4 курс / Лучевая диагностика / 2__~1

Коэффициент кислородного усиления. Этот параметр дает преимущество пучкам 12С в том смысле, что низкие значения ККУ позволяют более эффективно воздействовать на радиорезистентные опухоли, находящиеся в условиях гипоксии. Однако межфракционная реоксигинация, нередко имеющая место для клеток внутри опухолей, существенно смягчает проблему гипоксии.

Утрата облученными клетками способности к репарации.

Это может быть недостатком ионов 12С, так как одной из причин эффективности облучения x-излучением является то, что оно позволяет нормальным тканям репарировать повреждение в большей степени, чем злокачественным клеткам. Этот эффект лежит в основе преимущества, которое дает фракционирование облучения. В

то же время, как отмечалось выше, эффект от фракционирования для 12С значительно уменьшается по сравнению с пучками протонов.

Часто высказывается мнение, что потеря способности к репарации у нормальных тканей при облучении частицами с высоким ЛПЭ не касается ионной ЛТ, так как область высокой ЛПЭ концентрируется в мишени, а нормальные ткани облучаются излучением с низким ЛПЭ. Подобные мнения представляют сеьезную

ошибку по следующим причинам: а) согласно принципам лучевой терапии протяженности PTV, являющегося мишенью, и, тем более, TV выходят за пределы собственно опухоли и включают дополнительные области, заполненные, в основном нормальными тканями; б) опухоль может иметь сложную форму и внедряться в слой нор-

мальных тканей; в) анализ, выполненный в работе [57] подтвердил, что при облучении ионами 12С область высоких ЛПЭ простирается значительно за пределы мишени. Следовательно, применяя ионную ЛТ, нельзя игнорировать риск повреждения нормальных тканей и особенно поздние осложнения.

Уменьшение зависимости радиочувствительности от фазы клеточного цикла. Так как нормальные клетки находятся в радио-

чувствительной фазе клеточного цикла меньше времени, чем злокачественные, то это дает им относительную защиту при γ- облучении. Эта защита частично теряется нормальными клетками при облучении ионами с высоким ЛПЭ, которое менее чувствительно к фазе клеточного цикла.

102

Гипофракционирование облучения. В силу ослабления спо-

собности клеток к репарации теряется смысл применения фракционирования курса ЛТ. Поэтому во многих случаях при облучении ионами применяется гипофракционирование, имея в ввиду, что: а) без большого ущерба экономится время и ценные ресурсы; б) преодолевается репопуляция быстро пролиферирующих опухолей. Это справедливо. Однако надо осознавать, что возможность использования гипофракционирования является не преимуществом терапии тяжелыми ионами, а скорее ее недостатком.

Прошлый опыт ЛТ пучками с высоким ЛПЭ дал неоднозначные

результаты. Первые программы, которые выполнялись в США (Бэркли, Лос Аламос), Швейцарии (SIN), Канаде (TRIUMF) и Рос-

сии (Дубна) в этом направлении, были по разным причинам закрыты. Энтузиазм в отношении ЛТ пучками ионов, который имеет

место в настоящее время, исходит из опыта работы двух современных центров ионной ЛТ в Японии (NIRS в Chiba) и Германии (GSI в Darmstadt). Обе группы очень высоко оценивают потенциал тя-

желых ионов. Однако опубликованные ими результаты лечения не демонстрируют, по мнению такого авторитета как М. Готейн [56], очевидного превосходства ионной ЛТ над протонной ЛТ.

Таким образом, анализ ЛТ пучками ионов показывает, что она, с точки зрения радиобиологии и клинических результатов, имеет по сравнению с ЛТ пучками протонов как преимущества, так и недостатки. Вместе с тем, учитывая значительное возрастание стоимости сооружения и эксплуатации центров ионной терапии особенно, если ускорители оснащаются гантри, можно сделать вывод, что пока не имеет смысла заменять протонную ЛТ на ионную ЛТ.

Контрольные вопросы к главе 8

1.Назовите характерные особенности глубинного дозового распределения для моноэнергетических пучков протонов.

2.Какую величину ОБЭ имеют протоны?

3.Какое максимальное значение энергии передают клинические пучки протонов электронам?

4.Что позволяет рассчитать формула Бете–Блоха?

5.Как зависит угловое распределение протонов при упругом рассеянии от их энергии и угла рассеяния?

103

6.Почему имеет место флуктуация энергии протонов при их прохождении через вещество?

7.Какими математическими функциями аппроксимируются угловое распределение многократно рассеянных протонов и флуктуации энергии протонов?

8.Какое соотношение имеется между вероятностями электромагнитного и ядерного взаимодействий протонов?

