Применение бетатрона в медицине
Бетатрон как источник коротковолнового излучения широко применяют в медицине для лечения опухолей. Опубликованные данные свидетельствуют, что 36 % больных полностью излечиваются после облучения бетатроном. У 34 % больных наблюдается значительное улучшение здоровья, и только 30 % больных не поддаются лечению. В эти
30 % входят больные, страдающие опухолями, устойчивыми к облучению, и больные с запущенной болезнью, распространившейся в различные области организма.
Рентгеновские установки давно применяют при диагностике, рентгенографии и поверхностной терапии. Однако эти установки имеют весьма ограниченные возможности, когда дело касается органов, располагающихся на большой глубине под поверхностью кожи. Коротковолновое излучение, генерируемое бетатронами, имеет некоторые важные свойства, выгодно отличающие их от излучения обычных рентгеновских трубок.
Во-первых, максимальная доза облучения бетатроном приходится не на поверхность облучаемого объекта, а на слои ткани, лежащие на некоторой глубине под поверхностью. Это явление обусловлено тем, что излучение, попадая из воздуха в ткань, освобождает множество вторичных электронов, обладающих большой кинетической энергией. Вторичные электроны, в свою очередь, выбивают третичные электроны и т. д. Таким образом, общий поток электронов быстро увеличивается до
определенной глубины от поверхности тела. Когда энергия электронов недостаточна для последующей ионизации, возрастание электронного потока, а значит, и дозы излучения прекратится и поток электронов начнет медленно уменьшаться.
При облучении обычным рентгеновским излучением максимальная доза получается на поверхности тела пациента. Эта поверхностная доза сильно ограничивает применение рентгеновского излучения в глубокой терапии, лимитируя значение дозы на опухоли. Для бетатрона такого ограничения нет.
Рис.1. Кривые распределения глубинных доз в воде
для излучения различной энергии
На рис. 99 представлены кривые распределения глубинных доз в воде. Максимальное значение дозы для каждой кривой принято за 100 %, чтобы можно было сравнить относительные значения глубинных доз. Это семейство кривых ясно показывает преимущества высокоэнергетического излучения: максимальная проницаемость, меньшие дозы на входе и выходе. Обычное излучение с энергией 200 кэВ имеет относительно низкую проникающую способность, что обусловлено значительным поглощением радиации за счет фотоэлектрического эффекта. Излучение этой энергии наиболее эффективно на поверхности кожи и непосредственно в подкожных слоях ткани. Если с помощью этого излучения сообщить достаточно большую дозу глубинным слоям, то доза на поверхности существенно превысит допустимые значения и вызовет ожог кожи. По этой причине рентгеновское излучение мало подходит для глубокой терапии. Распределение глубинных доз γ-излучения радиоактивного препарата кобальта более благоприятно. Максимум дозы для моноэнергетического излучения с энергией 1,16 и 1,30 МэВ соответствует глубине около 6 мм.
В сравнении с этими данными излучение бетатрона наиболее выгодное. Из распределения глубинных доз видно, что чем больше энергия излучения, тем больше глубина, на которой оно наиболее эффективно. Эффективная глубинная доза связана с ионизацией, которая производится за счет эффекта Комптона и образования электрон-позитронных пар. При очень высокой энергии излучения эффект образования пар становится преобладающим в поглощении излучения и, кроме того, возникает возможность протекания фотоядерных реакций на некоторых элементах, входящих в состав живого организма. Поэтому чрезмерное повышение энергии излучения нежелательно. При выборе энергии излучения для медицины стремятся получить максимум дозы на глубине, лежащей в пределах человеческого тела, и создать условия облучения допустимыми дозами здоровых тканей пациента, находящихся на пути пучка. Практически максимальная энергия излучения бетатрона не превышает 35…45 МэВ. При энергии 35 МэВ максимум ионизации приходится на глубину 6,3 см в теле человека, что обеспечивает возможность терапии на средних и больших глубинах. При этой энергии около 90 % дозы заключено в области между точками, лежащими на глубине 3 см перед максимумом и на 4 см после максимума кривой распределения глубинных доз. Среднее значение энергии в спектре тормозного излучения бетатрона на энергию 35 МэВ составляет 11…12 МэВ.
Другая характерная черта излучения бетатрона в том, что при большой энергии излучения вторичные электроны движутся преимущественно в направлении распространения первичного пучка квантов. Поэтому диффузия излучения за геометрические пределы пучка ничтожно мала. По этой же причине размеры поля облучения мало влияют на распределение изодоз в ткани, что позволяет более точно локализовать излучение внутри тела. В противоположность излучениям низкой энергии степень ионизации в кости очень мало отличается от ионизации в ткани, следовательно возможно проникнуть в любое место организма. В результате ионизации, производимой излучением в ткани, часть клеток, составляющих ткань, разрушается. Было обнаружено, что при действии излучения на раковые клетки последние погибают быстрее нормальных и в большем количестве, причем нормальные клетки способны к регенерации, тогда как раковые такой способности не обнаруживают. На этом и основано применение излучений для лечения раковых опухолей. Элементарное действие, производимое лучами бетатрона на организм человека, ничем не отличается от действия рентгеновского облучения, и в этом смысле бетатрон не является принципиально новой терапевтической установкой. Однако указанные выше преимущества послужили основанием для распространения бетатрона в рентгеновской терапии глубоко расположенных опухолей.