1. Лучевая терапия

2. Лучевая терапия, радиотерапия (от латинского radius — луч и греческого therapeia — лечение), использование в лечебных целях разнообразных видов ионизирующих излучений различных энергий. Сразу же после открытия в 1896 радиоактивности А. Беккерелем и изучения этого явления П. Кюри (отсюда старое название — кюритерапия) было обнаружено её биологическое действие на организм (смотри Радиобиология). В 1897 французские врачи Э. Бенье и А. Данло впервые применили излучение радия с лечебной целью. Дальнейшими исследованиями была выявлена наибольшая чувствительность к излучению радия молодых, быстрорастущих и размножающихся клеток, что дало основание использовать радиоактивное излучение для разрушения состоящих именно из таких клеток злокачественных опухолей.

В медицине - метод радиоизотопной диагностики с применением сканеров, или подвижных детекторов излучения, дающих изображение (в виде "штрихов") распределенных в организме радиоактивных изотопов посредством "построчного" обследования всего тела или его части.

44. Дозиметрией называют раздел ядерной физики и измери­тельной техники, в котором изучают величины, характери­зующие действие ионизирующею излучения на вещества, а также методы и приборы для их измерения. Первоначально развитие дозиметрии было обусловлено необходимостью учета действия рентгеновскою излучения на человека.

Ионизирующее излучение только тогда оказы­вает действие на вещество, когда оно взаимодействует с частицами, входящими в состав этого вещества.

Независимо от природы ионизирующего излучения его взаимо­действие количественно может быть оценено отношением энергии, переданной элементу облученного вещества, к массе этого элемента. Эту характеристику называют дозой излучения (поглощенной дозой излучения) D.

Различные эффекты ионизирующего излучения прежде всего определяются поглощенной дозой. Она сложным образом зависит от вида ионизирующего излучения, энергии его частиц, состава облучаемого вещества и пропорциональна времени облучения. Дозу отнесенную ко времени, называют мощностью дозы.

Единицей поглощенной дозы излучения является грей (Гр), который соответствует дозе излучения, при которой облученному веществу массой 1 кг передается энергия ионизирующего излуче­ния 1 Дж; мощность дозы излучения выражается в греях в секунду (Гр/с).

Вполне конкретное и ясное понятие <дозы излучения> оказывается малопригодным в экспе­рименте, т.к. тело неоднородно, энергия рассеивается телом по всевозможным направлениям. В связи с этим вводят еще одно понятие дозы для рентгеновско­го и γ-излучения — экспозиционную дозу излучения X, которая является мерой ионизации воздуха рентгеновскими и γ-лучами. За единицу экспозиционной дозы принят Кл/кг. На практике используют единицу, называемую рентгеном (Р), — экспозиционная доза рентгеновского или гамма-излучения, при которой в результате полной ионизации в 1 см³ сухого воздуха (при 0°С и 760 мм рт. ст.) образуются ионы, несущие заряд, рав­ный 1 ед. СГС_Q каждого знака. Единицей мощности экспозиционной дозы является 1 А/кг, а внесистемной единицей — 1 Р/с.

f — некоторый переходный коэффициент, зависящий от ряда причин, и прежде всего от облучаемого вещества и энергии фотонов.

Из источника И γ-фотоны вылетают по всем направлениям. Число этих фотонов, пронизывающих 1 м² поверхности некоторой сферы в 1 с, пропорционально активности А и обратно пропорци­онально площади поверхности сферы (4πr²). Мощность экспозици­онной дозы (X/t) в объеме V зависит от этого числа фотонов, так как именно они и вызывают ионизацию. Получаем где k — гамма-постоянная, которая характерна для данного ра­дионуклида.

43. Ускорителем называют устройство, в котором под действием элек­трических и магнитных полей формируется пучок заряженных частиц высокой энергии. Различают линейные и циклические ускорители. В линейных ускорителях частицы движутся по прямолинейной траектории, в циклических — по окружности или спирали.

Наиболее известным циклическим ускорителем является цик­лотрон. Циклотрон способен ускорять протоны до 20—25 МэВ. Ограничение энергии ускоряемых частиц обусловлено релятивистской зависимостью массы от скорости. Так как масса увеличивается с возрастанием скорости, то период вращения частицы будет также возрастать В результате этого нарушится синхрон­ность между движением частицы и изменением электрического поля. Электрическое поле будет не ускорять, а замедлять частицы. В связи с этим в циклотроне нельзя ускорять электроны, так как они быстро достигают релятивистских скоростей.

Из этого затруднения можно найти выход, изменяя частоту электрического поля в соответствии с изменением периода враще­ния заряженной Частицы. Такой ускоритель называют фазотроном (синхроциклотроном), он способен ускорять протоны до энергии 730 МэВ. Можно предположить и другое решение вопроса: по мере воз­растания массы увеличивать индукцию магнитного поля, в этом случае можно сохранить период враще­ния частицы неизменным. Ускоритель такого типа называют синх­ротроном.

