ПРИЛОЖЕНИЯ РАДИАЦИОННОЙ ФИЗИКИ
В МЕДИЦИНЕ И БИОЛОГИИ
ТЕРМИНЫ РАДИАЦИОННОЙ БИОФИЗИКИ
Виды излучения:
непосредственно ионизирующее излучение –любые заряженные частицы (электроны, протоны, ускоренные ионы, многозарядные ионы и ядерные фрагменты, пи-мезоны и т.д.
косвенно ионизирующее излучение – незаряженные частицы фотоны, отдающие энергию веществу через образование электронов и нейтроны, отдающие энергию веществу через образование протонов, а также (и те и другие) через образование продуктов ядерных взаимодействий.
Электромагнитные и ядерные взаимодействия - основные процессы взаимодействия заряженных частиц с веществом.
Фотоэффект, комптон-эффект, образование пар – три основных процесса взаимодействия фотонов с веществом.
-
Параметры поля излучения
Поле излучения – распределение энергии излучения в пространстве; в лучевой терапии широко применяется также термин
поле облучения – это направление пучка частиц при одно- и многопольном облучении.
Флюенс Ф= dN /dS – отношение числа частиц dN, находящихся внутри элементарной сферы к ее площади поперечного сечения dS.
Плотность потока – изменение флюенса в единицу времени.
Удельные потери энергии (–dE/dX) терминологически трактуются по-разному:
Линейная передача энергии ЛПЭ - параметр, определяющий качество излучения, термином «передача» подчеркивается, что эта энергия осталась в веществе, а не излучилась дальше (Разница между –dE/dX и ЛПЭ и значительна, если часть энергии уносится из объёма тормозным излучением).
Тормозная способность среды S плотностью ρ – скорость потерь кинетической энергии на единицу длины пути, массовая - S/ρ приводится к единицам S/ρ МэВ см2/г.
Пробег протонов – обычно имеется в виду средняя величина пробегов до полной остановки протонов за счет потери всей энергии за счет ионизации среды, а также ядерных взаимодействий.
Пик Брэгга – пик кривой Брэгга, т.е. величины (–dE/dX) или пропорциональной ей дозы (см. далее) вблизи конца пробега. Конец пробега не совпадает с пиком Брэгга, а находится на уровне начала спада дозы до ̃80%
Страгглинг –средний разброс пробегов около средней величины вблизи пика Брэгга.
Многократное кулоновское рассеяние – постепенное отклонение заряженных частиц (протонов, электронов) от первоначального направления.
Скэттеринг –средний разброс пробегов около средней величины вблизи пика Брэгга.
Дозовые параметры излучения
Под дозой излучения обычно имеют в виду поглощенную дозу, но во избежание путаницы следует различать различные модификации этого определения.
Экспозиционная доза Х= dQ/dm – отношение заряда ионов одного знака к массе элемента объёма. Выражается в Кл/кг, внесистемная единица – 1Р.
Поглощенная доза излучения D= dε/dm – средняя энергия dε, переданная ионизирующим излучением веществу с массой dm. Выражается в единицах Гр, равных 1Дж/кг, внесистемная единица – 1рад; 1Гр=100 рад (при соблюдении электронного равновесия поглощенная доза в рад численно близка к экспозиционной в Р).
Разницу между этими понятиями можно трактовать как различие между дозой излучения (измеряемой в воздухе, как мера количества падающей на объект энергии частиц) и дозой облучения ((измеряемой внутри фантома как мера действительно поглощенной в объекте энергии).
На пучке заряженных частиц поглощенная доза рассчитывается как произведение заряда электрона на потери энергии и флюенс
D=1,602·10-10·(-dE/dX) Ф,
где (-dE/dX) в единицах МэВ см2/г, Ф – число частиц на 1 кв.см., коэффициент – заряд электрона (с учетом этих единиц).
Модифицирующий фактор – коэффициент, учитывающий неадекватность между поглощенной дозой излучения и произведенным им биологическим эффектом. Основной из этих факторов -
относительная биологическая эффективность (ОБЭ) – величина, характеризующая эффективность данного типа излучения в дозе Dz по сравнению с выбранным стандартным излучением в дозе Dх. Сравнивают не сами эффекты, а дозы, создающие один и тот же эффект: η= Dх./ Dz.
