Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планирование 2011

10.3.Приемка системы планирования облучения……. 541

10.4.Задачи коммиссионинга для систем планирования облучения………………………… 542

10.5.Геометрические аспекты коммиссионинга TPS…549

10.6.Передача данных в симулятор или машину для облучения…………………………………………. 552

10.7.Дозиметрические аспекты коммиссионинга

TPS…………………………………………………. 553

10.8.Клиническая верификация……………………….. 558

10.9.Периодический контроль TPS…………………… 559

10.10.Проверка индивидуальных планов…………….. 560

Контрольные вопросы………………………………….563 Список литературы……………………………………..564

Приложение………………………………………………. 570

Список литературы…………………………………………. 604

11

Список основных обозначений и сокращений

ЛТ – лучевая терапия ДП – дозиметрическое планирование

ЛУЭ – линейный ускоритель электронов D – поглощенная доза

SF – выжившая фракция клеток

TCP – вероятность локального контроля над опухолью NTCP – вероятность осложнения в нормальных тканях ККУ (OER) – коэффициент кислородного усиления

ОБЭ (RBE) – относительная биологическая эффективность ЛПЭ – линейная потеря энергии ВДФ – фактор время-доза-фракционирование

BED – биологически эффективная доза

α/β – отношение коэффициентов LQ-модели

EQD2 – суммарная доза стандартного режима по 2 Гр за фракцию, которая биологически эквивалентна суммарной дозе D, передаваемой в режиме с фракционной дозой, равной dref.

K – керма

X – экспозиционная доза

Ds – поглощенная доза, создаваемая рассеянным излучением

Dp – поглощенная доза, создаваемая первичным (нерассеянным) излучением

PDD или P% – глубинная процентная доза РИП (SSD) – расстояние источник поверхность ОТВ (TAR) – отношение ткань-воздух

ОРВ (SAR) – отношение рассеяние-воздух

ФОР (BSF) – фактор обратного рассеяния

ПФР (PSF) – пиковый фактор рассеяния

NPSF – нормированный пиковый фактор рассеяния Sc – фактор рассеяния в коллиматоре

Sp – фактор рассеяния в фантоме

РИО (SAD) – расстояние источник-ось вращения гантри ОТФ (TPR) – отношение ткань-фантом

ОТМ (TMR) – отношение ткань-максиум ОРМ (SMR) – отношение рассеяние-максиум ВОО (OAR) – внеосевое отношение

12

МЕ (MU) – мониторная единица FOF – выходной фактор поля

МКРЕ (ICRU) – международная комиссия по радиационным единицам

ААМФ – Американская ассоциация медицинских физиков КФ – клиновидный фильтр ИК – изодозовая кривая

GTV – определяемый объем опухоли

CTV – клинический объем опухоли

PTV – планируемый объем опухоли TV – терапевтический объем

IV – облучаемый объем

ОР (OR) – орган риска

ГДО (DVH) – гистограмма доза-объем

BEV – изображение (проекция поля), видимая из источника КТ – рентгеновская компьютерная томография

CF – поправочный фактор, учитывающий наличие негомогенности МЛК – многолепестковый коллиматор 3-МДП – трехмерное дозиметрическое планирование ДТЛ – дифференциальный тонкий луч ТЛ – тонкий луч

КТЛ – тонкий луч с конечным поперечным сечением Kдл – дозовое ядро дифференциального тонкого луча Kтл – дозовое ядро тонкого луча

KКТЛ – дозовое ядро тонкого луча с конечным поперечным сечением

T – интегральная терма

TE – дифференциальная по энергии терма S/ρ – массовая тормозная способность

L – линейная передача энергии

CET – коэффициент эквивалентной толщины ПЛТ – протонная лучевая терапия ППД – плато с повышенной дозой НТ – нейтронная терапия ФМ – фантомный материал

НЗТ – нейтронно-захватная терапия НЗТБ – нейтронно-захватная терапия, использующая реакцию

захвата на боре ТБН – терапия быстрыми нейтронами

13

Глава 8. Лучевая терапия пучками протонов и тяжелых ионов

1. Особенности протонной терапии

Протонная терапия является в настоящее время, по-видимому, наиболее мощным средством для оптимального пространственного расположения изодозовых распределений, т.е. для получения очень высокой конформности дозовых распределений. На рис. 8.1 показаны глубинные дозовые распределения для разных видов ионизирующих излучений. В отличие от других излучений глубинное дозовое распределение для моноэнергетических протонов имеет район медленного подъема с увеличением глубины, называемый «плато», за которым следует дозовый максимум, называемый «пиком Брэгга». Амплитуда этого пика в три-четыре раза превышает дозу на поверхности среды. За пиком Брэгга доза очень быстро падает практически до нуля.

Рис. 8.1. Глубинное распределение поглощенной дозы в воде для разных видов ионизирующего излучения

15

Пониженная величина дозы в области плато по сравнению с дозой в максимуме и быстрый спад дозы за пиком Брэгга создают принципиально новые возможности для формирования «идеальных» дозовых распределений. Этот вывод иллюстрируется графически на рис. 8.2, где сравниваются качественно значения дозы в областях перед и за мишенью при одной и той же дозе в мишени для фотонных и протонных пучков.

