Отечественные рутениевые терапевтические источники бета-излучения_Тимофеев_Л.В

Сигнальный экземпляр

Рис.3.1.3. Характер ослабления дозы бета-излучения «толстого» источника по глубине поглотителя из различных материалов

Рис. 3.1.4. Характер ослабления дозы бета-излучения «толстого» источника по глубине поглотителя из различных материалов

41

Во многих случаях удобно характеризовать ослабление бета-излучения последовательными значениями толщин фильтров dn, для которых МПД уменьшается в 2П раз (п=1,2,3...). Таким образом образуется семейство эмпирических кривых вида dn=fz(Eгp), связывающих значение dn и Егр для каждого Z. Естественно, форма кривых в определенной степени зависит от условий эксперимента.

Кроме того, кривые типа dn=/z(Eгp) могут быть рекомендованы в ряде прак-

тических случаев и для идентификации того или иного радионуклида в ЗТРИИ. Пример использования полученных данных: в качестве конструкционного материала для ОА с 106Ru+106Rh может быть рекомендовано серебро, близкий по Z элемент к кадмию. Если допустить, что МПД с тыльной стороны источника не должна превышать (1-2)% от ее значения на рабочей поверхности, то толщина основания активной матрицы должна быть не меньше d6=мм

с учетом поправок на геометрию источника.

При необходимости экспериментальные результаты позволяют проследить связь между Егр и Z практически для любых значений n.

Примеры практического использования представленного графического ме-

42

Сигнальный экземпляр

тода оценки степени ослабления бета-излучения по МПД: офтальмоаппликатор с радионуклидом таллий-204 предполагалось изготовлять с активной матрицей из сплава таллия со свинцом, герметизированной в корпусах из титана или нержавеющей стали. Толщина основания корпуса 0,65 мм, выходного окна — (0,05...0,10)мм. (...). Основа из титана и железа поглощает бета-излучение полностью, а окна ослабляют в 3 и 8 раз соответственно, что и было учтено при выборе материала и оценке требуемой активности радионуклида для обеспечения нужной МПД.

Если же использовать туже подложку (0,65мм Fe) для рутенеевых аппликаторов, то К=10. Тогда при дозе, например, 200 Гр на опухоль, здоровые ткани получат 20Гр - и это уже вопрос к радиобиологам и медикам.

Герметизирующая крышка стронциевого аппликатора выбрана равной 0,15 мм Fe и следовательно К=2 и т.д.

3.2. Радиационно-физические параметры закрытых терапевтических источников бета-излучения

На протяжении нескольких десятилетий практическая медицина апробировала многие терапевтические методики с использованием дискретных закрытых источников с различными радионуклидами. В закрытом терапевтическом радионуклидом источнике ионизирующего излучения активная матрица обычно заключена в оболочку, выполненную либо в виде защитного покрытия, либо в виде ампулы, предотвращающей контакт пациента и персонала непосредственно с радиоактивным материалом радионуклидное загрязнение окружающей среды выше допустимого уровня, предусмотренных для данных условий использования источника.

Из общего класса закрытых источников целесообразно выделить медицинские, а затем терапевтические радионуклидные источники излучении или согласно аббревиатуре – ЗТРИИ. Такое разделение источников по назначению эффективно при классификации, исследовании, аттестации и применении.

Анатомия органов тканей человека, форма, размеры и месторасположения опухолей или других очагов поражения определяют антропометрические требования к конструкциям источников. ЗТРИИ могут быть в виде игл, стрежней, пластин, шариков, спиралей, проволоки. Конструкционно они выполняются в виде «жестких изделий», не изменяющих форму в процессе эксплуатации, и в виде составных, «полужестких». Имеются и гибкие источники, которые могут принимать различную форму в процессе эксплуатации.

Анализнаучныхпубликаций,каталоговфирмипредприятий-производителей ЗТИБИ различных стран на свою продукцию показывает, что в настоящее время мировая номенклатура выпускаемых ЗТРИИ включает дискретные источники с 14 радионуклидами. Десять радионуклидов применяются как источники бета-излучения, шесть – в качестве источников гамма-излучения и один – ней-

43

тронного. Таким образом, применяемые для ЗТРИИ радиоактивные элементы составляют 13% от общего числа их в таблице Менделеева, и значительно меньше – 1%, от числа радиоактивных изотопов всех элементов.

Что касается энергетических характеристик излучений, то, например, диапазон энергий бета-излучения промышленных источников равен (200 кэВ…3,5 МэВ); для гамма-излучения (0,4÷1,3)МэВ.