9.Как соотносятся потери энергии при электромагнитном и ядерном взаимодействии протонов?

10.Назовите в порядке убывания вклады в дозу разных каналов реакций для протонов с энергией 150 МэВ.

11.Сравните разные типы ускорителей с точки зрения их использования для протонной терапии.

12.Почему рекомендуется наличие гантри для клинических ускорителей протонов?

13.Какие требования существуют к параметрам клинических пучков протонов?

14.Назовите основные модифицирующие устройства, расположенные на линии пучка протонов.

15.Как создается плато с высокой мощностью дозы в глубинном дозовом распределении пучков протонов?

16.Что такое ―кема‖ и ―терма‖, и как эти понятия связаны с поглощенной дозой?

17.Охарактеризуйте модель Бортфельда для расчета глубинного дозового распределения, создаваемого пучком протонов.

18.Как связан пробег протонов в среде с их энергией?

19.Что такое виртуальный эффективный источник протонов?

20.Как рассчитать необходимую толщину ограничителя пробега протонов?

21.Какая связь существует между толщиной ограничителя пробегов и размером виртуального источника протонов?

22.Почему рассеяние протонов в модификаторе пучка влияет на радиальную светимость пучка и как можно оценить этот эффект?

23.Охарактеризуйте основные особенности алгоритма тонкого луча протонов.

24.Охарактеризуйте основные особенности алгоритма широкого пучка протонов.

25.Назовите основные этапы преобразований в методе аналитического расчета дозы от протонов с учетом негомогенностей.

104

26.В чем состоят уточнения модели Улмера, вносимые в расчет разных характеристик протонных пучков?

27.Как проводится учет ядерных взаимодействий и флуктуации энергии в модели Улмера?

28.Как и почему изменяется флюенс первичных протонов вдоль пробега протонов в среде?

29.Назовите особенности применения метода Монте-Карло к расчету доз от пучков протонов.

30.Какие способы применяются для повышения быстродействия алгоритмов в методе Монте-Карло при расчете доз от клинических пучков протонов?

31.Чем отличаются дозовые распределения создаваемые в воде протонами и ионами?

32.В чем достоинства и недостатки применения в ЛТ пучков ионов по сравнению с пучками протонов?

Список литературы

1.Radju M.R. Heavy particle radiotherapy. New York: Academic, 1980. P. 188 – 251.

2.Wilson R.R. Radiological use of fast protons // Radiology. V. 47. 1946. P. 487 – 491.

3.Tobias C.A. et al. Irradiation hyposectomy and related studies using 340 MeV protons and 190 MeV deuterons // Peaceful Uses of Atomic Energy. v.10. 1956. P. 95 – 96.

4.Кленов Г.И., Хорошков И.С. Развитие протонной лучевой терапии в мире и в России.// Мед. Физика. № 3(27) и 4 (28), 2005. С. 16 – 23 и 5 – 23.

5.Fippel M., Soukup M. A Monte Carlo calculation algorithm for protоn therapy // Med. Phys. V. 31 (8). 2004. P. 2263 – 2273.

6.Беспалов В.И. Взаимодействие ионизирующих излучений с

веществом. Учебное пособие. Томск, 2006.

7. Mazal A. Proton beams in radiotherapy // In: handbook of radiotherapy physics / Eds. P. Mayles, A. Nahum, J-C Rosenwald. P. 1005 – 1032. Taylor&Francis Group. 2007.

105

8.Stopping powers and ranges for protons and alfa particles / ICRU-Report 49. 1993.

9.Russel K.R., Grusell E., Montelius A. Dose calculation in proton beams: range straggling corrections and energy scaling // Phys. Med. Biol. V. 40. 1995. P. 1031 – 1043.

10.Photon, electron, proton and neutron interaction data for body tissues / ICRU-Report 46, 1992.

11.Nuclear data for neutron and proton radiotherapy and for radiation protection / ICRU-Report 63, 2000.

12.Arndt R.A., Strakovsky I.I., Worman R.L. Nucleon-nucleon elastic scattering to 3 GeV // Phys. Rev. 2000. C. 62, 034005.

13.Agostinelli S. et al. GEANT4 – a simulation toolkit // Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. A 506. 2003. P. 250 – 303.

14.Briesmeister J.F. MCNP – a general Monte Carlo N-particle transport code // Report No La-12625-M. Los Alamos National Laboratory. 1997.

15.McLane V. et al. ENDF-102 Data formats and procedures for evaluated nuclear data file ENDF-6 // Technical report BNL-NCS- 44945/04-Rev. Brookhaven National Laboratory, National Nuclear Data Centre, (Upton, NY, USA, 1997).

