Климанов Дозиметрическое планирование лучевой ч2 2008
.pdfФедеральное агентство по образованию
Московский инженерно-физический институт (государственный университет)
В.А. Климанов
Дозиметрическое планирование лучевой терапии
Часть 2. Дистанционная лучевая терапия пучками заряженных частиц и нейтронов. Брахитерапия и радионуклидная терапия
Рекомендовано УМО «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» в качестве учебного пособия для студентов высших учебных заведений
Москва 2008
УДК 539.07(075)+615.015.3(075) ББК 31.42я7+51.26я7 К49
Климанов В.А. Дозиметрическое планирование лучевой терапии. Часть 2. Дистанционная лучевая терапия пучками заряженных частиц и нейтронов. Брахитерапия и радионуклидная терапия. Учебное пособие. М.: МИФИ, 2008. 328 с.
Книга представляет собой вторую часть учебного пособия “Дозиметрическое планирование лучевой терапии”. В учебном пособии рассмотрены основные понятия, физические основы и основные расчетные методы дозиметрического планирования дистанционной лучевой терапии пучками электронов, протонов и нейтронов, а также контактной лучевой терапии и радионуклидной терапии. Изложены способы формирования и модулирования интенсивности радиотерапевтических пучков. Особое внимание уделяется процессу трехмерного дозиметрического планирования. В основу пособия положен курс лекций, читаемых в течение последних восьми лет проф. В.А. Климановым для студентов МИФИ по специальности «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» (специализация «Медицинская радиационная физика») и специальности «Медицинская физика».
Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей, аспирантов и научных работников инженерно-физических и физико-технических вузов, специализирующихся в области лучевой терапии, а также работников медицинских учреждений, связанных с лучевым лечением пациентов.
Пособие подготовлено в рамках Инновационной образовательной программы.
Рецензент кандидат технических наук, старший научный сотрудник Т.Г. Ратнер
ISBN 978-5-7262-0935-7
© Московский инженерно-физический институт (государственный университет), 2008
ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие……………………………………………………………8
Глава 1. Электронная лучевая терапия …………………………..10
1.Современное состояние…………………………………… … 10
2.Взаимодействие электронов с веществом ……………………10
2.1. Общая характеристика процесса взаимодействия … 10
2.2.Массовая тормозная способность …………………….. .11
2.3.Ограниченная массовая тормозная способность и поглощенная доза ………………………13
2.4.Энергетическое распределение
рассеянных электронов …………………………………14
2.5. Угловое распределение рассеянных электронов………………………………….17
3.Дозиметрические характеристики клинических электронных пучков ….………………………………………...18
3.1. Центрально-осевое дозовое распределение пучка электронов в воде ………………………………18
3.2.Равномерность и симметрия поля – внеосевые характеристики …………………………………………24
3.3.Формирование и коллимация пучка ……………………27
3.4.Закон обратных квадратов (положение
виртуального источника) ………………………………28
3.5.Изодозовые кривые ……………………………………...31
3.6.Влияние угла падения пучка на глубинное дозовое распределение ………………………………… 33
3.7.Фактор выхода ………………………………………… 35
3.8.Вклад в дозу от тормозного излучения ……………… 35
4.Фантомы для дозиметрии электронных пучков ...………… 36
5.Влияние негомогенностей на дозовое распределение
от электронных пучков……..…………………………………38
5.1.Метод эквивалентной толщины …………………… …38.
