ФИЗИКА Пraktikum. Учебнометодическое пособие для студентов медицинских вузов 2018 Вводное занятие
 Скачать 4.99 Mb.
|
|
9. Применение ионизирующих излучений в лучевой терапии. Лучевая терапия – это метод лечения онкологических заболеваний, основанный на подавлении активности патогенных клеток с помощью ионизирующих излучений. В лучевой терапии применяются различные виды излучений. Альфа-терапия основана на применении короткоживущих альфа-излучающих изотопов, с учетом того, что их пробег в тканях организма – не более 0,1мм. На этом коротком пробеге α-частицы проявляют очень высокую ионизирующую способность. Формы применения: радоновые ванны, питье радоновой воды, вдыхание воздуха, обогащенного радоном, аппликации растворов или мазей, содержащих торий. Бета-терапия. Бета-излучение способно проникать в ткани на глубину 2 – 5 мм. Применяются различные методики бета-терапии: внутриполостная, аппликационная, внутритканевая: названия здесь вполне красноречивы. Внутритканевую бета-терапию осуществляют, вводя в ткани, подлежащие облучению, коллоидные растворы короткоживущих бета-излучающих изотопов (например, уже упоминавшийся изотоп золота 79Au198). В бета-терапии малый пробег -частиц может быть во благо: меньше лучевая нагрузка на здоровые клетки. Рентгенотерапия. В зависимости от глубины расположения онкологического очага, применяется рентгеновское излучение очень широкого диапазона значений энергии квантов: от 10 до 250 кэВ. Помимо энергии квантов, важное значение имеет то, как организована фокусировка рентгеновского излучения. Мы уже обсудили специфику его отражения и преломления. То, что удается сделать для фокусировки рентгеновских лучей – это их пропускание через каналы в толстом (свинцовом) корпусе рентгеновской установки – они называются коллиматорами. Многочисленная группа тонких конических сужающихся коллиматорных каналов – это нечто в роде свинцовой линзы для фокусировки потока рентгеновских лучей на злокачественной опухоли. Гамма–терапия. Благодаря более высокой проникающей способности, в сравнении с рентгеновским, гамма-излучение нашло применение в эффективном методе лучевой терапии, получившем название «гамма-нож». Гамма-нож – технология, которую можно отнести к хирургической. (Основатель радиохирургии и изобретатель гамма - ножа – Ларс Лекселл, Швеция). Идея метода - в том, чтобы гамма-излучение от источников, излучающих с множества направлений, свести в точку дозового максимума, находящуюся на пересечении всех лучей, совместить эту точку с патологическим очагом и уничтожить его за одну процедуру с минимальным ущербом для соседствующих структур. Гамма-нож задумывался как инструмент для операций на мозге. Технические подробности современного гамма-ножа для радиохирургии патологий головного мозга: - Используется γ-излучение изотопа кобальта: 27Co60 с периодом полураспада Т1/2 = 5,26 лет. Он излучает --частицы с энергией 0,31 МэВ и -кванты 1,33 МэВ и 1,17 МэВ. В природе не существует; создается искусственно. - Активность каждого источника – 30 Ки (что составляет 1,1 ТБк; терабеккерель: 1ТБк = 1012 Бк). - Количество совместно работающих источников – 210, с суммарной активностью 6600 Ки. (!) - Источники и коллимационные каналы располагаются в жестком защитном кожухе таким образом, чтобы имелось гарантированное механически неподвижное положение точки дозового максимума. Материал для коллиматоров – вольфрам; он оказался более подходящим, чем свинец. - Совпадение точки дозового максимума с центром онкологического очага должно обеспечиваться с точностью до долей миллиметра. Для этого используются стереотаксические системы, обеспечивающие фиксацию головы пациента в нужном положении. Контроль этого положения обеспечивается с помощью специального рентгеновского томографа и других систем. Насколько жесткими бывают требования к стереотаксическим системам, можно почувствовать из следующего примера: при некоторых операциях с применением лучевой терапии следящие системы согласовывают моменты включения-выключения лучевой нагрузки с ритмом дыхания пациента. Протонная терапия – это вид лучевой терапии, обеспечивающий малую лучевую нагрузку на здоровые ткани при лечении глубоко залегающих компактных онкологических очагов. Малая лучевая нагрузка на здоровые ткани обусловлена следующими свойствами потоков быстрых протонов. Во-первых, протоны имеют сравнительно большую массу, поэтому узкий поток сфокусированных протонов остается узким потоком практически до конца пробега.   