Рис. 8.2. Качественное сравнение доз, создаваемых в разных областях пучками фотонов и протонов

Такая особенность протонной лучевой терапии (ПЛТ) позволяет значительно уменьшить дозовую нагрузку на нормальные ткани, окружающие объем мишени, по сравнению с традиционными методами лучевой терапии пучками фотонов и электронов. В результате создаются условия для безопасного повышения дозы в объеме мишени (без превышения толерантных доз для нормальных тканей), даже если мишень близко примыкает к критическим структурам организма. Более высокая доза приводит, соответственно, к повышению вероятности гибели раковых клеток.

Протоны движутся через среду по относительно прямому пути, постепенно замедляясь в результате кулоновского взаимодействия и передачи своей энергии электронам. Тормозная способность протонов обратно пропорциональна квадрату их скорости. Некоторая часть протонов испытывает ядерные взаимодействия, в результате которых они отклоняются от направления своего первона-

16

чального движения и выходят из пучка. Доля энергии пучка, передаваемая при ядерных взаимодействиях, относительно невелика (в пределах нескольких процентов), однако при этом образуются тяжелые ионы с высоким ЛПЭ и, соответственно, с более высоким ОБЭ, чем у электронной компоненты взаимодействия (ОБЭ = 1). Рекомендуемое в настоящее время значение ОБЭ для протонов равняется 1,1. Оно получено в результате клинических исследований для фракционного облучения. Вместе с тем в литературе приводятся обширные таблицы [1] c результатами радиобиологических исследований ОБЭ для протонов, в которых ОБЭ изменяется от 0,6 до 1,4. Так как принятая величина ОБЭ для протонов близка к ОБЭ для фотонов, то весь клинический опыт, полученный в рамках фотонной лучевой терапии, может быть использован в ПЛТ.

2. История развития протонной лучевой терапии

Использование пучков протонов для лечения болезней человека впервые было предложено Р. Вильсоном в 1946 г. [2]. К тому времени началось проектирование и строительство ускорителей. Вильсон указал, что если создать ускорители, способные генерировать пучки протонов достаточно высокой энергии, чтобы обеспечить пробег протонов в ткани сравнимый с поперечными размерами человека, то такие пучки можно использовать для целей терапии.

К 1954 г. К.А. Тобиас с помощниками завершили изучение влияния облучения протонами на животных и стали проводить облучение гипофиза пациентов небольшими полями пучка 340 МэВ протонов [3]. Вскоре после этого (в 1957 г.) применение протонов для лечения онкологических больных началось в Швеции (Упсала). Россия вслед за США и Швецией стала третьей страной, где с 1967 г. (Дубна и Москва) началось облучение злокачественных новообразований протонами. Несмотря на заметное опоздание, высокий темп исследований в России позволил полностью наверстать упущенное. К 1988 г. Россия по накопленному клиническому опыту вышла на второе место после США. В мире с 1954 по 1988 г. работало девять центров ПЛТ, в которых прошли лечение 6825 больных [4]. В трех работающих в России центрах ПЛТ (ОИЯИ Дубна,

17

ИТЭФ Москва, ЛИЯФ Гатчина) к 1988 г. было облучено протонами 1896 пациентов (28 % мирового опыта) [4]. Однако в годы перестройки страна в большой мере утратила свои позиции [4].

В конце прошлого века в передовых странах мира приступили к строительству клинических центров ПЛТ с ускорителями, специализированными для медицинского применения. Эти центры входят непосредственно в состав онкологических клиник. В результате началось быстрое нарастание числа пациентов, прошедших через ПЛТ. Например, облучив первого пациента в 1990 г., первый в мире клинический центр ПЛТ в г. Лома Линда (США) на сегодняшний день достиг производительности тысячи пациентов в год [4]. Рост за последние годы числа центров ПЛТ и больных, облучаемых ежегодно протонами, приводится в табл. 8.1и на рис. 8.3.

Таблица 8.1

Рост числа экспериментальных и клинических центров ПЛТ по годам [4]

Рис. 8.3. Количество больных, облучаемых пучками протонов ежегодно в разных странах [4]

18

Следует отметить, что во всем мире действующие экспериментальные центры ПЛТ, несмотря на создание мощных клинических центров ПЛТ, бережно сохраняются как базы для разработки физи- ко-технических средств и новых методик ПЛТ. В то же время число их не увеличивается. Исключением является Россия, где вводятся в строй еще два экспериментальных центра ПЛТ [4]. Cоздание современного клинического центра ПЛТ планируется в Москве.

3.Краткая характеристика взаимодействия протонов

свеществом

Для более глубокого понимания способов формирования клинических пучков протонов и методов расчета доз, применяемых в ПЛТ, рассмотрим основные особенности взаимодействия протонов с веществом в терапевтическом интервале энергий. Особую актуальность этот материал приобретает при описании механизма расчета характеристик пучков и дозовых распределений, создаваемых протонами, с помощью метода Монте-Карло. Это направление является весьма популярным в настоящее время. Поэтому рассмотрение в данном разделе некоторых вопросов взаимодействия протонов с веществом проводится с ориентацией на метод Монте-

Карло. При изложении взаимодействия протонов в основу были взяты материалы работ [5,6].

3.1. Кинематика протонов

Энергия протонов, используемых для лучевой терапии, доходит до 300 МэВ, в то время как энергия массы покоя протонов равняется mpc2 = 938,27 МэВ. Откуда следует, что протоны, применяемые для терапии, относятся в значительной степени к релятивистским частицам. Полная энергия E таких протонов равняется сумме кинетической энергии T и энергии массы покоя:

(8.1)

Степень релятивизма определяется близостью к единице величины β = v/c, где v и с – скорость протона и света соответственно. Значение β можно определить также из формулы:

где p – момент протона.

19