Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планирование 2011

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»

В.А. Климанов

РАДИОБИОЛОГИЧЕСКОЕ И ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ

ЛУЧЕВОЙ И РАДИОНУКЛИДНОЙ ТЕРАПИИ

Часть 2. Лучевая терапия пучками протонов, ионов, нейтронов и пучками с модулированной интенсивностью, стереотаксис, брахитерапия, радионуклидная терапия, оптимизация, гарантия качества

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

для студентов высших учебных заведений

Москва 2011

УДК 539.07(075)+615.015.3(075) ББК 31.42я+51.2я7 К49

Климанов В.А. РАДИОБИОЛОГИЧЕСКОЕ И ДОЗИ-

МЕТРИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЛУЧЕВОЙ И РАДИОНУКЛИДНОЙ ТЕРАПИИ. Часть 2. Лучевая терапия пучками протонов, ионов, нейтронов и пучками с модулированной интенсивностью, стереотаксис, брахитерапия, радионуклидная терапия, оптимизация, гарантия качества: Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. 604 с.

Во второй части учебного пособия изложены основные понятия, радиобиологические и физические вопросы, связанные с планированием лучевой терапии пучками тяжелых заряженных частиц, нейтронами и пучками с модулированной интенсивностью, брахитерапии, радионуклидной терапии, радиохирургии, стереотактической терапии, оптимизации и гарантии качества облучения. В книге излагаются вопросы выбора видов излучения, формирования пучков и расчета распределений поглощенной дозы при дистанционной, контактной и радионуклидной терапии для разных видов ионизирующего излучения, включая гамма-излучение, электроны, нейтроны, протоны и тяжелые ионы. Особое внимание уделяется таким новым направлениям лучевой терапии, как конформная терапия, лучевая терапия пучками с поперечной модуляцией интенсивности (IMRT), радиохирургия, стереотактическая и нейтронно-захватная лучевая терапия. В заключительной главе рассматриваются вопросы гарантии качества лучевого лечения.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.Н. Беляев

ISBN 978-5-7262-1491-7

©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

Редактор Н.В. Шумакова

Подписано в печать 15.12.2010. Формат 60х84 1/16

Уч.-изд. л. 37,5. Печ. л. 37,75. Тираж 100 экз.

Изд. № 1/1/115. Заказ № 8

Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское шоссе., 31

ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список основных сокращений и обозначений………. 12

1.Особенности протонной терапии……………………. 15

2.История развития протонной лучевой терапии……17

3.Краткая характеристика взаимодействия протонов

свеществом…………………………………………. 19

3.1.Кинематика протонов……………………………… 19

3.2.Электромагнитное взаимодействие………………. 20

3.3.Ядерные взаимодействия………………………….. 25

3.4.Массовая тормозная способность ……………….. 29

3.5.Ограниченная массовая тормозная способность.. 31

4.Структура и оборудование клинических центров протонной лучевой терапии……………………….. 31

4.1.Ускорители протонов для лучевой терапии……… 31

4.2.Гантри………………………………………………. 34

5.Система формирования дозового поля…………..... 38

5.1.Требования к параметрам пучков протонов………38

5.2.Формирование индивидуальных клинических пучков протонов…………………………………… 38

6.Дозиметрические величины………………………... 43

7.Аналитическая аппроксимация глубинного

дозового распределения широкого пучка………… 45

7.1.Модель для моноэнергетических пучков………… 45

7.2.Дозовое распределение с учетом флуктуаций…… 49

7.3.Учет энергетического спектра пучка…………….. 50

8.Метод тонкого луча………………………………….54

8.1.Расчет модифицирующих устройств линии пучка…………………………………………........ 55

8.2.Пациент….………………………………………… 63

8.3.Суммирование эффектов от всех элементов линии пучка………………………………………… 65

8.4.Алгоритм тонкого луча……………………………. 66

3

8.5.Алгоритм широкого пучка………………………… 70

9.Аналитический расчет дозы от протонов с учетом негомогенностей……………………………………..71