Во-вторых, потоки протонов, получаемые с помощью ускорителя, однородны по скорости и кинетической энергии, поэтому глубина проникновения всех протонов практически одинакова; она может регулироваться настройкой режима работы ускорителя. В-третьих, почти вся радиационная доза протонов выделяется в тканях на последних миллиметрах пробега протонов. Эта особенность протонов известна как Брэгговский пик. На графиках рис. 10, в координатах «глубина – доза», видно, что на- Рис. 10. личие такого пика выгодно отличает протоны от гамма-излучения (x-rays) и электронов. Выбором значения энергии протонов, достигаемой в ускорителе (а диапазон для выбора широк: 70 – 250 МэВ) можно добиться, чтобы максимум дозы достался, по преобладанию, раковым клеткам,; здоровые клетки, расположенные на глубине меньшей, чем опухоль, получат гораздо меньшую дозу, а ткани, расположенные глубже опухоли, вообще никакой дозы не получают. Дозу радиации, которую получают ближние здоровые ткани, удается дополнительно уменьшить за счет прецизионного (точно выверенного) вращения тела пациента относительно протонного пучка, либо вращая пучок вокруг пациента. 10. Регистрация ионизирующих излучений. При открытии рентгеновского излучения (1895 год; Рентген) и при открытии явления радиоактивности (1896 год; Беккерель) излучения регистрировались с помощью люминесцирующих материалов и с применением фотоматериалов. Оба эти метода применяются и поныне. Способность рентгеновского и радиоактивных излучений к ионизации определила принцип действия многих измерительных приборов для работы с этими излучениями. 10.1. Счетчик Гейгера. Счетчик Гейгера – прибор для определения частоты попадания в него ионизирующих частиц или квантов. Изобретен Гейгером в 1908 году. Принцип работы этого счетчика допускает регистрацию α-, - и γ-излучения, но эффективность регистрации этих видов излучения неодинакова, Под эффективностью регистрации понимается процент от падающего потока частиц, который, в среднем, прибор регистрирует. Например, эффективность регистрации 10% означает, что в среднем регистрируется 10 частиц или квантов из ста. Счетчики Гейгера широко применяются в настоящее время в приборах дозиметрического контроля – радиометрах и дозиметрах. Эти простые и надежные приборы применяются экологами, доступны и для личного индивидуального использования.  Схема счетчика Гейгера представлена на рис. 11: Рис. 11. Схема счетчика Гейгера Счетчик представляет собой цилиндрический сосуд, изготовленный из стекла или металла, и заполненный разреженной смесью аргона и неона. Счетчик имеет два электрода. Катодом является цилиндрическая поверхность счетчика; если он стеклянный, то катод выполняется в виде внутреннего металлического напыления. Анодом является тонкая металлическая нить, проходящая по оси датчика. Блок питания обеспечивает на электродах рабочее напряжение около 400 В. Электрическое поле датчика очень неоднородно: чем ближе к аноду, тем больше местная напряженность поля; причиной тому является малый диаметр анода. Бета-излучение со средней и высокой энергией частиц регистрируется счетчиком, обращенным к потоку цилиндрической поверхностью. Важную роль при этом играет материал катода. Для регистрации β-частиц и мягкого γ-излучения применяют торцевые счетчики Гейгера. В них рабочей поверхностью, обращенной навстречу потоку частиц, является торец прибора; его закрывает тонкая пленка с малым коэффициентом ослабления – воздухоэквивалентная. Эффективность счетчика Гейгера при регистрации α- и -частиц близка к единице; для γ-излучения она гораздо ниже, Счетчик Гейгера, с его тонкими стенками и газообразным наполнением, для γ-излучения представляет собой довольно слабую преграду. Повысить эффективность регистрации γ-излучения можно выбором счетчика Гейгера с большей толщиной стенок. Но тогда понизится эффективность по β-излучению. Работа счетчика при регистрации γ-излучения основана на том, что γ-квант, претерпевший в стенке датчика комптоновское рассеяние или фотопоглощение, выбивает из атома электрон, который