5.2.Легкие ……………………………………………………40
5.3.Кость…………………………………………………… 41
5.4.Небольшие негомогенности ……………………………42
5.5.Воздушные полости …………………………………… 47
6.Нерегулярные поверхности ………………………………… 48
7.Клиническое применение электронных пучков ……………51
3
7.1.Определение мишени ………………………………… 51
7.2.Терапевтический диапазон – выбор энергии пучка… 52
7.3.Рекомендации Международной комиссии по радиационным единицам ……………………………52
7.4.Модификация формы поля и дозового распределения от электронных пучков ……………… 55
7.5.Смежные поля ………………………………………… 61
7.6.Электронная дуговая терапия ………………………… 62
7.7.Тотальное облучение кожи электронами………………69
8.Методы расчета 3-мерных дозовых распределений
от пучков электронов …………………………………………72
8.1.Метод тонкого луча Хогстрома ……………………… 73
8.2.“Быстрый” 3-мерный алгоритм тонкого луча ……… 74
8.3.Метод Монте-Карло …………………………………… 80 Контрольные вопросы …………….. ………………………… 87 Список литературы ………..……………………………………89
Глава 2. Лучевая терапия пучками протонов ………………… 96
1.Особенности протонной терапии …………………………….96
2.История развития протонной лучевой терапии……………………… ……………………… 98
3.Краткая характеристика взаимодействия
протонов с веществом ………………………………….……100
3.1.Электромагнитное взаимодействие ………………… 100
3.2.Ядерные взаимодействия …………………………… 103
3.3.Массовая тормозная способность …………………… 106
3.4.Ограниченная массовая тормозная способность …………………………………………… 108
4.Структура и оборудование клинических центров протонной лучевой терапии ……………………… 109
4.1.Ускорители протонов для лучевой терапии …………109
4.2.Гантри ………………………………………………… 111
5.Система формирования дозового поля …………………… 113
5.1.Требования к параметрам пучков протонов ………… 113
5.2.Формирование индивидуальных клинических пучков протонов ……………………………………….113
6.Дозиметрические величины …………………………………118
7.Аналитическая аппроксимация глубинного
дозового распределения ……………………………………. 120 7.1. Модель для моноэнергетических пучков …………… 120
4
7.2.Дозовое распределение с учетом флуктуаций ……… 123
7.3.Учет энергетического спектра пучка ……………….. 125
8.Метод тонкого луча …………………………………………. 129
8.1.Расчет модифицирующих устройств линии пучка …………………………………………… 129
8.2.Пациент ……………………………………………….. 137
8.3.Суммирование эффектов от всех элементов линии пучка …………………………………………… 138
8.4.Алгоритм тонкого луча ………………………………. 140
8.5.Алгоритм широкого пучка …………………………… 143
9.Аналитический расчет дозы от протонов
сучетом негомогенностей ………………………………….. 145 10. Аналитическая модель Улмера ……………………………. 149
10.1. Интегрирование уравнений Ланджевина
иБете – Блоха .………………………………………. 150 10.2. Учет ядерных взаимодействий и флуктуаций
в потерях энергии …………………………………… 153
11.Применение метода Монте-Карло для расчета доз от протонов ………………………………. 155
11.1.Алгоритм транспорта протонов …………………….. 157
11.2. Моделирование ионизации ………………………… 158
11.3.Моделирование многократного рассеяния ………… 159
11.4.Транспорт δ-электронов …………………………….. 160
11.5.Моделирование ядерных взаимодействий ………… 160
Контрольные вопросы …………………………………………. 163 Список литературы ………..……………………………………164
Глава 3. Нейтронная терапия ……………………………….…..169
1.Особенности нейтронной терапии………………………… 169
2.Дистанционная терапия быстрыми нейтронами ………… 169
2.1.История развития и радиобиологические особенности …………………………………………… 169
2.2.Генерация пучков быстрых нейтронов ……………… 172
2.3.Фантомы в клинической нейтронной дозиметрии …………………………………………….. 175
2.4.Методы расчета доз в терапии быстрыми нейтронами …………………………………187
3.Нейтрон-захватная терапия ………. ………………………. 200
3.1.Принцип и история развития ………………………… 200
5
3.2.Терапевтическое усиление нейтронной терапии
спомощью реакции захвата на боре ………………... 203
3.3.Нейтрон-захватная борная терапия на базе реакторов……………………………………… 212
3.4.Нейтрон-захватная терапия на базе ускорителей …………………………………. . 226
3.5.Методы расчета доз в нейтрон-захватной терапии …………………………231
3.6.Базовые расчеты пространственного распределения кермы ………………………………….238
4.Преимущества и ограничения весовых факторов и взвешенной дозы в нейтронной и нейтрон-захватной терапии ……….. ……………………………………………..241
4.1.Однокомпонентный случай ………………………… 243
4.2.Двухкомпонентный случай ………………………… 244
4.3.Четырехкомпонентный случай ……………………… 245
Контрольные вопросы …………….. …………………………247
Список литературы………….…………………………………248
Глава 4. Брахитерапия …..……………………………………… 256
1.Особенности брахитерапии………………………………… 256
2.Классификация брахитерапии ..……………………………. 257
3.Источники ионизирующего излучения для брахитерапии …………………………….………………259
3.1.Физические характеристики и конструкционные особенности источников………… 260
3.2.Спецификация источников γ-излучения …………… 265
3.3.Спецификация источников β-излучения…… …….…267
4.Расчет дозовых распределений в брахитерапии ……………267
4.1.Принцип суперпозиции ……………………………… 268
4.2.Формализм TG-43 …………………………………… 269
4.3.Традиционные методы расчета мощности дозы в брахитерапии ………………………………… 272
4.4.Расчет полной дозы за время облучения ……………..279
4.5.Компьютерное планирование …………………………280
5.Клиническое применение и
дозиметрические системы ……………………………………281
5.1.Гинекология ……………………………………………281
5.2.Внутритканевая брахитерапия ……………………… 286
6