10.Аналитическая модель Улмера………………………… 76

10.1.Интегрирование уравнений Ланджевина и Бете-Блоха………………………………………… 76

10.2.Учет ядерных взаимодействий и флуктуаций

впотерях энергии…………………………………. 79

11.Расчет дозового распределения на основе измерения флюенса протонов в воздухе…………. 82

11.1.Общая характеристика метода расчета………….. 82

11.2.Определение конфигурационных параметров из измерения флюенса в воздухе………………… 83

11.3.Использование конфигурационных параметров для расчета дозы………………………………….. 87

12.Применение метода Монте-Карло для расчета доз от протонов……………………………………..90

12.1.Алгоритм транспорта протонов………………….. 91

12.2.Моделирование ионизации………………………. 93

12.3.Моделирование многократного рассеяния……… 94

12.4.Транспорт δ-электронов………………………….. 95

12.5.Моделирование ядерных взаимодействий……… 95

13.Лучевая терапия пучками ионов………………….. 97 Контрольные вопросы………………………………….103 Список литературы………………………………….. 105

Глава 9. Нейтронная терапия…………………………...110

1.Особенности нейтронной терапии………………….110

2.Дистанционная терапия быстрыми нейтронами….. 111

2.1.История развития и радиобиологические особенности………………………………………… 111

2.2.Генерация пучков быстрых нейтронов…………… 113

2.3.Фантомы в клинической нейтронной дозиметрии…………………………………………. 117

2.4.Методы расчета доз от быстрых нейтронов…..… 128

3.Нейтрон-захватная терапия………………………… 141

3.1.Принцип и история развития……………………… 141

4

3.2.Терапевтическое усиление нейтронной терапии

спомощью реакции захвата нейтронов на боре…. 144

3.3.Нейтрон-захватная борная терапия на базе реакторов…………………………………………… 153

3.4.Нейтрон-захватная терапия на базе ускорителей…167

3.5.Методы расчета доз в нейтрон-захватной терапии……………………………………………… 172

3.6.Базовые расчеты пространственного распределения кермы……………………………… 179

4.Преимущества и ограничения весовых факторов и

взвешенной дозы в нейтронной и нейтронзахватной терапии………………………………….. 182

4.1.Однокомпонентный случай……………………….. 184

4.2.Двухкомпонентный случай………………………... 185

4.3.Четырехкомпонентный случай……………………. 187

Контрольные вопросы………………………………….188

Список литературы………………………………….. 189

Глава 10. Лучевая терапия с поперечной

модуляцией интенсивности пучка (IMRT) ……….. 198

1.Общее описание и сравнение конформной лучевой терапии и лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности пучка…………………. 198

2. Краткий исторический обзор………………….. 204

3.Методы получения пучков с модулированной интенсивностью…………………………………….. 206

3.3.Класс 3: метод многосегментных статических полей………………………………………………... 223

3.4.Класс 4: томотерапия………………………………. 234

3.5.Класс 5: модуляция интенсивности с помощью движущегося узкого блока………………………… 240

3.6.1М модуляция интенсивности с помощью традиционного коллиматора……………………… 243

3.7.Класс 6: лучевая терапия сканирующими пучками…………………………………….. 243

5

4.Планирование облучения и расчет доз для

фотонных пучков с модулированной интенсивностью……………………………………...244

5.Обратное планирование облучения: проблема оптимизации………………………………………… 251

6.Позиция края светового поля для лепестков с загругленными и сфокусированными концами……258