попадает в газ, заполняющий счетчик и инициирует лавинообразный процесс роста численности вторичных свободных электронов и положительных ионов. Электрическое поле датчика оказывается настолько сильным, что вслед за появлением вторичных электронов появляются вторичные электронные лавины, Это приводит к стремительному нарастанию силы тока; возникший электрический разряд начинает переходить в категорию несамостоятельных (самоподдерживающихся) разрядов, способных длиться неограниченно долго. Однако этого не происходит. С ростом силы тока в электрической цепи счетчика увеличивается падение напряжения U=IR на сопротивлении R (единственное сопротивление на схеме рис. 10). До прилета -кванта напряжение на электродах счетчика равно ЭДС - электродвижущей силе блока питания (около 400 В). При появлении и развитии электронных лавин напряжение на электродах становится меньше, чем ЭДС, на величину падения напряжения, и развитие электрического разряда резко обрывается, разряд гаснет. Состоявшийся электрический импульс учитывает схема счета импульсов, после чего счетчик готов к регистрации следующего γ-кванта или -частицы. 10.2. Сцинтилляционный счетчик. Сцинтилляторы – это вещества, которые при поглощении ионизирующих излучений становятся источниками света. Один из широко применяемых сцинтилляторов – йодид натрия, активированный таллием: NaI(Tl). Чтобы из этого вещества получились детекторы ионизирующих излучений, из расплава йодида натрия по специальной технологии выращивают крупные прозрачные монокристаллы. Присадка таллия добавляется в расплав для повышения яркости световых вспышек (сцинтилляций). Для устройств различного назначения выращивают монокристаллы объемом от нескольких мм3 до нескольких литров.  Рис. 11. Сцинтилляционный счетчик с фотоэлектронным умножителем. На рис.11 представлена схема небольшого сцинтилляционного счетчика. Сцинтилляционный счетчик – прибор, способный с высокой эффективностью регистрировать рентгеновское и гамма-излучение. Он состоит из двух частей: сцинтиллятора и фотоэлектронного умножителя (ФЭУ), находящихся в оптическом контакте. Рентгеновские кванты имеют высокую вероятность взаимодействия с атомами сцинтиллятора: плотность монокристаллов NaI(Tl) равна 3,67 г/см3. Поэтому вдоль траектории кванта появляется цепочка ионизированных и возбужденных атомов. При переходе возбужденных атомов в основное (невозбужденное) состояние возникают световые вспышки – сцинтилляции. Суммарная энергия световых вспышек пропорциональна энергии зарегистрированного рентгеновского кванта. Под действием световых вспышек сцинтиллятора на катоде ФЭУ происходит вырывание электронов - фотоэлектронная эмиссия. Количество фотоэлектронов пропорционально суммарной яркости вспышек, вызванных рентгеновским квантом. Благодаря фотоэлектронам и ускоряющему их электрическому полю, в ФЭУ возникает электрический импульс, который далее усиливается и регистрируется. Для усиления импульсов в ФЭУ предусмотрена последовательная система электродов (А1 – А2 - А3 - А4 - А5 на рис 11), подключенная к блоку питания таким образом, что ускоряющий потенциал ступенчато возрастает ( высота ступеней – порядка 100 В). На электродах происходит вторичная электронная эмиссия: каждый быстрый электрон, ударяясь вскользь об электрод, отражается от него сам и выбивает из него один или несколько дополнительных электронов, С помощью этой системы электродов достигается лавинообразный рост численности электронов в импульсе. Сцинтилляционный счетчик обеспечивает возможность не только фиксировать кванты, но и измерять их энергию. Справа на рис. 11 – нерегулярная последовательность импульсов различной амплитуды на выходе ФЭУ. Дискриминатор – электронное устройство, представляющее подобную последовательность импульсов в виде гистограммы, характеризующей энергетический спектр регистрируемого излучения. 10.3. Гамма-камера. Гамма-камера – это современное техническое устройство для медицинской радиоизотопной диагностики. Применяется для ранней диагностики онкологических, сердечно-сосудистых и других заболеваний. В исследуемый орган вводится радиоактивный фармакологический препарат (РФП). Его радиоактивный распад сопровождается гамма-излучением. РФП по своим биохимическим свойствам таков, что включается в естественный метаболизм органа, а благодаря его гамма-излучению информация о его распределении передается за пределы организма. Гамма-излучение РФП проходит (с небольшими потерями) сквозь ткани организма и регистрируется сцинтилляционным методом с помощью гамма-камеры.   