4 курс / Лучевая диагностика / Физичеческие,_технич_и_некоторые_радиобиологические_и_мед_аспекты

Оглавление

1.Введение

2.Некоторые радиационно-дозиметрические характеристики бета-излу- чателей

2.1.Характеристики бета-излученя радионуклидов

2.2.Некоторые радиационные и дозиметрические величины. Единицы их измерения

3.Офтальмологические аппликаторы (ОА) со 90Sr+90Y

3.1.Конструкция офтальмоаппликаторов

3.2.Дозиметрические характеристики ОА

3.3.Эксплуатационные характеристики ОА и правила работы с ними

50

Сигнальный экземпляр

2. Некоторые радиационно-дозиметрические характеристики бета-излучений

2.1. Характеристики бета-излучения радионуклидов

Бета-излучающие нуклиды испускают электроны (бета-частицы) с энергиями Е от нуля до некоторого определенного граничного значения. Эта совокупность электронов различных энергий называется бета-спектром. В графическом выражении бета-спектр можно представить в виде кривой, которая показывает относительное число бета-частиц каждой энергии. Каждомурадионуклидусоответствуетсвояформаэтойкривой,называемойформой бета-спектра. На рис.1 приводятся формы бета-спектров некоторв широко используемых в медицине нуклидов, которые являются чистыми бета-излу- чателями: 147Pm, 204Tl, 32P, 90Sr, и суммарного спектра 90Sr+90Y. Каждый акт бе- та-распада 90Sr приводит к возникновению дочернего 90Y, также являющегося бета-излучателем.

Бета-спектр обычно характеризуется значениями граничной энергии Егр и средней энергией Еср, выраженными в кэВ или мэВ. Величина Еср получается как частное от деления суммарной энергии всех бета-частиц спектра (n) на это число (n), и в неотором приближении может оцениваться как 1/3 Егр (как правило, никакого строго однозначного соотетвия между Еср и Егр нет, т.к. величина Еср зависит от формы бета-спектра).

В таблице приведена зависимость величин пробега (R) электронов в мягкой биологической ткани от его энергии (Е).

Соотношение «энергии-пробег» для мягкой биологической ткани (воды)

Таким образом, граничной энергии бета-спектра соответсвует граничный пробег R гр, который определяет максимальную глубину проникновения бе- та-частиц в ткань. Отметим, что лишь небольшая доля бета-частиц спектра обладает энергией, близкой к граничной, поэтому лишь это малое число электронов достигает максимальной глубины проникновения. Более того, щадящий эффект бета-терапии объясняется и тем обстоятельством, что величины Rгр для бета-излучателей, как правило, меньше 2 см (см.табл.2).

Значение Еср определяет энергию, поглощенную средой при бета-распаде нуклида и может характеризовать некую эффективную глубину проникновения бета-частиц в ткань. Вышеуказанные сведения позволяют заключить, что с помощью бета-излучателей можно в некоторых ситуациях создать оптимальное (с точки зрения обеспечения максимального терапевтического эффекта) дозноеполе–относительноравномерноепообъемуочагаибыстроспадающее

51

за его границами. В табл.2 приведены некоторые радиационно-физические характеристики бета-излучающих нуклидов, широко используемых для лучевой терапии.

2.2. Некоторые радиационные и дозиметрические величины. Единицы их измерения

Количество радиоактивных атомов данного радионуклида уменьшается со временем вследствие их распада. Скорость этого распада можно характеризовать интервалом времени, в течение которого количество радиоактивных атомов данного радионуклида уменьшается наполовину, т.е. – периодом полураспада Т1/2. Величина активности (А) нуклида по истечении времени t с момента отсчета связана со своим первоначальным значением Ао (t=0) простым отношением:

А=Ао exp (-0,693t/T1/2)

Активность нуклида в источнике излучения определяется, как отношение числа спонтанных ядерных переходов, происходящих в данном нуклиде за некоторый интервал времени – к этому интервалу. В табл.3 затабулировано уменьшение со времени первоначальной активности некоторых нуклидов. Например, для нуклида 90Sr величина активности будет составлять 0,48 от первоначальной по истечении 30 лет, для нуклида 204Tl – по истечении 4 лет.