7.Смещение края радиационного поля……………….261

8.Утечка излучения через лепестки………………….. 263

8.1.Прохождение излучения через центральную область лепестков…………………………………. 263

8.2.Прохождение излучения между лепестками…….. 264

Контрольные вопросы………………………………….269

Список литературы……………………………….. 270

Глава 11. Брахитерапия………………………………….275

1.Особенности брахитерапии………………………… 275

2.Классификация брахитерапии………………………276

3.Источники ионизирующего излучения для брахитерапии………………………………………………278

3.1.Физические характеристики и конструктивные особенности источников………………………….. 279

3.2.Спецификация источников γ-излучения…………. 284

3.3.Спецификация источников β-излучения…………. 286

4.Расчет дозовых распределений в брахитерапии…...287

4.1.Принцип суперпозиции……………………………. 287

4.2.Формализм TG-43………………………………….. 288

4.3.Традиционные методы расчета мощности дозы в брахитерапии…………………………………….. 292

4.4.Эффект аппликатора и учет негомогенностей…… 299

4.5.Расчет суммарной дозы за время облучения……... 303

4.6.Компьютерное планирование…………………… 304

5.Клиническое применение и дозиметрические системы………………………………………………… 305

5.1.Гинекология………………………………………… 306

5.2.Внутритканевая брахитерапия…………………….. 311

6

5.3.Системы дистанционного последовательного введения катетеров и источников………………… 316

5.4.Постоянные импланты в простате………………… 316

6.Радиобиология брахитерапии……………………. 321

6.1.Введение……………………………………………. 321

6.2.Терапевтическое отношение……………………… 321

6.3.Фракционирование………………………………….325

6.4.Предписываемая доза……………………………… 327

Контрольные вопросы………………………………….329

Список литературы………………………………….. 329

Глава 12. Стереотактические радиохирургия и лучевая терапия…………………………………… 333

1.Введение и историческая справка…………………. 333

2.Стереотактическая рама……………………………..335

3.Установки для стереотактического облучения…….337

3.1.Гамма-нож………………………………………….. 337

3.2.Медицинские линейные ускорители электронов

для стереотаксиса……………………………………… 341

3.3.Стереотактические опорные системы……………. 346

4.Планирование стереотактического облучения……. 348

4.1.Особенности систем дозиметрического планирования………………………………………. 348

4.2.Алгоритмы расчета дозы, использующие отношение ткань-фантом и внеосевое

отношение…………………………………………. 349

4.3.Особенности измерения дозовых характеристик для узких пучков…………………………………… 350

4.4.Аналитический расчет центрально-осевых дозо-

вых распределений для пучков с малым диаметром… 354

4.5.Расчет дозовых распределений в стереотаксисе методом Монте-Карло…………………………….. 358

4.6.Оценка плана облучения в стереотактической радиохирургии……………………………………… 366

4.7.Стереотактическая радиохирургия на линейных ускорителях………………………………………… 372

Контрольные вопросы………………………………. 385

7

Список литературы………………………………….. 386

Глава 13. Оптимизация лучевой терапии……………..391

1. Общее описание оптимизации……………………... 391

2. Физические целевые функции…………………… 395

3.Дозовые ограничения и ограничения типа доза-объем………………………………………………… 398

4.Биологические модели, используемые для

сравнительной оценки дозиметрических планов облучения……………………………………………. 402

4.1.Особенности биологических целевых функций…. 402

4.2.Вероятность контроля над опухолью: общее рассмотрение……………………………………….. 404

4.3.Фундаментальная модель TCP……………………. 406

4.4.Эмпирические модели TCP………………………... 411

4.5.Эмпирические модели NTCP……………………… 411

4.6.Фундаментальные модели NTCP…………………. 415

4.7.Негомогенное дозовое распределение и сжатие гистограммы доза-объем………………………….. 418

4.8.Концепция эквивалентной однородной дозы……. 422

5.Биологические целевые функции оптимизации…...431

5.1.Общее рассмотрение……………………………….. 431

5.2.Биологические целевые функции на базе TCP и

NTCP………………………………………………… 432

5.3.Биологическая целевая функция на базе обобщенной эквивалентной однородной дозы….. 435