На рис. 12, слева, представлена схема, поясняющая работу гамма-камеры.   Рис. 12. Гамма – камера. Судя по схеме, область грудной клетки стала источником гамма-излучения РФП. Выше, над коллиматорами – сцинтиллятор. Он представляет собой большой монокристалл NaI(Tl), имеющий форму диска; сверху, в надежном оптическом контакте со сцинтиллятором – дискообразный прозрачный световод, с углублениями для установки группы ФЭУ. Коллиматор, на схеме отдаленный от сцинтиллятора, на самом деле примыкает к нему снизу. Форма, размеры и численность каналов в плотном материале коллиматора выбираются так, чтобы каждый ФЭУ имел на поверхности тела пациента четкую зону ответственности и был доступен для сцинтилляций, созданных квантами этой зоны. Эта функция коллиматора упрощает работу компьютерных программ, осуществляющих визуализацию распределения РФМ в теле пациента. Визуализация распределения РФП все равно остается сложной задачей; коллиматор лишь повышает достижимую точность ее решения. На рис. 12, на фотографии справа, представлена двухкамерная гамма-камера. Пациент размещается горизонтально. Лежак изготовлен из материала прочного, но достаточно прозрачного для гамма-излучения, исходящего от РФП в теле пациента в направлении нижней гамма-камеры. Лежак вдвигается в зону чувствительности камер с помощью электропривода. Электропривод может обеспечивать равномерное перемещение пациента с заданной скоростью при исследовании всего тела или его части; например, при обследовании позвоночника. Обычная гамма-камера представляет результаты исследований в виде двухмерной (плоской) картины распределения РФП; по сути, это – проекция распределения РФП на некоторую плоскость. Показанная на рис. 12 двухкамерная гамма-камера дает в результате синхронно получаемые две проекции распределения РФП, по которым дополнительная компьютерная программа может воссоздать трехмерный образ распределения РФП в виде послойных сечений, получаемых при томографии. Пример практического применения гамма-камеры: диагностика щитовидной железы. Можно использовать гамма-камеру размерами меньше, чем на рис. 12. Обычно применяется изотоп йода – йод-131, (53I131). Это искусственно получаемый изотоп. Но он возникает также в значительных количествах при ядерных испытаниях и при авариях на ядерных реакторах. Йод-131 имеет период полураспада Т1/2=8,02 суток; при распаде - и γ-активен. Для диагностики используется γ-излучение, характерное наличием нескольких спектральных линий, с максимальной энергией квантов 0,723 МэВ. Бета-активность изотопа йод-131, фактор второстепенный для диагностики на гамма-камере, становится фактором первостепенным, если этот изотоп вводится в щитовидную железу с целью подавления и уничтожения злокачественных клеток. Большое сродство йода с тканями щитовидной железы благоприятствует накоплению радиоактивного йода в диффузных очагах метастазов и их ликвидации с помощью -частиц. 11. Основные дозиметрические характеристики. Мы живем в мире, пронизанном ионизирующими излучениями. Для контроля уровней угрозы полезно знать систему количественных критериев оценки этих угроз. В качестве предисловия сообщаем, что естественный радиационный фон в различных местностях неодинаков, и колеблется от 10-20 мкР/час на равнине до 60 мкР/час в горных местностях; в среднем получается примерно 0,35 Р/год. В горах существенно «фонят» горные породы, сказывается и то, что с ростом высоты возрастает космическая составляющая естественного фона, как возрастает она и при полетах на самолете. Материалы из горных пород могут «фонить» и после перевозки их на равнинную местность. Международное агентство по атомной энергии (МАГАТЭ) рекомендует считать нежелательным для человека все, что превосходит природный фон. Сведения о дозиметрических характеристиках, единицах их измерения и их взаимосвязях сведены в систематизирующую таблицу 2. Табл. 2. Основные дозиметрические характеристики.
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
)