Активность радионуклидов в источника в зависимости от его типа и значения составляет (40÷4000) Мбк ( 1÷100мКи). По величине создаваемой мощности дозы терапевтические источники различаются почти на три порядка ( …30Гр/мин).

Значения доз на курс лечения могут также отличаться на три порядка, например, при терапии злокачественных новообразований заднего отдела глаза 200 Гр за 6 суток и 20 Гр при некоторых неопухолевых заболеваниях переднего отдела.

Кроме того, известно использование в эксперименте по лучевой терапии источников с такими радионуклидами, как марганец-54, жлезо-55, криптон-85, палладий-103, йод-125, цезий-131, тулий-170, а также некоторых других радионуклидов, в том числе и трансурановых элементов. Среди этих радиоизотопов есть излучатели фотонного характеристического излучения малой энергии (железо, палладий, йод).

Для лечения кожных и глазных заболеваний в течение многих лет использовались аппликаторы с Ra226. Однако конструкция этих источников оказалась непрочной, кроме того, гамма-излучение увеличивало опасность обращения с ними. Впоследствии появлись источники с такими бета-излучающими изотопами, как 90Sr+90Y, 106Ru+106Rh. Хотя в настоящее время известно несколько сотен бета-активных изотопов, количество же радионуклидов, физические свойства которых пригодны для использования в медицине, не так уж велико. Свойства шести наиболее перспективных из них приведены в таблице.

В настоящее время в медицине для контактной лучевой терапии с учетом наших разработок применяются свыше 20 различных типов источников. Источники одного типа могут быть одинаковыми по форме, но разными по размерам. Таких разновидностей – 70. Одинаковые по геометрии источники могут отличаться по величине активности содержащегося в них радионуклида. С учетом этого, число разновидностей ЗТРИИ достигает 170. Например, специализированная фирма Венгрии предлагает клиникам 11 различных типов гинекологических источников с кобольтом-60 и другие типы изделий. В Германии производятся, например, источники в виде стержней с радионуклидами иттрий-90 и золото-198, а также офтальмоаппликаторы с различными радионуклидами. Фирмы Великобритании изготавливают около 80 терапевтических источников различных типоразмеров.

Так как при выборе метода аттестации ЗТРИИ по дозиметрическим параметрам приходится учитывать и свойства конструкционных материалов этих и источников, то следует обратить внимание и на большое разнообразие материалов, из которых изготавливают радиоактивные матрицы источников, за-

44

Сигнальный экземпляр

щитные капсулы и пакеты. Среди них и специальным образом обработанный полиэтилен, ионообменные смолы, модифицированные хлопчатобумажные ткани, стеклоткани, керамика, эмали, глазури, целиоты, стекла, а также металлы: алюминий, сталь, титан, золото, платина, иридий, родий.

Таким образом, только такие параметры, как Z и ρ изменяются в пределах (∆Z=3…79) и (∆ρ=1…20)г/см3. И источники в сочетании, например, с мягкой биологической тканью уже нельзя во многих случаях рассматривать как однородную среду.

В СССР серийный выпуск радиотерапевтических источников начался в конце 40-х годов. В 1946 году под руководством академика И.В. Курчатова был пущен первый советский ядерный реактор, с 1948 – налажен регулярный выпуск радиоактивных изотопов. Эта работа была начата Препарационной лабораторией Института биофизики Минздрава СССР в тесном сотрудничестве с научными и промышенными организациями Госкомитета по использованию атомной энергии

СССР и Академии наук СССР. В дальнешем к разработке методов получения и выпуску радинуклидных препаратов были подключены другие научные учреждения.

С 1949 г. в массовом масштабе регулярно выпускаются кобальтовые иглы и аппликаторы по пяти типоразмеров каждые.

Роль контактной лучевой терапии и ее эффективности возрастает, чему способствует расширение номенклатуры ЗТРИИ (радионуклиды, параметры излучения, формы-размер, конструкции источников). В настоящее время в нашей стране применяются около 50 разновидностей ЗТРИИ с 8 радионуклидами. Проводятся работы по созданию новых отечественных источников.

Количественная оценка возможных диапазонов значений радиационно

– физических параметров ЗТИБИ на основе сложенного анализа результатов их экспериментальных медицинских испытаний

Одним из актуальных и неотложных вопросов лучевой терапии является определение величины общей и разовой дозы, достаточных для необходимого воздействия на опухоль (очаг поражения) и толерантных для нормальных тканей.

