Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планирование 2011

6. Радиобиология брахитерапии

6.1. Введение

Радиобиологический фундамент брахитерапии является таким же, как и в дистанционной ЛТ. Учитывая, что радиобиологические основы ЛТ были даны в главе 1, здесь мы рассмотрим некоторые проблемы, специфичные для LDR и HDR брахитерапии, ориенти-

руясь, главным образом, на материалы, представленные в обзорных работах [26,27].

Важнейшая особенность брахитерапии, а именно доминирование закона обратных квадратов, приводит к сложной взаимосвязи между физическими и радиобиологическими аспектами. Эта взаимосвязь влияет на принципы и результаты оценки планов облучения в брахитерапии как в абсолютном, так и в относительном выражении. Справедливо утверждение, что при планировании любой процедуры в брахитерапии внимание к физическим аспектам должно превалировать над вниманием к радиобиологии. Оно является следствием того, что неточное знание геометрии и расположения источников, имеющее место в брахитерапии, оказывают обычно существенно большее влияние на результаты облучения, чем радиобиологическое рассмотрение. В этом разделе анализируются некоторые вопросы такого физико-радиобиологического взаимодействия.

Так как линейно-квадратичная модель для оценки процесса до- за-эффект продолжает остаться стандартным подходом, то рассмотрение радиобиологических вопросов ведется на ее основе. При этом из-за отсутствия ясности в понимании части факторов радиобиологии и количественных радиобиологических оценок тем не менее используемых в настоящее время, необходимо проявлять некоторую осторожность при их использовании.

6.2. Терапевтическое отношение

Терапевтическое отношение является очень важной характеристикой при планировании облучения, цель которого заключается в вылечивании болезни при отсутствии осложнений. Его можно определить как отношение повреждения клеток опухоли к повреждению нормальных клеток для данной дозы. Однако так как имеются

321

трудности в ранжировании повреждений, и повреждение клеток нелинейно зависит от дозы, более подходящим эквивалентным определением для терапевтического отношения (ТО) служит отношение доз, приводящих к одинаковому конечному биологическому результату (например, уменьшение выживаемости клеток на пять порядков) для клеток опухоли и нормальных клеток. Соответствующее выражение имеет вид:

На рис. 11.24 показаны типичные зависимости относительной выживаемости клеток от дозы излучения. В общем случае, как указывалось в главе 1 (формула (1.7)), соотношение между выжившей фракцией SF и дозой D можно моделировать следующим уравне-

Рис. 11.24. Зависимости выживаемости клеток от дозы при однократном облучении для следующих значений радиобиологичеких параметров: α = 0,25 Гр-1,

βопухоль=0,025 Гр-2, βнормальные ткани=0,083 Гр-2, μрепарация=1,5 час-1. Пролиферация кле-

ток не учитывается [30]

Уравнение (11.38) является только математической моделью и не должно восприниматься как истинное описание физических и биологических процессов. На рис. 11.24 кривые для клеток опухо-

322

ли и нормальных тканей маркированы надписями «Однократное» и «Пролонгированное», что означает однократное облучение (в течение относительно короткого времени) и типовое облучение при низкой мощности дозы 0,5 Гр/ч. Для всех значений дозы злокачественные клетки обладают более высокой выживаемостью, чем нормальные клетки, что, конечно, не желательно для ЛТ. Пролонгирование облучения увеличивает выживаемость обоих видов клеток вследствие эффекта репарации сублетальных повреждений в процессе облучения. Однако разность между кривыми в этом случае уменьшается по сравнению с однократным облучением. Данный факт свидетельствует о том, что различие в выживаемости клеток для HDR брахитерапии ухудшается по сравнению с LDR брахитерапией с точки зрения главной цели ЛТ.

На рис. 11.25 иллюстрируется значительная потеря в ТО, наблюдаемая с увеличением мощности дозы. Другая интересная особенность состоит в медленном изменении ТО на интервале 0,25 – 0,8 Гр/ч. Этот интервал обычно и используется в LDR брахитерапии. При высокой мощности дозы (выше 10 Гр/час) ТО снова изменяется очень медленно. Большинство HDR аппаратов создают на расстоянии 1 см мощность дозы от 100 до 500 Гр/ч, но так как часть времени облучения имплантант находится на более далеких расстояниях, средняя мощность дозы оказывается ниже. Для точек, где ТО в процессе облучения существенно изменяется в процессе облучения, расчет эффекта облучения становится затруднительным. При практическом применении HDR брахитерапии мощность дозы в объеме мишени необходимо выбирать в пологой области кривой, что позволяет иметь эффективность терапии приблизительно пропорциональной физической дозе.