Вкачестве единицы активности недавно введена “Беккерель”(Бк), соответствующая одному распаду в секунду: /А/=с-1. Однако на практике в настоящее время продолжает применяться “Кюри” (Ки), что соответствует 3,7,1010 распадов в секунду (1Бк=2,7∙10-11 Ки). Применяются и кратные ей единицы: “милликюри” (мКи) и “микрокюри” (мкКи):

1Ки=3,7∙1010с-1=103мКи=106мкКи (см. стандарт СЭВ 1052-78)

Применение радионуклидных источников в лучевой терапии требует знания количества излучения поглощённого в тканях организма, мерой которого являетсяпоглощённаядоза.Онаопределяетсякакотношениесреднейэнергии, переданной ионизирующим излучением веществу заключённому в элементарном объекте к массе вещества в этом объёме.

Вмеждународнойсистемеединиц(СИ)энергияизмеряетсявджоулях(Дж),

апоглощённая доза- в джоулях на килограмм вещества: Дж/кг.

Однако в атомной физике применяют в другую единицу энергии “электровольт” (эВ), а также кратные ей: “килоэлектровольт” (кэВ) и “мегаэлектровольт” (МэВ): 1эВ=10-3 кэВ=10-6 МэВ.

В настоящее время введена /ГОСТ 8.035-74/ новая единица поглощённой дозы“Грей”,определяемойкакколичествоэнергииравное1Джоулю,переданной одному килограмму вещества ионизирующими частицами.

Наряду с этой единицей поглощённой дозы в практической дозиметрии продолжают применять “рад”: 1 рад=100 эрг/г, 1 Гр= 1 Дж/кг= 100 рад.

52

Сигнальный экземпляр

Некоторые радиационно-физические характеристики бета-излучающих нуклидов.

**Нуклид 90Sr находится в равновесии с 90Y.

Таким образом средняя энергия бета-спектра этих нуклидов равна: Еср

(90Sr+90Y)==0,564 МэВ.

Закон уменьшения активности нуклида А(t) cо временем относительно первоначальной активности А0.

3.Офтальмологические аппликаторы (ОА) со 90Sr+90Y.

3.1.Конструкция офтальмоаппликаторов.

Втечение многих лет советские офтальмологи успешно применяют аппликационный метод лучевого воздействия на патологические очаги в тканях глаза. Как уже отмечалось, в офтальмологии особую ценность приобретают щадящие способы лучевой терапии, к которым прежде всего относится использование бета-излучателей. Однако до последнего времени реальный выбор средств аппликационной бета-терапии оставался весьма ограниченным.

Так, например, имеющиеся в нашей стране бета-аппликаторы конструкции Е.Д. Дубового, В.А. Петрова, Б.П. Калашникова, Гулько, В.В. Волкова были выполнены лишь в авторском исполнении и обладают рядом недостатков конструктивного характера.

53

Зарубежные офтальмоаппликаторы, изготовляемые в Англии /1/ и ГДР /2/ более совершенны по устройству, однако не позволяют проводить терапию некоторых часто встречающихся локализаций, вследствие небольшого числа типов таких источников. В частности, отсутствуют бета-аппликаторов для облучения заднего отдела глазного яблока вблизи нервного канала, облучения слезного мясца и других труднодоступных областей глаза.

В связи с указанными обстоятельствами, несколько лет назад в Советском Союзе были начаты исследования /3,4/ по созданию комплекта офтальмологических источников более широкого назначения и не уступающих зарубежным образцам по качеству исполнения. Эта работа проводилась в ИБФ Минздрава

СССР, а также НИИ неорганических материалов совместно с ведущими медицинскими учреждениями страны: НИИ глазных болезней им. Гельмгольца, Московской офтальмологической клинической больницей и Республиканской клинической больницей Минздрава Литовской СССР (в г. Каунасе).