Проф. А.В. Козлова

Необходимо отметить, что установление конкретных физико-технических условий облучения крайне необходимо не только для решения собственных задач лучевой терапии, но так же и при решении технических задач, таких как разработка специализированной измерительной аппаратуры и методик её применения, создание современных новых типов ЗТИБИ с заданными свойствами и ряда других важных задач.

Критический анализ научной литературы позволили констатировать, что в настоящее время крайне необходимо обобщение данных, касающихся, в част-

45

ности. Рекомендаций конкретных определённых значений основных радиационно – физических параметров ЗТИБИ, используемых в самых различных областях медицины: офтальмология, оториноларингология, дерматология ,гинекологии, урологии и др.

Количественно оценить радиационно-физические параметры можно, в принципе, провести различными способами. Но, можно отметить, что априори не может быть полностью использован ,например, опыт многих зарубежных клиницистов. Например, во многих случаях отечественные офтальмологи и отоларингологи показали возможность эффективного использования методик облучения при существенно меньших значениях разовых доз и суммарных доз. Кроме того уместно отметить, что проводимые в нашей стране работы по созданию ЗТИБИ во многом являлись пионерскими и ,соответственно, должны были в основном ориентированы на собственные экспериментальные медицинские и клинические исследования.

Определённые ориентиры при разработке методик облучения с использованием ЗТИБИ вырисовывается при использовании опыта гамма-лучевой терапии, рентгенотерапии опухолевых и неупохолевых заболеваний. Однако при этом ещё раз обращает на себя специфика использования ЗТИБИ: большой энергетический диапазон излучения, многообразие геометрий источников и неравномерный характер облучения, по глубине очага поражения. Рассмотрим некоторые параметры методик облучения, поля и самих источников.

Внекоторых случаях, например, верхний предел значений доз, используемых лучевыми терапевтами, на практике определяется толерантностью нормальных тканей, окружающий очаг поражения, которая может быть такой же , а чаще более низкой, нежели у большинства злокачественных опухолей. Однако неизвестно, что толерантные значения доз для одних и тех же нормальных тканей могут существенно отличаться в зависимости от качества используемого излучения, характера распределения дозы по облучаемой ткани, величины поля, объёма облучаемой ткани, от используемых ритмов облучения и т.д. Таким образом, естественно, возникают определённые трудности при экстраполяции на нужные ситуации данных, получаемых при иных условиях.

Всё это говорит о необходимости в одних случаях определения заново, а в других – уточнения значений толерантных доз в адекватных условиях.

Если верхняя граница доз ещё связана с определённым радиобиологическим эффектом, то нижние пределы значений радиационно-физических параметров требуют экспериментального определения.

К моменту начала наших работ было крайне недостаточно рекомендаций по значениям До,Др.До,Д, ритмам облучения, а это в свою очередь обстоятельства затрудняют, как уже мы отмечали в разработках требований к создаваемой измерительной аппаратуре, новым средствам облучения и т.д.

Вэтих условиях возникает несколько задач, от решения которых зависит целенаправленное создание новых типов закрытых терапевтических радионуклидных источников с задачами радиационно-физическими параметрами; обо-

46

Сигнальный экземпляр

снованному выбору методов экспериментальной оцкнки этих характеристик; разработке специализированной аппаратуры для нужд лучевой терапии. Кроме этого результаты этих исследований в определённой мере могут служить физической основой разработки рациональных методик бета-терапии опухолевых и неопухолевых заболеваний, в том числе могут оказать помощь в выборе наиболее щадящего способа облучения.

Задача 1.Систематизировать диапазоны значений мощностей поглощённых доз бета-излучения на рабочих поверхностях терапевтических источников бета-излучения. До,р при контактном облучении для различных дисциплин; оториноларингология, офтальмология, дерматология; для поверхностных заболеваний хирургического профиля; в интервале граничных энергий бетаизлучения ~=200-3000 кэВ.

Задача 2. Разработать медико-технические требования на создания средств для лучевой бета-терапии в офтальмологии, оториноларингологии, дерматологии и др.

Каким образом можно решить эти задачи? Пути решения задач:

В принципе возможно использование обширных экспериментальных данных общей радиологии и их экстраполяцию на клиническую практику. Однако, по мнению специалистов, это оказывается крайне затруднительно, а в некоторых случаях просто невозможно.

Использование опыта общей онкологии, рентгенотерапии, бета-терапии отечественных и зарубежных специалистов.