5.3.Системы дистанционного последовательного введения катетеров и источников …………………….291
5.4.Постоянные имплантанты в простате ……………… 294 Контрольные вопросы ……………………………………… 297
Список литературы ………………………………………… 297
Глава 5. Радионуклидная терапия …………………………… 300
1.История развития радионуклидной терапии……………… 300
2.Выбор радионуклида …………………………………….…..300
3.Выбор носителя радионуклида ……………….. ……………303
4.Сферы клинического применения РФП… ………………… 304
5.Дозиметрическое обеспечение РНТ………………………...306
6.Преимущества и недостатки радионуклидной терапии…….311
Контрольные вопросы ………………………………………...312 Список литературы ………..…………………..………………313
Приложение…………………………………………………………314
7
Предисловие
Данное учебное пособие является второй частью полного учебного пособия по дозиметрическому планированию (ДП) лучевой терапии. В него вошли вопросы, связанные с ДП дистанционной лучевой терапии пучками электронов, протонов, нейтронов, а также контактной лучевой терапией (брахитерапией) и радионуклидной терапией. Эти виды лучевого лечения злокачественных новообразований являются относительно новыми и быстро развивающимися направлениями лучевой терапии. Во многих случаях они позволяют создавать более конформные дозовые распределения в очаге поражения и уменьшать дозовую нагрузку на здоровые ткани по сравнению с традиционными методами лучевой терапии. В результате появляется возможность существенно повысить эффективность лучевого лечения. Дозиметрическое планирование этих видов лучевой терапии имеет свои особенности, многие вопросы еще требуют своего решения. Автор пытался изложить и обобщить в учебном пособии новейшие подходы и алгоритмы расчета дозовых распределений. Особое внимание уделено методам 3-мерного дозиметрического планирования с учетом негомогенностей. Многие из описываемых в пособии методов и алгоритмов разработаны автором вместе с сотрудниками руководимой им научной группы. Третья часть пособия будет посвящена вопросам дозиметрического планирования лучевой терапии пучками с поперечной модуляцией интенсивности излучения, проблеме оптимизации и программе гарантии качества.
Учебное пособие написано на основе курса лекций, который читает автор студентам Московского инженерно-физического института, специализирующимся в области медицинской радиационной физики. Учитывая, что в силу явного недостатка отечественной литературы в данной области, специалистам приходится часто работать с англоязычными публикациями, инструкциями и рекомендациями, в тексте пособия для краткого обозначения основных величин часто применяется двойная аббревиатура (русский и английский варианты).
Также как и в первой части автор старался не усложнять изложение материала излишней математической формализацией. Поэтому пособие будет полезно не только медицинским физикам, но и другим членам радиотерапевтической команды, знакомым с основами взаимодействия излучений с веществом, а также аспирантам и научным работникам.
8
Автор выражают большую признательность н.с. МИФИ Журову Ю. В. и канд. физ.-мат. наук Д.Э. Петрову за помощь в подборе научных публикаций, подготовке текста и иллюстраций пособия.
9
Глава 1. Электронная лучевая терапия
1.Современное состояние
Всовременной лучевой терапии облучение пучками высокоэнергетических электронов является весьма полезным, а в некоторых случаях фактически незаменимым способом лучевого лечения. Несмотря на то, что источники электронов стали доступными достаточно давно, практическое использование электронов в лучевой терапии началось в 70-х годах прошлого века одновременно с началом широкого распространения в клиниках медицинских электронных ускорителей. Так же как и для фотонов здесь можно выделить несколько ключевых моментов, которые определяющим образом способствовали активному внедрению электронного облучения. К ним относятся: а) совершенствование конструкции медицинских электронных ускорителей, позволившее существенно улучшить клинические характеристики электронных пучков; б) рождение и широкое распространение компьютерной томографии; в) разработка высокоточных алгоритмов 3-мерного дозиметрического планирования. Важнейшими среди этих усовершенствований явилось изобретение систем двойных рассеивающих фольг и аппликаторов для пучков электронов.
Современные медицинские линейные ускорители могут создавать пучки электронов нескольких энергий в диапазоне от 4 до 20 МэВ. Этот энергетический интервал является наиболее удобным при облучении электронами поверхностных и неглубоко лежащих опухолей (глубина меньше 5 см). Хотя обработка таких опухолей может проводиться и мягким рентгеновским излучением, тангенциальными пучками фотонов или с помощью брахитерапии, использование пучков электронов имеет несомненные преимущества. Эти преимущества заключаются в большей дозовой однородности в объеме мишени и значительно меньших значениях доз в более глубоко лежащих нормальных тканях.
2.Взаимодействие электронов с веществом
2.1.Общая характеристика процесса взаимодействия
Электрон является легкой заряженной частицей. Он имеет единичный элементарный отрицательный заряд, а его масса равняется примерно 1/2000 массы атома водорода. Эти свойства и определяют специфику взаимодействия электронов с атомами окружающей среды. Проходя
10