Климанов Дозиметрическое планирование лучевой 2007

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ)

В.А. Климанов, Т.А. Крылова

Дозиметрическое планирование лучевой терапии

Часть 1. Дистанционная лучевая терапия пучками тормозного и гамма-излучения

Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия

для студентов высших учебных заведений

Москва 2007

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие…………………………………………………................5

Список основных сокращений и обозначений…………….............8

Глава 1. Основные величины, используемые при дозиметрическом планировании ………………………….............10

1.Основные величины, используемые для описания поля фотонов в радиационной физике …………………….......10

2.Фантомные материалы …………………………………………17

3.Процентная глубинная доза и ее свойства .…………………...19

4.Отношение «ткань – воздух» (ОТВ или TAR)

иего свойства ………………………………………………......23

5.Отношение «рассеяние – воздух» (ОРВ или SAR)…….……..29

6.Система дозиметрических расчетов для мегавольтных пучков……………………………………………………………31

7.Практические приложения …………………………………….38

8.Простые практические методы расчета глубинных распределений…………………………………………………..43

9.Внеосевое отношение и дозовый профиль пучка……………45

10.Приближенные аналитические модели для расчета поглощенной дозы …………………………………………….49

Контрольные вопросы к главе 1 ……………………………… 53

Глава 2. Изодозовые распределения………………………………55

1.Изодозовые кривые…………………………………………….55

2.Параметры изодозовых кривых ………………………………58

3.Клиновидные фильтры………………………………………...60

4.Многопольное облучение.……………………………………..67

5.Изоцентрическое облучение..…………………………………75

6.Облучение с клиньями...……………………………………….77

7.Дозовая спецификация для терапии внешними пучками……81

8.Гистограммы «доза – объем»………………………………….85 Контрольные вопросы к главе 2………………………………88

3

Предисловие

Зарождение лучевой терапии как области знания, обычно связывают с открытием В.К. Рентгеном в 1895 г. рентгеновских лучей. Буквально через несколько лет после открытия этого излучения были предприняты попытки использовать его для лечения опухолей кожи. Как ни удивительно, первый опыт оказался достаточно удачным, после чего пошла череда неудач, что на многие годы приостановило использование ионизирующего излучения в медицинских целях. Потребовались долгие годы фундаментальных исследований физических свойств различных видов ионизирующих излучений, особенностей взаимодействия этих излучений с живой материей на клеточном и организменном уровне, опыты на животных и т.д., пока снова не возобновился интерес к использованию ионизирующих излучений в лечении онкологических заболеваний.

Сегодня лучевая терапия является одним из трех основных методов лечения различных видов онкологических заболеваний, два других метода – это хирургия и химиотерапия. Очень часто все три метода применяются совместно, так что можно сказать, что в настоящее время лучевая терапия рекомендуется 60-70 % онкологических больных. В отличие от хирургии и химиотерапии, которые базируются на клиническом опыте и являются чисто медицинскими специальностями, лучевая терапия базируется на современных технологиях и совместной согласованной работе целой команды специалистов из разных областей знаний. Эта команда объединяет как медицинских специалистов, в частности радиационных онкологов, так и специалистов из пограничных областей знаний, а именно, медицинских физиков и биомедицинских инженеров.

Важнейшим этапом лучевой терапии является дозиметрическое планирование лучевого воздействия на пациентов. Его главная задача состоит в разработке и реализации такого плана облучения, который обеспечит рекомендуемую поглощенную дозу ионизирующего излучения в объеме опухоли и минимальную величину дозы в окружающих опухоль нормальных тканях и критических органах, по крайней мере меньшую, чем толерантная доза для этих тканей. Эта задача является весьма не простой, потому что кроме других проблем существуют очень жесткие требования на точность

5

реализации значений доз. Дело в том, что зависимость реакций опухоли и нормальных тканей оказывается очень крутой функцией поглощенной дозы. Небольшие изменения в значении дозы (±5%) могут приводить к драматическому изменению в ответной реакции тканей (±20 %).

Обязанности по проведению дозиметрического планирования облучения в радиотерапевтической команде лежат на медицинских физиках. Но и другие члены команды должны понимать основные принципы, возможности и проблемы этого процесса.