На основании утверждённых в соответствующих инстанциях медико-тех- нических требований и технических заданий был изготовлен комплект из 15 типовофтальмоаппликаторовпроходившихфизико-дозиметрическуюаттеста- цию и последующее клиническое изучение в указанных медицинских учреждениях. В настоящее время эти источники внедряются в серийное производство.

Внешний вид некоторых типов офтальмологических аппликаторов изображён на рис.2, а схемы аппликаторов всего комплектана рис.3.

Источники имеют форму сферического сегмента, с вырезом или без него, в зависимости от типа изделия. Радиус кривизны внешней поверхности аппликатора составляет 15 мм, внутренний-14 мм, таким образом толщина корпу- са-1 мм. Корпус источника снабжён держателем, вид которого зависит от предназначения изделия: аппликаторы для терапии переднего отдела глаза имеют держатель в форме стержня, а для заднего отделаколец или ушек. Материал корпуса и держателейнержавеющая сталь. Корпус состоит из основания, расположенного с внешней (выпуклой) стороны источника и крышки (толщиной 0,15 мм стали)- с внутренней , рабочей поверхности, откуда и выходит бета-из- лучение. Вместе с тем толщина основания (0,65 мм стали) достаточна для полного поглощения бета-частиц. Внутри корпуса, между крышкой и основанием расположена матрица, изготовленная из смеси никеля и цеолита и активированная радионуклидами 90Sr+90Y. Форма и размеры матрицы определяют активную зону источника. В том случае, когда активная зона занимает лишь часть рабочей поверхности (см., например, аппликаторы типа С2,С3,С4 на рис.3), она обозначается на внешней стороне корпуса цветом, отличающимся от остальной, неактивной части аппликатора. Кроме того, на обратной стороне корпуса нанесены маркировочные обозначения и порядковые номера изделия. Корпус источника загерметизирован сваркой.

54

Сигнальный экземпляр

3.2. Дозиметричееские характеристики офтальмоаппликаторов.

Основной дозиметрической характеристикой офтальмоаппликатора является дозное поле, создаваемое им в патологическом очаге и смежных областях глаза. Вместе с тем, конфигурация дозного поля любого бета-источника зависит от следующихфакторов:конструкцииизлучателя,формыиразмеровегоактивнойзоны, вида радионуклида и характера его распределения по объёму (или поверхности) активной части. Кроме того, величина мощностей доз зависит также и от степени насыщенности радионуклидом матрицы источника, т.е. от значения удельной активности. Таким образом, дозное распределение является как бы “вторичной” величиной, производной от всех перечисленных факторов, контроль которых осуществляется в процессе изготовления источника. Само же дозное поле оценивается для готового изделия, естественно, средствами дозиметрии.

Поскольку офтальмологические аппликаторы находятся в контакте с тканью глаза, схема их аттестации сводится к определению мощности дозы и степени её равномерности на поверхности источника. (контактирующего с мягкойбиологическойтканью)ипоследующегоизучениядозногополяпоглубине ткани вокруг источника.

В связи с отсутствием стандартной дозиметрической аппаратуры, пригодной для такой аттестации, в ИБФ МЗ СССР были разработаны и построены соответствующие приборы, а также отработаны методики экспериментальных и расчетных оценок дозиметрических характеристик бета-источников медицинского назначения.