Совершенно другая картина наблюдается в средней части кривых на рис. 1.25. Здесь биологическая эффективность облучения очень сильно варьируется в зависимости от мощности дозы. Как следствие, биологическая эффективность одной и той же дозы будет связана с местоположением области интереса в облучаемом

объеме. Нередко при использовании номинально LDR дистанционных afterloading облучателей реальное подведение дозы осуществ-

ляется в середине шкалы мощности дозы. В этом случае от этих устройств требуется высокая точность, чтобы избежать превышение толерантных доз для нормальных тканей.

323

от 1 до 2 ч для обоих видов клеток. Соответствующий коэффициент репарации обозначается μ и равен μ = 0,693/T1/2.

Так как репарация разрыва требует определенного времени, то вероятность разрыва второй нити ДНК в том же месте зависит от плотности ионизации в данный момент времени. Когда все излучение проходит через клетку в течение короткого отрезка времени, то вероятность появления второго разрыва до того, как репарировался первый, возрастает по сравнению с длительным периодом подведения дозы. В этом контексте «короткий» интервал временной интервал связывается с временем полувосстановления T1/2. Отсюда понятие облучения с высокой мощностью дозы (HDR) относится к такому режиму облучения, при котором все разрывы образуются до того, как произойдет существенная репарация. Таким образом, облучение при HDR брахитерапии завершается в течение получаса.

6.3. Фракционирование

Одним из способов повышения ТО, наряду с уменьшением мощности дозы, является фракционирование облучения. На рис. 11.26 показаны кривые выживаемости для тех же значений параметров, что и на рис. 11.27, но при фракционировании облучения по 2 Гр. Из приводимых данных видно, что фракционирование уменьшает эффективность облучения, но оно также уменьшает разность между ответными реакциями опухоли и нормальных тканей.

HDR брахитерапия, как правило, выполняется в режиме фракционирования, чтобы смягчить потерю в ТО при увеличении мощности дозы. На рис. 11.25 показывается улучшение в ТО при использовании режима фракционирования. Отметим, что каждая новая фракция улучшает ТО, добавок при этом меньше, чем у предыдущей фракции. В дистанционной ЛТ, которая выполняется всегда при высокой мощности дозы, число фракций около 35, и уменьшение числа фракций на одну или две не сильно уменьшает ТО. Брахихитерапия является сильной нагрузкой как на пациента, так и на персонал, поэтому брахитерапия проводится при меньшем числе фракций, чем дистанционная ЛТ. Число фракций здесь выбирается в зависимости от объема работы, связанной с процедурой, и от дискомфорта, который испытывает пациент при каждой фракции. Обычно число фракций брахитерапии не превышает 10 – 12.

325

6.4. Предписываемая доза

Вследствие изменения биологического эффекта при переходе от режима облучения LDR к фракционному облучению в режиме HDR величина предписываемой дозы для получения такого же конечного биологического эффекта должна быть также скорректирована. Из уравнения (11.38) видно, что зависимость доли выживших клеток от дозы носит экспоненциальный характер, поэтому доза является не лучшей переменной для предсказания конечного биологического эффекта. Более удобной оказывается величина ln(SF), деленная на (-α), которая получила название биологической эквивалентной дозы и обозначается BED. Из уравнения (11.37) следует, что

Иногда в литературе эту величину называют "радиобиологический дозовый эквивалент" и обозначают RDE. Уравнение (11.39) относится к однократному облучению. При многократной HDR экспозиции из n фракций по d Гр за фракцию величина BED равняется:

где T – суммарная продолжительность n фракций; Tpot – время по-

тенциального удвоения числа клеток за счет их деления. Уравнение (11.40) выполняется, когда каждая фракция короче,

чем время полувосстановления сублетальных повреждений клеток, а промежуток между фракциями длиннее, чем время полувосстановления. В количественном выражении продолжительность облучения в течение одной фракции должна быть меньше получаса, межфракционный интервал приближенно должен составлять 6 часов. Последний член в (11.40) учитывает влияние на BED эффекта пролиферации клеток. Так как значение Tpot плохо известно, то этот эффект нередко игнорируется. При внутритканевой брахитерапии суммарное время терапии часто остается одинаковым, независимо от того применятся ли режим LDR или HDR.

327

Пролонгированная LDR брахитерапия, имеющая определенную степень репарации сублетальных повреждений во время облучения, следует уравнению:

где D – мощность дозы.