Данное учебное пособие является первой частью полного учебного пособия по дозиметрическому планированию (ДП) лучевой терапии. В него вошли вопросы, связанные с ДП дистанционной лучевой терапии пучками тормозного и гамма-излучения. Во второй части будут рассмотрены планирование контактных методов облучения (брахитерапии) и терапии пучками заряженных частиц и нейтронов. Третья часть будет посвящена вопросам ДП лучевой терапии пучками с поперечной модуляцией интенсивности излучения в пучках, проблеме оптимизации ДП и программе гарантии качества.

Учебное пособие написано на основе курса лекций, который читает проф. Климанов В.А. студентам Московского инженернофизического института, специализирующимся в области медицинской физики. Основное внимание в пособии уделяется изложению основных физических и математических вопросов, связанных с ДП лучевой терапии. В отличие от зарубежных и отечественных публикаций на эту тему в пособии дается не только общее описание способов расчета дозы при ДП, но также приводится подробное описание современных методов расчета 3-м дозиметрических распределений как при традиционном облучении, так и при применении пучков с модулированной интенсивностью. В третьей части пособия будут впервые детально описаны также принципы и алгоритмы оптимизации дозовых распределений при планировании лучевой терапии.

Авторы учитывали также, что в силу явного недостатка отечественной литературы в данной области, специалистам приходится часто работать с англоязычными публикациями, инструкциями и рекомендациями. Поэтому, чтобы избежать возможного недопонимания, в тексте пособия для краткого обозначения основных вели-

6

чин применяется двойная аббревиатура (русский и английский варианты).

Авторы старались не усложнять изложение материала излишней математической формализацией. Поэтому пособие будет полезно также и другим членам радиотерапевтической команды, знакомым с основами взаимодействия излучений с веществом, а также аспирантам и научным работникам.

Авторы выражают большую признательность н.с. МИФИ Журову Ю. В. и канд. физ.-мат. наук Д.Э. Петрову за помощь в подготовке текста и иллюстраций пособия. Особую сердечную благодарность авторы выражают в.н.с. РОНЦ им. Н.Н. Блохина канд. техн. наук Ратнер Т.Г. за предварительное редактирование рукописи и ценные советы.

7

ТЛ – тонкий луч КТЛ – тонкий луч с конечным поперечным сечением

Kдл – дозовое ядро дифференциального тонкого луча Kтл – дозовое ядро тонкого луча

K – дозовое ядро тонкого луча с конечным поперечным сечением

9

Глава 1. Основные величины, используемые при дозиметрическом планировании

Процедуры радиотерапии разделяются на два основных класса: дистанционная и контактная (брахитерапия) лучевая терапия. При дистанционной радиотерапии источник излучения размещается на определенном расстоянии от пациента и мишень (область облучения), находящаяся внутри или на поверхности пациента, облучается внешним пучком излучения. В брахитерапии (см. часть 2 пособия) источники излучения размещаются непосредственно в объеме мишени или на поверхности мишени. Большая часть процедур дистанционной терапии выполняется с помощью пучков фотонов, некоторая часть – с помощью пучков электронов и относительно небольшая (но постепенно увеличивающаяся) с помощью тяжелых частиц, таких как протоны, нейтроны и тяжелые ионы.

В этой главе рассматриваются основные понятия, используемые при планировании дистанционного облучения фотонными пучками. Пучки фотонов подразделяются на разные виды в зависимости от их происхождения, метода получения и энергии. С точки зрения происхождения фотонов в лучевой терапии различают гаммаизлучение, испускаемое радионуклидами, и тормозное или x-излу- чение, образующееся при падении на специальную мишень высокоэнергетических электронов. Х-излучение, выходящее из мишени, состоит из собственно тормозных фотонов и характеристических фотонов. По отношению к методу получения x-излучение делят на x-лучи, создаваемые на рентгеновских трубках (мягкое рентгеновское и ортовольтовое излучение), и на линейных электронных ускорителях (мегавольтное излучение) или ЛУЭ. Для краткости все облучающие установки в дальнейшем будем называть иногда аппаратами или машинами.

1. Основные величины, используемые для описания поля фотонов в радиационной физике

Применяемые при дозиметрическом планировании величины определяются через понятия (характеристики), используемые в ра-

10