду випромінювання або змішаного випромінювання. Радіометрами вимірюють активність чи концентрацію радіоактивних речовин.
У детекторі дозиметричного приладу відбувається поглинання енергії випромінювання, що призводить до радіаційних ефектів, величина яких вимірюється за допомогою вимірювальних пристроїв. По відношенню до вимірювальної апаратури, детектор є датчиком сигналів. Покази дозиметричного приладу реєструються вихідним пристроєм (стрілочні прилади, самописці, електромеханічні лічильники, звукові або світлові сигналізатори тощо).
За способом експлуатації розрізняють дозиметричні прилади стаціонарні, переносні (можна переносити тільки у вимкненому стані) та носні. Дозиметричний прилад для вимірювання дози випромінювання, що отримується кожною людиною, що знаходиться в зоні опромінення, називається індивідуальним дозиметром.
Залежно від типу детектора розрізняють іонізаційні дозиметри, сцинтиляційні, люмінесцентні, напівпровідникові фотодозиметри і т.д.
Іонізаційна камера- це прилад для дослідження та реєстрації ядерних частинок та випромінювань. Його дія ґрунтується на здатності швидких заряджених частинок викликати іонізацію газу. Іонізаційна камера є повітряним або газовим електричним конденсатором, до електродів якого прикладена різниця потенціалів. При попаданні іонізуючих частинок у простір між електродами там утворюються електрони та іони газу, які, переміщаючись в електричному полі, збираються на електродах і фіксуються апаратурою, що реєструє. Розрізняють струмовіі імпульснііонізаційні камери. У струмових іонізаційних камерах гальванометром вимірюється сила струму, створюваного електронами та іонами. Токові іонізаційні камери дають відомості про загальну кількість іонів, що утворилися протягом 1 с. Вони зазвичай використовуються для вимірювання інтенсивності випромінювань та дозиметричних вимірювань.
В імпульсних іонізаційних камерах реєструються та вимірюються імпульси напруги, які виникають на опорі при протіканні ним іонізаційного струму, викликаного проходженням кожної частинки.
В іонізаційних камерах для дослідження γ-випромінювань іонізація обумовлена вторинними електронами, вибитими з атомів газу або стінок іонізаційних камер. Чим більший обсяг іонізаційних камер, тим більше іонів утворюють вторинні електрони, тому для вимірювання -випромінювання малої інтенсивності застосовують іонізаційні камери великого об'єму.
Іонізаційна камера може бути використана і для вимірювання нейтронів. У цьому випадку іонізація викликається ядрами віддачі (зазвичай прото-
нами), створюваними швидкими нейтронами, або -частинами, протонами або -квантами, що виникають при захопленні повільних нейтронів ядрами 10 B, 3 He, 113 Cd. Ці речовини вводяться у газ чи стінки іонізаційних камер.
В іонізаційних камерах склад газу та речовини стінок вибирають таким чином, щоб за тотожних умов опромінення забезпечувалося однакове поглинання енергії (з розрахунку на одиницю маси) в камері та біологічній тканині. У дозиметричних приладах вимірювання експозиційних доз камери наповнюють повітрям. Приклад іонізаційного дозиметра - мікрорентгенметр МРМ-2, що забезпечує діапазон вимірювання від 0,01 до 30 мкр/с для випромінювань з енергіями фотонів від 25 кэВ до 3 МеВ. Відлік показань роблять по стрілочному приладі.
У сцинтиляційнихДозиметричні прилади світлові спалахи, що виникають у сцинтиляторі під дією випромінювання, перетворюються за допомогою фотоелектронного помножувача в електричні сигнали, які потім реєструються вимірювальним пристроєм. Сцинтиляційні дозиметри застосовуються найчастіше у дозиметрії радіаційного захисту.
У люмінесцентнихДозиметричні прилади використовують той факт, що люмінофори здатні накопичувати поглинену енергію випромінювання, а потім звільняти її шляхом люмінесценції під дією додаткового збудження, яке здійснюється або нагріванням люмінофора, або його опроміненням. Інтенсивність світлового спалаху люмінесценції, що вимірюється за допомогою спеціальних пристроїв, пропорційна дозі випромінювання. Залежно від механізму люмінесценції та способу додаткового збудження розрізняють термолюмінесцентні (ТЛД)і радіофотолюмінесцентні дозиметри.Особливістю люмінесцентних дозиметрів є здатність зберігати інформацію про дозу.
Подальшим етапом розвитку люмінесцентних дозиметрів з'явилися дозиметричні прилади, що ґрунтуються на термоекзоелектронній емісії. При нагріванні деяких люмінофорів, попередньо опромінених іонізуючим випромінюванням, з їхньої поверхні вилітають електрони (екзоелектрони). Їхня кількість пропорційна дозі випромінювання в речовині люмінофора. Термолюмінесцентні дозиметри найбільш широко використовуються в клінічній дозиметрії для вимірювання дози на хворому, порожнини тіла, а також як індивідуальні дозиметри.
Напівпровідникові(кристалічні) дозиметри змінюють провідність залежно від потужності дози. Широко використовуються поряд із іонізаційними дозиметрами.
У Росії її є радіаційна метрологічна служба, яка веде перевірку клінічних дозиметрів і дозиметричну атестацію радіаційних апаратів.
На етапі дозиметричного планування з урахуванням даних топометричної карти та клінічного завдання інженер-фізик проводить оцінку дозного розподілу. Отримане у вигляді сукупності ізоліній (ізодоз) дозний розподіл наносять на топометричну карту, і він служить для визначення таких параметрів опромінення, як розмір поля опромінення, розташування точки центрації пучок осідання випромінювання та їх напрямків.
Визначаються разова поглинена доза, сумарна поглинена доза, обчислюється час опромінення. Документом є протокол, що містить усі параметри опромінення конкретного хворого на обраній терапевтичній установці.
При проведенні брахітерапії використовують апарат спільно з відповідною ультразвуковою апаратурою, що дає можливість оцінити в системі реального часу позицію джерел та ізодозний розподіл в органі завдяки плануючій системі. Інший варіант – введення джерел у пухлину під контролем комп'ютерної томографії.
Пучок випромінювання необхідної форми та певних розмірів формують за допомогою регульованої діафрагми, колімуючого пристрою, змінних типових та індивідуальних захисних блоків, клиноподібних та компенсуючих фільтрів та болюсів. Вони дозволяють обмежувати область і поле опромінення, підвищувати градієнт дози на його межах, вирівнювати всередині поля розподіл дози іонізуючого випромінювання або, навпаки, розподіляти її з необхідною нерівномірністю, створювати області та поля, у тому числі фігурні та багатозв'язні (з внутрішніми екранованими ділянками).
Для правильного відтворення та контролю індивідуальної програми опромінення хворого користуються пристроями візуалізації пучка, механічними, оптичними та лазерними центраторами, типовими та індивідуальними фіксаторами для іммобілізації хворого під час опромінення, а також рентгенівським та іншими засобами інтроскопії. Частково їх вбудовують у радіаційну голівку, стіл для хворого та інші частини апарату. Лазерні центратори монтують на стінках процедурного приміщення. Рентгенівські інтроскопи поміщають поблизу терапевтичного пучка на підлоговому або стельовому штативі, що має фіксатори для налаштування, у необхідному положенні хворого.