Однако в большинстве случаев требуется проведение экспериментального излучения на животных , с последующим клиническим исследованием с целью изучения реакций тканей на облучение конкретными средствами и в определённых условиях, а так же с целью выработки рациональной методики облучения. Такие исследования ЗТИБИ, организованные фармакологическим комитетом МЗ СССР, Управлением по внедрению новой техники и лекарственных препаратов того же министерства с участием ИБФ МЗ СССР были проведены в следующих организациях страны: Московский НИИ глазных болезней им Гольмгольца МЗ СССР, Московская клиническая офтальмологическая больница, НИИ микрохирургии глаза МЗ РСФСР, Московский НИИ рентгенорадиологический институт, Одесский НИИ глазных болезней им.Филатова, Одесская областная клиническая больница, Воронежский Государственный медицинский институт, Воронежская областная клиническая больница, Киевский НИИ ларингологии им. Коломийченко МЗ УССР, Московский кожновенерологический диспансер, ГНЦ институт биофизики.

Каковы отличительные черты этого многолетнего обширного эксперимента? Во-первых, все без исключения ЗТИБИ были аттестованы по одной, разработанной в ИБФ методике, далее, велико разнообразие радионуклидов-14; более 100 геометрий источников; широкий диапазон энергий – до 3,5 МэВ; различные дисциплины медицины: оториноларингология, офтальмология, дерматология и др.

47

На основе системного анализа радиобиологических экспериментов на животных и последующих клинических исследованиях новых типов ЗТИБИ

– ЗТРИИ удалось качественно установить диапазоны значений радиационнофизических параметров, требуемых при создании ЗТИБИ.

Совместно с клиницистами установлены номинальные и оптимальные значения основных радиационных параметров этих источников. Полученные данные использованы, в частности, в соответствующих НТ документах, методических рекомендациях, при организации производственного процесса выпуска источников.

Установлены номинальные значения МПД для разрабатываемых впервые образцовых дозиметрических источников бетаизлучения типа ОДИБИ. Оказалось, что для первого поколения этих источников можно ограничиться всего двумя значениями МПД, а именно – 20 сГр/ мин (неопухолевые заболевания) и 200 сГр/ мин (злокачественные новообразования).

Эти и другие результаты анализа позволяют целенаправленно конструировать рабочие средства измерений дозиметрических параметров ЗТИБИ.

Они могут быть полезны при решении собственных задач в лучевой терапии. Так, основываясь на дозиметрических исследованиях новых отечественных ОА, клиницисты НИИ глазных болезней им. Гельмгольца предложили и отработали рациональные методики облучения злокачественных и доброкачественных опухолей.

Бета-терапия является типичным примером неравномерного облучения. Анализ позволяет установить в ряде случаев значения коэффициентов, характеризующих эту степень неравномерности. Так в случае с ОА 90 Sr+ 90 у значение К = 5 и т.д.

Здесь К есть отношение мощностей …..на передней и задней поверхности опухоли.

3.3. Техника измерения некоторых радиационных характеристик медицинских бета-источников

В медицине для контактной лучевой терапии разработано более 20 различных типов закрытых терапевтических радионуклидных источников излучения — ЗТРИИ — различных геометрических размеров и форм в виде стержней, пластин, гранул и изделий сложной формы, с 14 радионуклидами, испускающими разные виды излучения. Десять из них применяются как бета-излучаюшие источники с радионуклидами: 52P, 90Sr + 90Y, 103Ru+105Rh, 147Рm, 204Тl, 53Kr, 144Ce+114Pr. Граничные энергии бета-излучения этих источников находятся в пределах от 200 кэВ до 3.5 МэВ. По мощности дозы, создаваемой в биологической ткани, терапевтические источники для контактной лучевой терапии различаются на три порядка (~30 мГр/ мин—30 Гр/мин). Значения отпускаемых доз за курс лечения также различаются на несколько порядков. Активность радионуклида в источнике в зависимости от его типа и назначения может составлять 40—4000 МБк.

48

Сигнальный экземпляр

Для изготовления бета-источников применяются разнообразные материалы: металлы (алюминии, сталь, сплавы серебра и.др.), полиэтилен, стеклоткань и т. д.

Несмотря на широкое применение бета-источников в медицинской практике и возрастающие перспективы расширения работ в этой области, до настоящего времени нет общепринятой точки зрения относительно радиационно-физических параметров, подлежащих определению и аттестации при выпуске таких источников. В литературе также нет четких рекомендаций по аттестации источников, особенно сложной формы, использованию тех или иных дозиметрических методов. Отсутствует серийная аппаратура для измерений дозных полей, создаваемых источниками бетаизлучения.