Мощностьдозыбета-излученийнарабочейповерхностиофтальмоапплика- торов измеряется с помощью установки СКД-1 со сцинтилляционным пластмассовым детектором. Детектор в виде цилиндра (диаметр 3 мм и толщиной 1 мм) расположен заподлицо в углублении плексигласового фантома глазного яблока, который находится в контакте с поверхностью аппликатора, что служитимитациейусловийоблучения.Измеренияпроводятсяотносительнометодом, путем сравнении двух показаний прибора – от офтальмоаппликатора и от контрольного бета-источника.Этот калибровочный бета-источник изготовлен по той же технологии, что и исследуемый, но имеет плоскую конструкцию , что позволяет аттестовать его по абсолютным величинам мощности дозы с помощью образцовой ионизационной экстраполяционной камеры. На установке СКД-1 измерения проводятся в нескольких точках на рабочей поверхности аппликатора, затем вычисляется среднее арифметическое значение мощности дозы, которое и сопоставляется с ее величиной от контрольного источника, имеющего высокую степень равномерности распределения нуклида по активной части. Степень неравномерности распределения мощности дозы по рабочей поверхности аппликатора характеризуется коэффициентом вариации W ,определяемого как

55

Здесь - среднее арифметическое значение мощности дозы на рабочей поверхности аппликатора, полученное усреднением мощностей доз Poi измеренных в отдельных областях этой поверхности , причем h –число этих областей; S – среднеквадратичное отклонение результатов измерения.

Согласно техзаданию на выпуск подобных аппликаторов допускаемое отклонение величины от номинала должно составлять не более , а коэффициент вариации W не должен превышать 10% .В паспорт аппликатора заносятся обе эти вели чины. Источники, предназначенные для терапии заболеваний переднего отдела глаза имеют номинальное значение мощности дозы на рабочей поверхности – 1,8 Гр/мин(180рад/мин). Офтальмоаппликаторы для заднего отделаглазавыпускаютсясноминальнойвеличиной P0 - 0,4Гр/мин(40рад/мин).

Важной характеристикой офтальмовппликаторов является дозное распределение по глубине облучаемой ткани. В связи с тем, что бета-частицы имеют относительно малый пробег в ткани, измерения доз должно осуществляться с помощьютакойдозиметрическойсистемы,котораяобеспечиваетвысокоепространственноеразрешение.Оченьудобнымидляэтихцелейоказалисьцветные дозиметрические системы, которая обеспечивает высокое пространственное разрешение. Очень удобными для этих уелей оказались цветные дозиметрические пленки ЦДПЧ , разработанные в ИБФ МЗ СССР /5/. Под действием излучения дозимеры ЦДПЧ изменяют свою оптическую плотность и цвет ( с желтого на красный) в соответствии с величиной поглощенной дозы. Пленки ЦДПЧ имеют химический сростав, который по своим дозиметрическим характеристикам практически не отличаются от плексигласа; в связи с этим, размещение таких дозиметров в плексигласовом фантоме глазного яблока не нарушает гомогенность дозиметрической системы.

В эксперименте нами использовались пленки ЦДПЧ , толщиной от 10 доо 180 мкм, имеющие различные диапазоны регистрации доз. Располагая набором таких пленок можно было измерять дозы в интервале от 15 до 1500крад (0,15 дозных полей офтальмоаппликаторов проводилось согласно двум схемамизмерений.Впервомслучаефантомглазабылвыполненввидеплексигласового шара ( с радиусом 14 мм), имеющего цилиндрическое углубление (ом и размещалась наборная стопка пленочных дозиметров. При этом, с целью сокращения времени, необходимого для индикации малых мощностей доз, на больших расстояниях от аппликатора располагались более чувствительные толстые пленки (до 180мкм ) , а вблизи от поверхности – тонкие пленки меньшей чувствительности. В этой схеме измерений центр активной зоны аппликатора находился на оси стопки детекторов, таким образом, глубинное дозное поле измерялось по центру активной части. Согласно второй схеме эксперимента один пленочный дозиметр размещался перпендикулярно поверхности аппликатора между сжатыми полусферическими половинками фантома глазного яблока. При этом деектор регистрировал всю пространственную картину дозного поля. После соответствующей экспозиции пленок ЦДПЧ с помощью автоматического сканирующего микроденситометра измерялось изменение их

56

Сигнальный экземпляр

оптической плотности. Заметим, что оба варианта расположения дозиметра дают хорошее согласие данных.