Считая, что известно значение дозы для режима LDR, получим уравнение для HDR режима, приводящего к такому же конечному биологическому эффекту. Первый шаг заключается в установлении числа фракций. На следующем шаге приравниваем значения BED для разных режимов:

или

(11.43)

Если суммарное время режимов одинаковое, то последний член в левой и правой части уравнения (11.43) сокращается. Если время разное, то так как величина Tpot известна плохо, то эти члены игнорируются. В результате получаем:

Решая (11.43) относительно d, получаем;

(11.45)

BED зависит от радиобиологических параметров ткани, поэтому эквивалентность между LDR и HDR брахитерапией можно определить только отдельно для опухоли и нормальных тканей, но не одновременно для обеих. Если выбор сделать трудно, то следует искать компромиссное решение. Обычно выбирается эквивалентный режим для опухоли.

328

Контрольные вопросы к главе 11

1.Назовите преимущества и недостатки брахитерапии по сравнению с дистанционной фотонной терапией.

2.Опишите классификацию брахитерапии.

3.Какие источники применяются в брахитерапии?

4.Какие требования предъявляются к источникам в брахитера-

пии?

5.Опишите спецификацию источников в брахитерапии.

6.Что такое принцип суперпозиции при расчете доз в брахитерапии?

7.Опишите формализм TG-43 для расчета доз от точечных источников.

8.Опишите формализм TG-43 для расчета доз от цилиндрически симметричных источников.

9.Опишите традиционные методы расчета доз от точечных источников.

10.Опишите традиционные методы расчета доз от линейных источников.

11.Как производится расчет суммарной дозы за время облуче-

ния?

12.Что такое дозиметрические системы в брахитерапии?

13.Охарактеризуйте основные дозиметрические системы в брахитерапии.

14.В чем состоят рекомендации МКРЕ, сформулированные в Публикации 58?

15.Какие особенности имеет постоянная имплантация источников в брахитерапии?

Список литературы

1.Suntharalingam N., Podgorsak E.B., Tolli H. Brachytherapy: physical and clinical aspects // In: Review of radiation oncology physics: a hand book for teachers and students / Ed. E.D. Podgorsak. IAEA. P. 225, Vienna, Austria. 2003.,

2.Brenner D.J., Hall E.J., Randers-Pehrson G. Quantitative comparisons of continuous and pulsed low doseregimens in a model late-effect system // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1997. V. 39. P. 809 – 815.

329

3.Pulsed brachy-therapy as a substitute for continuous low dose rate: an in vitro study with human carcinoma cells / C.Z. Chen, Y. Huang, E.J Hall, D.J Brenner // Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. 1997. V. 37. P. 137 – 143.

4.Update of AAPM task group no. 43 report: a revised AAMP protocol for brachytherapy dose calculations / M.J. Rivard, B.M. Coursey, L.A. DeWerd et al // Med. Phys. 2004. V. 31. P. 633 – 674.

5.Ytterbium-169: calculated physical properties of a new radiation source for brachytherapy / D.L. Mason, J.J. Battista, R.B. Barnet, A.T. Porter // Med. Phys. 1992. V. 19. P. 695 – 703.

6.Контактная лучевая терапия/ Перевод Лютова Ю.Г. части 15

из книги [17]// М.: 2002.

7.IAEA TECDOC-1274.

8.ICRU. Dose and volume specification for reporting intracavitary therapy in gynecology // Report 38. 1985.

9.AAPM. Specification of brachytherapy source strength // Report 21, New York: American Institute of Physics. 1987.

10.AAPM. Dosimetry of brachytherapy sources / AAPM Task group 43 Report // Med. Phys. 1995. V. 22. P. 209 – 239.

11.Meigooni A.S., Meli J.A., Nath R. Interseed effects on dose for 125I brachytherapy implants // Med. Phys. 1992. V. 19. P. 385 – 390.

12.Dose verify-cation with Monte Carlo technique for prostate brachytherapy implants / H. Zhang, C. Baker, McKinsey, A.S. Meigoonei // Med. Dosim. 2005. V. 30. P. 85 – 89.

13.Patel N. S. et al. High betta and electron dose from 192I: implications for gamma intravascular brachytherapy // Int. J. Radiat. Biol. Phys. 2002. V. 54. P. 972 – 980.

14.Li Z. Physics and clinical aspects of brachytherapy // In: Technical basis of radiation therapy / Eds. S.H. Levit et al.. Springer, 2006.

15.Meisberger L.L., Keller R., Shalek R.J. The effective attenuation in water of the gamma rays of gold-198, iridium-192, cesium-137, ra- dium-226 and cobalt-60 // Radiology. 1968. V, 90. P. 953 – 957.

16. Krishnaswamy V. Dose distribution around an 125I seed in tissue // Radiology. 1976. V. 126. P. 489.

17. Khan F.M. The physics of radiation therapy. Second edition // Maryland 21202. Baltimore. USA: Williams & Wilkins, 1994.

330