Биологическая доза – произведение ОБЭ на поглощенную дозу B= η * Dz
Биологический эквивалент дозы протонов 1,10 * Dz выражают в единицах грей- эквивалент ГрЭ.
«Качество излучения» - преимущества биологического действия данного вида излучения.
Под коэффициентом качества Q излучения понимают регламентированное значение ОБЭ, принимаемое для обобщенных оценок риска облучения.
Эквивалентная доза – произведение E=Q* Dz. выражается в единицах зиверт=1 Дж/кг в системе СИ.
Переход от биологических понятий к терапевтическим
Лучевая терапия пользуется теми же параметрами, что и радиационная биология, но с учетом фракционированного облучения, стандартом которого является подведение дозы фракциями d=2 Гр (если это обычный, «золотой» стандарт) до достижения деструкции опухоли – обычно до 65-70 Гр.
Критический орган
Понятие и виды мишени
Толерантная доза для критического органа (ткани) D5/5– переносимая величина дозы, понимаемая как поглощенная доза, приводящая к 5% лучевых реакций в критическом органе (ткани) через 5 лет и реже.
Терапевтический интервал
Предмет и термины микро- и нанодозиметрии
Микродозиметрия– направление в дозиметрии, создающее физические модели биологического эффекта как стохастического события, действующего в пределах микрообъёма размером 0,1-10 мкм. Нанодозиметрия– направление микродозиметрии, рассматривающее модели биологического эффекта в объемах размером 1-100 нм. Инструментом моделирования являются пропорциональный счётчик, газовый объем которого эквивалентен таким размерам плотного вещества (или воды). Употребляются аналоги дозы и ЛПЭ, приведенные к таким размерам Δ. Однако микродозиметрия имеет дело не с этими величинами, а с их распределениями. Тогда реально нужны не только средние значения, но и все моменты статистического распределения каждой величины. Нанодозиметрия тем более связана со стохастикой событий и пока не имеет самостоятельного статистического подхода.
Удельная энергия z– стохастическая величина, аналог поглощенной дозы,
z =(dE/dm) Δ ,
Линейная энергия у– стохастическая величина, аналог ЛПЭ, y =(dE/dх) Δ .
Эти величины представлены только их распределениями, так как сами по себе, ввиду больших флуктуаций, их величины не имеют физического смысла, подобно тому как в малых объёмах не приходится говорить о давлении или температуре вещества, заменяя их распределениями скоростей атомов газа.
Микродозиметрия как направление радиационной физики, возникла, когда начались опыты на пучках нейтронов и ускоренных ионов и нужно было понять причины замеченного возрастания их биологической эффективности. Стало понятно, что первичные радиационные повреждения связаны с одиночными и двойными разрывами цепочек ДНК (ОР и ДР). ДР полностью летальны и для них кривые доза-эффект прямолинейны. Это означает, что поперечное сечение процесса σi постоянно. Отношение σi к ЛПЭ L, биологическая эффективность ηi излучения типа I - это σi/L. Для данного случая будет понятно, что эта величина пропорциональна поглощенной дозе излучения Di. Это очевидно, так как вероятность процесса пропорциональна его поперечному сечению. Зададимся конкретным биологическим тестом, например, станем подсчитывать число выживших колоний культуры клеток в чашечке Петри. После облучения данным (индекс z) и стандартным (обычно от источника 60Со, индекс х) излучением в дозах Dz и Dx, можно определить ηz и ηх. Сравнивая поглощенные дозы, при которых биологический эффект этих наблюдений одинаков, определяем для него относительную биологическую эффективность (ОБЭ) ηzх= Dx/Dz. Таким образом, ничего не зная о биологической природе явления, только оценивая его по одинаковому качеству, можно точно характеризовать его путём чисто физических измерений дозиметрами. На этой основе возникло особое направление, эквидозиметрия, которое пользуется обобщенным ОБЭ, коэффициентом (фактором) качества, как одинаково заданной функцией ЛПЭ.