16.Kats M.M. Compact and non expensive systems for transport proton and ion beams between of medical accelerator and fixated horisontally patient at many directions // Report on RuPAC 2008. Zvenigorod, Russia, 2008

17.Кац М.М. Развитие центров терапии пучками протонов и ионов. Обзор // Медицинская физика. Т. 2. 2005. С. 25 – 39.

18.Chu W.T. et al. Performance specifications for proton medical facility // LBL-33749 UC-000. Lawrence Berkeley Laboratory University of California. 1993.

19.Gottschalk B. Passive beam spreading in proton radiation therapy. Draft // In: http://huhepl.harvard.edu/~gottschalk / BGDocs. 2004.

20.A.M. Koehler, R.J. Schneider, J.M. Sisterson, ―Range modulator

for proton and heavy ions,‖ Nucl. Instrum. Methods, v. 131, p. 437 – 440, 1975.

106

21.Хорошков В.С. и др. Спиральный гребенчатый фильтр,‖ Препринт ИТЭФ. М., Атоминформ. 1986. С. 86 – 149.

22.Keller A.M., Hahn K., Rossi H.H. Intermediate dosimetric quantities // Radiat. Res. V. 130. 1992. P. 15 – 25.

23.Bortfeld T. An analytical approximation of the Bragg curve for therapeutic proton beams // Med. Phys. V.24 (12). 1997. P. 2024 – 2033.

24.Berger M.J. Penetration of proton beams trough water I. Depthdose distribution, spectra and LET distribution // Report NISTIR 5226, National institute of standards and technology, physics laboratory, (Gaisersburg, 1993).

25.Evans R.D. The Atomic Nucleas / (Robert E. Krieger, Malabar, FL, 1982).

26.ICRU Report 49: Stopping powers and ranges for protons and alpha particles. (Bethesda, MD, 1993).

27.Janni F.J. Proton range-energy tables, 1 keV – 10 GeV // At. Data Nucl. Data Tables. V. 27. 1982. P. 147 – 339.

28.Lee M., Nahum A.E., Webb S. An empirical method to build up a model of proton dose distribution for a radiotherapy treatment planning package // Phys. Med. Biol. V. 38. 1993. P.989 – 998.

29.Bethe H.A., Askhin J. Passage of radiations through matter // In: Experimental Nuclear Physics. V. 1, edited by E. Segre (Wiley, New York, 1953).

30.Abramowitz M., Stegun I.A. Eds. Handbook of Mathematical Functions (Dover, New York, 1972).

31.Chu W.T., Luedewigt B.A., Renner T.R. Instrumentation for treatment of cancer using proton and light-ion beams // Rev. Sci. Instrum. V. 64. 1993. P. 2055 – 2122.

32.Larsson B. Pre-therapeutic physical experiments with high energy protons // Br. J. Radiol. V. 34. 1961. P. 143 – 151.

33.Gardey K.U. A pencil beam model for proton therapy – treatment planning and experimental results // Ph D. thesis, Universitat Heidelberg. 1996.

107

34.Scheid S. Spot-scanning mit protonen: experimentelle resultate und therapieplanning // Ph D. thesis, ETH Zurich. 1993.

35.Petti P. Differential-pencil-beam dose calculations for charged particles // Med. Phys. V.19. 1992. P. 137 – 149.

36.Hong L. et al. A pencil beam algorithm for proton dose calculations // Phys. Med. Biol. V. 41. 1996. P. 1305 – 1330.

37.Gottschalk B. et al. Multiple Coulomb scattering of 160 MeV protons // Nucl. Instrum. Method. B 74. 1993. P. 467 – 490.

38.Hogstrom K.R., Mills M.D., Almond P.R. Electron beam dose calculations // Phys. Med. Biol. V. 26. 1981. P. 445 – 459.

39.Deasy J.O. A proton dose calculation algorithm for conformal

therapy, based on Moliere’s theory of lateral deflections // Phys. Med.

Biol. V. 25. 1998. P. 476 – 483.

40.Ciangaru G. et al. Benchmarking analytical calculations of proton doses in heterogeneous matter // Med. Phys. V. 32 (12). 2005. P. 3511 – 3523.

41.Moliere G.Z. Theorie der Streuungscheller geladener teilchen. III

//.Die Vielfachstreuung. V. A 10. 1955. P. 177 – 211.

42.Kanematsu N. et al. A proton dose calculation code for treatment planning based on pencil beam algorithm // Jpn. J. Med. Phys. V. 18. 1998. P. 88 – 103.