Дополнительные исследования дозных распределений от офтальмоаппликаторов осуществлялись также и с помощью термолюминисцентных детекторов LiF в виде тонких (35 мкм) пленок. Эти детекторы разаботаны и изготовлены в НИИ гигиены морского транспорта (г.Ленинград).Измерения проводились в плексигласовом фантоме глаза в виде шара с цилиндрическим углублением для стопки детекторов LiF.

По результатам описанных выше экспериментальных методик были получены дозные поля офтальмологических бета-аппликаторов, которые представ- ленынарис.4-7.Значенияглубинныхмощностейдозприведенывотноситель- ных единицах, причем за 100% изодозу принята ее величина на поверхности аппликатора . Таким образом , для нахождения мощности дозы ( от данного типа источника) в какой-либо точке облучаемого объема, надо умножить соответствующую относительную изодозу на значение P0 , которое проводится в паспортных данных этого аппликатора.

Как следует из вышеизложенного измерения доз от бета – источников неплоской геометрии достаточно трудоемки, требуют разработки специальных методик эксперимента и аппаратуры . В связи с этим определенный интерес представляет расчетный метод дозиметрии. Кроме того, сопоставление результатов расчета и эксперимента может служить критерием корректности полученных данных.

До недавнего времени расчетная дозиметрия не располагала достаточно корректным способом вычислений доз от бета-излучения в гетерогенных средах, т.е. в граничащих средах, отличающихся по атомному номеру плотности. Поскольку в нашем случае стальной корпус аппликатора находится в контакте с мягкой биологической тканью, такая комбинация граничащих сред также относится к гетерогенной.

На основании проведенных в ИБФ МЗ СССР исследований был разработан новый аналитический метод расчета бета-доз в разнородных материалах. Метод достаточно подробно изложен в /6/ , поэтому здесь мы лишь кратко подчеркнем его отличительные черты.

Первая особенность метода состоит в комбинированном описании поля флюенса бета-частиц, который согласно предложенной схеме состоит из двух групп электороновдвижущихся прямолинейно без рассеяния и диффундирующих . Расчет доз от этих компонентов флюенса производится двумя способами (всвязи с чем метод вычислений получил название «двухгрупповой»): для группы нерассеянных электоронв – с помощью функции точечного источника (ФТИ) , а для группы диффундирующих электронов – путем решения уравнения диффузии.

Другая особенность двухгруппового метода заключается в его приложении некреальнымспектрамбета-излучающихнуклидов,акспектрамискусствен- ной , т.н. «квазиравновесной» формы, которая почти сохраняется при прохож-

57

дении бета-частиц через вещество. Как показано в /6/ , бета-спектры большинства нуклидов представимы в виде алгебраической суммы небольшого числа парциальных квазиравновесных составляющих. Расчет доз по двухгрупповому методу производится в отдельности для каждого парциального компонента разложения реального бета-спектра, а дозное поле от бета-излучателя определяется путем суммирования дозных распределений от этих квазиравновесных спектральных компонентов.

Таким образом , мощность дозы P(x) на расстоянии «x» от источника со 90Sr + 90Yсогласно / / равна следующей суперпозиции мощностей доз Pi(x) от трех спектральных квазиравновесных составляющих :

гдеai–парциальныйвес«j»-го(=1,2,3)квазиравновесногоспектравразложе- нии спектра 90Sr + 90Y .