Однако уже на стадии первичного радиационного поражения требуется вносить поправки на широко распространенное заблуждение относительно механизма биологического действия излучения как непосредственного поражения молекул ДНК. Цепочки ДНК испытывают одиночные разрывы ОР, которые способны восстанавливаться, и двойные разрывы ДР, при которых любая клетка погибает.
Как микро-, так и нанодозиметрия целиком основаны на чисто физическом представлении относительно образования ОР и ДР. Тогда биологическая эффективность излучения целиком определяется микрораспределением энергии излучений в пределах генетических структур. Е.А.Красавин (Дубна) приводит убедительные доказательства [] того, что действие излучений с разной ЛПЭ различается также в зависимости от биологических факторов – состояния генома и эффективности окружающих его белковых репарационных систем. В итоге мы имеем не только прямые ОР и ДР, но должны учитывать еще механизмы действия излучения, даже не разрывающего цепочку ДНК.
Однако этими двумя группами факторов, физическими и биологическими, дело не исчерпывается. Взгляды Е.А.Красавина можно дополнить еще «первичными» механизмами, так как есть еще химическая стадия, ведущая к образованию радикало-содержащих комплексов в среде, окружающей как молекулы ДНК, так и ряд клеточных органелл, особенно клеточные мембраны. Подробные данные о радиационно-химических реакциях содержатся в книге Ю.Б.Кудряшова []. Пробег радикалов составляют по порядку величины около 2 нм. Таким же порядком величины характеризуется толщина цепочки ДНК.
Поэтому основные приборы микродозиметрии – бесстеночная пропорциональная камера с размером газового объема, эквивалентным размерам микро- или нанообъемов, т.е. порядка от 10 мкм до 10 нм. В эксперименте моделируется математическое описание радиационно-индуцированных событий в названных выше терминах.
Поэтому физический механизм всё-таки сводится к случаям особенно большого энерговыделения в пределах нескольких нанометров, из-за которого происходят уже химические и биологические следствия прохождения ионизирующего излучения через биологическую среду для больших, но микро-размеров.
1. Качество излучения
2. Зависимость ОБЭ от ЛПЭ, ОБЭ протонов
3. Зависимость доза-эффект
4. Теория дуального действия и зависимость ОБЭ от дозы
5. Стохастическое и детерминированное действие излучений
6. Генетическая и соматическая лучевая нагрузка.
ТЕРМИНЫ РАДИОБИОЛОГИИ – по кн.
ЯРМОНЕНКО-КОНОПЛЯННИКОВ-ВАЙНСОН
Клиническая Радиобиология М.1972
В отличие от общей радиобиологии, клиническая радиобиология ставит перед собой исключительно цель изучения реакций опухолей человека, к-е м исп в клинике (с 6 Трот). Но в ее задачи входят также реакции норм тканей.
Причина смертности: «в б-ве сл… нередко…явл рецидив, а не метастазирование»(с 9).
Локальный контроль опухоли – резорбция перв-го очага (с 10), ЛК
Локальная неудача – рецидив (с 10) ЛН.
Локально-региональный контроль – ЛК+отдаленные метастазы или интеркуррентные заболевания.
4R– reparation, redistribution 1, repopulation4 ,reoxygenation3. (c 16)/
ЭДРО=D[1+d/(α/β)]/3√М - 24 экстраполир доза радиационного ответа, Гр.
Терапевтический интервал – с26
Показатели радиочувствительности клеток с32 – обр-е хромосомных аберраций, задержка деления клеток и т.д.
Модели р/ч клеток –1) модель многих мишеней, с описанием кривых доза-эффект как процессов восстановления клеток благодаря их репаративному потенциалу:
N/N0=1 – (1-e-D/D0)n , еще лучше, по Коэну (111)
N/N0= e- ID [1 – (1-e-KD)n ],
и 2) ЛК-модель связывает гибель клеток с ОР и ДР ДНК:
N/N0=e- αD-βD^2
Линейный член – двойной разрыв ДР,
кв-й член - в-сть независимого обр-я двух разрывов в комплементарных цепях.