43.Russel K. et al. Implementation of pencil kernel and depth penetration algorithm for treatment planning of proton beams // Phys. Med. Biol. V. 45. 2000. P. 9 – 27.

44.Ulmer W. Theoretical aspects of energy-range relations, stopping power and energy straggling of protons // Rad. Phys. Chem. V. 76. 2007. P. 1089 – 1107.

45.Schaffner B. Proton dose calculation based on in-air fluence measurements // Phys. Med. Biol. V. 53. 2008. P.1545 – 1562.

46.Moyer M.F. Proton therapy // In: Modern technology of radiation therapy: A compendium for medical physicists and radiation oncologists. Ed. by J.Van Dyke / 1999. Wisconsin. Medical Physics Publishing. Chapter 20.

108

47.Slopsena R.L., Kooy H.M. Incorporation of the aperture thickness in proton pencil beam dose calculations // Phys. Med. Biol. V. 51. 2006. P. 5441 – 5453.

48.Schaffner B., Pedroni E., Lomax A. Dose calculation models for proton treatment planning using a dynamic beam delivery system: an attempt to include density heterogeneity effects in analytical dose calculation // Phys. Med. Biol. V. 44. 1999. P. 7 – 41.

49.Szymanowski H., Oelfke U. Two-dimensional pencil beam scaling: an improved proton dose algorithm for heterogeneous media // Phys. Med. Biol. V. 47. 2002. P. 3313 – 3330.

50.Fasso A.,. Ferrari A, Sala P.R. Electron-photon transport in FLUKA: status // In: Advanced Monte Carlo for Radiation Physics, Particle Transport Simulation and Applications, Proceedings of the Monte Carlo 2000 Conference, edited by A. Kling et al. (Lisbon, October 23 – 26, 2000).

51.Fippel M., Soucup M. A Monte Carlo calculation algorithm for proton therapy // Med. Phys. V. 31 (8). 2004. P. 2263 – 2273,

52.Berger M.J. Monte Carlo Calculation of the penetration and diffusion of fast charged particles // Methods in Computational Physics. V. I. edited B. Alder et al./ P. 135 –215 (Academic, New York, 1963).

53.Kawrakow I. Accurate condensed history Monte Carlo simulation of electron transport, I. EGSnrc, the new EGS4 version // Med. Phys. V. 7. 2000. P. 485 – 498.

54.GEANT4 collaboration, Physics Reference Manual, 2003.

55.Sabattier R., Jakel O., Mazal A. High-LET modalities // In: handbook of radiotherapy physics / Eds. P. Mayles, A. Nahum, J-C Rosenwald. P. 1053 – 1067. Taylor&Francis Group. 2007.

56.Gotein M. Trials and tribulations in charged particle radiotherapy // Review. Harvard Medical School. Boston. USA. 2009.

57.Wilkens J.J., Oelfke U. Direct comparison of biologically optimized spread-out Bragg peaks for proton and carbon ions // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. V. 70. 2008. P. 262 – 266.

109

Глава 9. Нейтронная терапия

1. Особенности нейтронной терапии

При использовании редко ионизирующей радиации (γ- и β-излу- чения) терапевтический интервал (разность между дозой в опухоли и дозой в прилегающих к опухоли нормальных тканях или критических органах) нередко оказывается очень узким, что уменьшает вероятность излечения опухоли без развития осложнений [1]. На эффективность традиционного облучения влияет степень оксигенации тканей, которая характеризуется кислородным отношением (КО). Различные варианты использования плотно ионизирующих излучений позволяют в значительной степени решить эту проблему, поскольку для излучения с высокими значениями ЛПЭ этот эффект практически нивелируется [1, 2].

Основными процессами взаимодействия нейтронов при их транспорте в веществе являются, как известно, упругое и неупругое рассеяние на ядрах атомов и поглощение, наиболее существенное в области низких энергий. В случае облучения биологических тканей быстрыми нейтронами почти вся их энергия передается ядрам отдачи водорода (протонам), углерода, азота и кислорода. Причем на долю первых приходится 70 – 80 % от всей поглощенной энергии. Эти ядра отдачи из-за большой массы (по сравнению с электронами) являются заряженными частицами с большими ЛПЭ. Поэтому интерес к использованию нейтронов в лучевой терапии онкозаболеваний возник достаточно давно.

В настоящее время в нейтронной терапии можно выделить три направления: а) дистанционная лучевая терапия быстрыми нейтронами; б) нейтронная брахитерапия; в) нейтрон-захватная терапия. Рассмотрим их особенности, уделяя большее внимание вопросам дозиметрического планирования.

110