Парциальные доозные распределения P(x) рассчитывались двухгрупповым методом для следующей последовательности чередующихся сферических слоев гетерогенной стстемы: стальное основание корпуса офтальмоаппликатора, матрица (материал которой эквивалентен стали по дозиметрическим характеристикам ) со 90Sr +90Y , стальная крышка и, наконец, мягкая биологическая ткань.Опускаявсепромежуточныевыкладкирасчетапроводимокончательное

Здесь Pi(x)- мощность дозы в ткани глаза на расстоянии х (мг см-2) от поверхности аппликатора по центру его активной части; индекса “С” и “Т” обозначают принадлежность параметров, входящих в формулу, к различным средам гетерогенной системы: “С”- сталь, “Т”- ткань; Wот- среднее по парциальному спектру значение тормозной способности мягкой ткани (кэВмг-1см2); τ- величина удельной активности радионуклида (мг-1сек-1); α – коэффициент, характеризующий поглощение нерассеянной части флюенса электронов; ν- коэффициент поглощения диффузионной части флюенса (мг-1см2); F-функция Кинга, затабулированная, например, в /7/; D- коэффициент диффузии для диффузионного флюенса (мгсм-2); R-радиус кривизны рабочей поверхности аппликатора (R=14 мм = 1400 мг см-2 мягкой ткани); h0- толщина крышки корпуса аппликатора (h0= 117 мг см-2 стали), h- толщина матрицы (h= 122 мг см-2).

Величины, необходимые для расчёта параметров приведены в таблице лишь для двух первых квазиравновесных спектров , входящих в разложение спектра 90Sr+90Y(см.формулу(2)).Деловтом,чтобета-частицыпоследнеготретьегоспек- тра вследствие своей низкой граничной энергии практически полностью поглощаются материалом крышки аппликатора, и поэтому при расчёте не учитывается.

58

Сигнальный экземпляр

Значения параметров, входящих в формулу (3)

На рис.8 представлены глубинные дозные распределения в ткани глаза (по центру активной зоны офтальмоаппликаторов), полученные экспериментальным (сплошная кривая) и расчётным (штриховая линия) методами*. Как следует из рис.8, результаты расчётов и измерений отличаются не более, чем на ±15% для всего практически значимого диапазона расстояний от поверхности аппликаторов, т.е. для всех расстояний, где поглощается более 90% энергии радионуклида. Полученное согласие данных, по видимому, свидетельствует о корректности проведённых исследований дозных полей офтальмологических аппликаторов.

Примеры практического использования дозиметрических характеристик аппликаторов.

Пример1.Впаспортеаппликатора,типаС6,предназначенногодлятерапии переднего отдела глаза, приведено среднее арифметическое значение мощности дозы на рабочей поверхности источника = 2 Гр/мин (200 рад/мин). Допустим, за один сеанс нужно облучить участок поверхности глазного яблока

дозой 8 Гр(800 рад). Время облучения можно определить из следующего соот-

ношения:t= ʒ˓Ȁˏˋː = 4 мин. За это же время участки ткани глаза, расположенные , например, на глубине 1 мм по центру дозного поля получает дозу D= 8

Гр∙ 0,7=5,6 Гр (см.рис. №5- дозное поле от офтальмоаппликатора типа С6), а, расположенные, например, на глубине 4,8 мм получат дозу

D= 8 Гр∙0,1=0,8 Гр.

Пример 2. В паспорте аппликатора типа С12, предназначенного для терапиизаднегоотделаглазаприведенавеличина = 0,4Гр/мин.Еслиаппликатор подшивается, например, на 5 часов, то дозу для участков глаза, расположенных, допустим, на глубине 1,7 мм по центру аппликатора можно рассчитать следующим образом. Поскольку глубине 1,7 мм соответствует 50% изодоза центральной части дозного поля (см. рис. 6), мощность дозы в этих участках глаза составляет 0,4∙0,5= 0,2 Гр/мин. Тогда D=0,2 Гр/мин∙300 мин = 60 Гр.

3.4.Эксплуатационные характеристики офтальмоаппликаторов

иправила работы с ними.

Для практического применения офтальмоаппликаторов (ОА) кроме знания дозиметрических характеристик этих источников необходимы также сведения по их эксплуатации. В настоящем разделе приводятся некоторые из таких сведений.

59