В связи с ростом номенклатуры источников и подготовкой к их производственному выпуску, возникает необходимость в расширении и углублении исследований и разработке рекомендаций по дозиметрической аттестации радиотерапевтических источников бета-излучения. Эти источники в основном должны доставляться в медицинские учреждения централизованно. Условия производства требуют постоянного и надежного контроля за качеством продукции, а следовательно, использования относительно простых, надежных методов измерения, поддающихся автоматизации. В лабораторных условиях должны выполняться прецизионные измерения. Аттестацию ЗТРИИ следует проводить в рамках соответствующих поверочных схем измерений тех или иных радиационных параметров, определяемых назначением и устройством конкретных источников. Так, в случае технологического применения источника излучения степень его воздействия на тот или иной объект в основном зависит от создаваемой источником поглощенной дозы, а в случае терапевтического применения, особенно источника бета-излучения, требуется более полная его дозиметрическая характеристика.

Применительно к бета-источникам для контактной лучевой терапии для их характеристики можно использовать свыше 30 различных радиационнофизических параметров. Учитывая специфику таких источников, мы применяли в качестве основных при их аттестации следующие характеристики и параметры: значение мощности поглощенной дозы — МПД — у поверхности источника, находящегося в контакте с тканеэквивалентным веществом; степень ее неравномерности распределения по рабочей поверхности источника (в частности отношение максимального значения мощности дозы на поверхности источника к минимальному и к среднему значением МПД на той же поверхности); распределение поглощенной дозы (ПД) и МПД в тканеэквивалентной среде; действующий энергетический спектр бета-частиц; активность радионуклида в источнике. Кроме того, при аттестации применительно к конкретным типам источников имеют значение некоторые дополни-тельные характеристики; параметры внешнего бетаизлучения источника, МПД фотонного излучения и др.

49

С нашей точки зрения, в условиях производства следует контролировать перечисленные выше основные характеристики, кроме распределения МПД и энергетического спектра. Эти два параметра определяют в лабораторных условиях на прототипах реальных источников с использованием тканеэквивалентных материалов в качестве поглотителей, а также гетерогенных конфигурационных фантомов отдельных частей (органов) человека.

При определении основных характеристик 3ТРИИ необходимо стремиться к наиболее высокой точности измерений. Это объясняется, в частности, тем, что облучению ткани человека предшествует серия технических процедур, при которых погрешности в отпускаемой дозе накапливаются. Суммарная погрешность определения значений ПД и МПД с помощью государственного эталона ГЭТ—9—82 (ВНИИМ им.Д. И. Менделеева) в настоящее время составляет около 5 % при доверительной вероятности 0,95. Такая точность достигается применением ионизационной воздушной экстраполяционной тканеэквивалентной камеры. Ионизационная экстраполяционная камера, сконструированная нами применительно к терапевтическим источникам, обеспечивает абсолютные измерения МПД бета-излучения, как показали и сличения с государственным эталоном, с погрешностью 5—7 % при той же доверительной вероятности.

Для исследования и аттестации источников используют и другие методы дозиметрии — сцинтилляционный, термолюминесцентный, химический и пр., которые позволяют проводить относительные измерения разнообразных типов источников с погрешностями 5—15 %. Дозные поля изучают на конфигурационных гетерогенных фантомах отдельных частей (органов) человека.

Для калибровки источников по МПД относительным методом и определения некоторых других характеристик источники, например, степени неравно-мерности распределения МПД по рабочей поверхности источников, применяется специальная установка с сцинтилляционными качающимися детекторами — СКД. Это же устройство служит компаратором при передаче единиц МПД от образцовых мер к аттестуемым источникам. При этом погрешность определения МПД при аттестации источников составляет 7—12 %. В качестве образцовых мер используются плоские источники бета-излучения, изготовленные по той же техно-логии, что и поверяемые. В настоящее время для этой цели создается специальный набор образцовых дозиметрических источников бета-излучения (ОДИБИ) с разными радионуклидами.

Основным радиационным параметром ОДИБИ является МПД бетаизлучения на поверхности источника, находящегося в контакте с тканеэквивалентным веществом. Одновременно ОДИБИ характеризуются определенным для конкретного бета-спектра слоем половинного ослабления МД в тканеэквивалентном материале.

50