5.4.Физико-биологическая оптимизация…………… 436

5.5.Сравнение дозиметрических планов облучения,

использующих физические и биологические целевые функции…………………………………... 439

5.6.Лучевая терапия под управлением биологии – будущее быстро приближается…………………….441

6.Алгоритмы оптимизации лучевой терапии……….. 445

6.1.Метод градиента…………………………………….446

6.2.Метод «моделирования отжига»………………….. 450

6.3Генетический метод………………………………… 452

6.4.Метод матричной инверсии без отрицательных

8

весов бимлетов…………………………………….. 455

6.5.Метод моделирования динамики…………………. 457

7.Оптимизация облучения в брахитерапии……….. 460

7.1.Особенности оптимизации в брахитерапии……. 460

7.2.Целевые функции оптимизации в брахитерапии… 461

7.3.Алгоритмы оптимизации в брахитерапии………... 467

Контрольные вопросы………………………………….476

Список литературы………………………………….. 479

Глава 14. Радионуклидная терапия…………………. 485

1.История развития радионуклидной терапии…………….485

2.Выбор радионуклида………………………………...486

2.1.Общее рассмотрение……………………………….. 486

2.2.Источники β-излучения……………………………. 487

2.3.Источники электронов Оже……………………….. 490

2.4.Источники α-частиц………………………………... 492

3.Выбор носителя радионуклида…………………….. 494

4.Сферы клинического применения РФП…..………. 495

5.Дозиметрическое обеспечение РНТ……………….. 496

6.Практическое применение формализма MIRD…….500

7.Планирование радионуклидной терапии………….. 501

7.1.Предварительное введение РФП…………………. 501

7.2.Критические органы……………………………….. 504

7.3.Расчеты для конкретного пациента………………. 504

7.4.Радиобиологическое рассмотрение……………….. 505

8.Преимущества и недостатки радионуклидной

терапии………………………………………………. 507

Контрольные вопросы………………………………….508

Список литературы…………………………………………..509

Глава 15. Гарантия качества в лучевой терапии…… 512

1.Определения………………………………………….512

2.Требования системы качества……………………… 513

9

3.Базис для определения толерантных пределов….... 514

3.1.Формулировка точности…………………………… 514

3.2.Соотношение между дозовым эффектом и точностью………………………………………….. 517

3.3.Требования к точности подведения поглощенной дозы………………………………………………… 518

3.4.Требования к точности распределения

поглощенной дозы………………………………… 519

3.5.Требования к геометрической точности…………. 519

3.6.Финальные требования к точности……………….. 519

4.Точность, достигнутая в настоящее время…………521

4.1.Общее рассмотрение……………………………….. 521

4.2.Оценка неопределенностей……………………….. 521

5.Ошибки и аварии……………………………………. 522

6.Общая программа ГК……………………………….. 525

6.1.Программа гарантии качества…………………….. 525

6.2.Комитет по гарантии качества……………………. 526

7.Гарантия качества оборудования, используемого

вдистанционной терапии и брахитерапии……….. 527

8.Гарантия качества при разработке и вводе в

эксплуатацию алгоритмов планирования облучения……………………………………………. 527

8.1.Разработка алгоритма расчета…………………….. 527

8.2.Разработка компьютерных программ, реализующих алгоритмы расчета…………………. 528

8.3.Определение базы радиационных данных, требуемых алгоритмом……………………………. 530

8.4.Клиническое применение…………………………. 531

9.Гарантия качества процесса планирования облучения……………………………………………. 532

9.1.Определение планирования облучения……………532

9.2.Данные пациента и их визуализация………………532

9.3.Визуализация расстановки пучков и дозовых распределений……………………………………… 534

10.Система планирования облучения и гарантия качества…………………………………………. 535

10.1.Состав TPS и функции компонентов……………. 535

10.2.Технические требования и процесс покупки…….538

10