Физические основы лучевой терапии (ЛТ)

Высокая проникающая способность открывает перспективы для использования нейтронов в лучевой терапии злокачественных новообразований.

При решении вопросов защиты от нейтронного излучения необходимо учитывать специфику его взаимодействия с веществом. Для быстрых нейтронов необходимо их замедлить. Для этого используются легкие ядра (вода, парафин). Медленные нейтроны затем поглощаются в результате радиационного захвата в материалах, изготовленных из бора или кадмия. Поскольку процесс захвата сопровождается излучением g-кванта, необходимо использовать в качестве защитного материала свинец. Таким образом, защита от нейтронов является сложной конструкцией.

Нейтронозахватывающая терапия. Впервые метод предложен Locher в 1936 г. При этом методе используется поток медленных нейтронов, получаемых от ядерных реакторов. Для дифференцированного облучения с максимальным эффектом в опухоли и минимальным в нормальных тканях необходимо насыщение опухоли элементами, характеризующимися большим поперечным сечением захвата медленных нейтронов. Такими элементами являются бор (10В) и литий (6Li). Однако туморотропностью эти элементы не обладают. Для обогащения ими опухоли использована различная скорость диффузии их из кровеносной системы в ткани (т.е. эти элементы медленно переходят из крови в головной мозг, а в опухолевую ткань поступают значительно быстрее). Установлено, что через 30 минут после внутривенного введения соединений бора его концентрация в опухоли мозга в 4-5 раз выше, чем в нормальной ткани. И именно в это время должно проводиться облучение. Концентрация бора и лития в мышечной ткани очень велика, и поэтому нейтронозахватывающую терапию нельзя применять при опухолях туловища и конечностей. Этот метод применим только при опухолях мозга.

Фотонные ионизирующие излучения

К фотонным ИИ относятся g-излучение радиоактивных веществ, характеристическое и тормозное излучения, генерируемые различными ускорителями. ЛПИ фотонного излучения самая низкая (1-2 пары ионов на 1 см3 воздуха), что определяет его высокую проникающую способность (в воздухе длина пробега составляет несколько сот метров).

g-излучениевозникает при радиоактивном распаде. Переход ядра из возбужденного в основное состояние сопровождается излучением g-кванта с энергиями от 10 кэВ до 5 МэВ. Основными терапевтическими источниками g-излучения являются g-аппараты (пушки).

Тормозное рентгеновское излучение

возникает за счет ускорения и резкого торможения электронов в вакуумных системах различных ускорителей и отличается от рентгеновского большей энергией квантов (от одного до десятков МэВ).

При прохождении потока фотонов через вещество происходит его ослабление в результате следующих процессов взаимодействия (тип взаимодействия фотонов с атомами вещества зависит от энергии фотонов):

ü Классическое (когерентное, или томпсоновское, рассеяние) - для фотонов с энергией от 10 до 50-100 кэВ. Относительная частота этого эффекта мала. Происходит взаимодействие, которое существенной роли не играет, так как падающий квант, столкнувшись с электроном, отклоняется, и его энергия не меняется.

ü Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект) - при относительно малых энергиях - от 50 до 300 кэВ (играет существенную роль при рентгенотерапии). Падающий квант выбивает орбитальный электрон из атома, сам при этом поглощается, а электрон, немного изменив направление, улетает. Этот улетевший электрон называется фотоэлектроном. Таким образом, энергия фотона тратится на работу выхода электрона и на придание ему кинетической энергии.

ü Эффект Комптона (некогерентное рассеяние) - возникает при энергии фотона от 120 кэВ до 20 МэВ (т.е. практически весь спектр лучевой терапии). Падающий квант выбивает электрон с наружной оболочки атома, передавая ему часть энергии, и меняет свое направление. Электрон вылетает из атома под определенным углом, а новый квант отличается от первоначального не только иным направлением движения, но и меньшей энергией. Образовавшийся квант будет косвенно ионизировать среду, а электрон - прямо.

ü Процесс образования электронно-позитронных пар - энергия кванта должна быть больше 1,02 МэВ (удвоенной энергии покоя электрона). С этим механизмом приходится считаться при облучении больного пучком тормозного излучения высокой энергии, т.е. на высокоэнергетических линейных ускорителях. Вблизи ядра атома падающий квант испытывает ускорение и исчезает, преобразовываясь в электрон и позитрон. Позитрон быстро объединяется со встречным электроном, и происходит процесс аннигиляции (взаимного уничтожения), а взамен возникают два фотона, энергия каждого из которых вдвое меньше энергии исходного фотона. Таким образом, энергия первичного кванта переходит в кинетическую энергию электрона и в энергию аннигиляционного излучения.