Для ускорения тяжелых частиц до энергий порядка гига-электрон-вольт и выше используют синхрофазотрон, в котором изменяют и магнитное поле, и частоту электрического поля. Довольно распространенным ускорителем электронов невысоких энергий является бетатрон. В отличие от других циклических ускорителей в нем электрическое поле не подается от внешних ис­точников, а создается при измене­нии магнитного поля. Бетатроны способны ускорять электроны до десятков мегаэлектрон-вольт. В настоящее время бетатроны используют главным образом в прикладных целях, в том числе и медицинских. Медицинские приложения ускорителей. Ускорители заряженных частиц применяют как средства луче­вой терапии в двух основных направлениях.

1)используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов, ускоренных бетатроном. Фотон энергии тормозного излучения порядка нескольких десятков мегаэлектрон-вольт, что оказывается более эффективным, чем гам­ма-терапия.

2)используют прямое действие ускоренных частиц: электронов, протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а протон­ный пучок получают от других ускорителей. Заряженные частицы, в том числе и протоны, наибольшую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попадании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздей­ствие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухолевые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой терапии глу­бинных опухолей. Поверхностные слои в этом случае повреждаются минимально.

Наряду с лечебным применением ускорителей в последние годы открылись возможности использования их в диагностике: 1)ионная медицинская радиография. Пробег тяжелых заряженных частиц (α-частицы, протоны) зависит от плотности вещества. Поэтому если регистри­ровать поток частиц до и после прохождения объекта, то можно получить сведения о средней плотности вещества. Преимущест­во у этого метода перед рентгенографией — более низкая контрас­тность, что позволяет лучше различать структуру мягких тканей.2)Синхротронным излучением называют интенсивное ультрафи­олетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близ­кими к скорости света. Синхротронное излучение в целях диагностики применяют анало­гично обычному рентгеновскому излучению. Одно из преимуществ синхротронного излучения перед рентгеновским заключается в возможности поглощения этого излучения преимущественно неко­торыми элементами, например иодом, который может иметь повы­шенную концентрацию в тканях. Отсюда возникают условия для ранней диагностики злокачественных опухолей.

45. § 33.2. КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА БИОЛОГИЧЕСКОГО ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ. ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДОЗА

Для данного вида излучения биологическое действие обычно тем больше, чем больше доза излучения. Однако различные излучения даже при одной и той же поглощенной дозе оказывают разные воздействия.

В дозиметрии принято сравнивать биологические эффекты различных излучений с соответствующими эффектами, вызванными рентгеновским и 7~излучениями.

Коэффициент К, показывающий, во сколько раз эффективность биологического действия данного вида излучения больше, чем рентгеновского или 7-излучения, при одинаковой дозе излучения в тканях, является коэффициентом качества. В радиобиологии его называют также относительной биологической эффективностью

(ОБЭ).

Коэффициент качества устанавливают на основе опытных дан­ных. Он зависит не только от вида частицы^ но и от ее энергии. Приведем приближенные значения К (табл. 31) для некоторых излучений (в скобках указана энергия частиц).

Поглощенная доза совместно с коэффициентом качества дает пред­ставление о биологическом действии ионизирующего излучения, поэтому произведение DK используют как единую меру этого действия и называют эквивалентной дозой излучения И:

• Е = DK. (33.3)

Так как К — безразмерный коэффициент, то эквивалентная доза излучения имеет ту же размерность, что и поглощенная доза излу­чения, но называется зивертом (Зв). Внесистемная единица экви­валентной дозы — бэр²; I бэр = 10"² Зв.

Эквивалентная доза в бэрах равна дозе излучения в радах, умно­женной на коэффициент качества.

Естественные радиоактивные источники (космические лучи, радиоактивность недр, воды, радиоактивность ядер, входящих в состав человеческого тела, и др.) создают фон, соответствующий приблизительно эквивалентной дозе 125 мбэр. Предельно допусти­мой эквивалентной дозой при Профессиональном облучении счита-

ется 5 бэр в течение года. Минимальная летальная доза от 7~излу-чения около 600 бэр. Эти данные соответствуют облучению всего организма. § 33.3. ДОЗИМЕТРИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ Дозиметрическими приборами, или дозиметрами, называют устрой­ства для измерения доз ионизирующих излучений или величин, связанных с дозами.

Конструктивно дозиметры состоят из детектора ядерных излуче­ний и измерительного устройства. Обычно они проградуированы в единицах дозы или мощности дозы. В некоторых случаях предус­мотрена сигнализация о превышении заданного значения мощности дозы.

В зависимости от используемого детектора различают дозимет­ры ионизационные, люминесцентные, полупроводниковые, фотодо­зиметры и др.

Дозиметры могут быть рассчитаны на измерение доз какого-либо определенного вида излучения или регистрацию смешанного излучения.

Дозиметры для измерения экспозиционной дозы рентгеновского и 7-излучения или ее мощности называют ремтгемометрами.

В качестве детектора у них обычно применяется ионизационная камера. Заряд, протекающий в цепи камеры, пропорционален эк­спозиционной дозе, а сила тока — ее мощности. На рис. 33.2 пока­зан микрорентгенометр МРМ-2 со сферической ионизационной камерой, вынесенной отдельно от прибора.

Состав газа в ионизационных камерах, а также вещество стенок, из которых они состоят, подбирают такими, чтобы осуществлялись тождественные условия с поглощением энергии в биологических тканях.

На рис. 33.3 показан комплект индивидуальных дозиметров ДК-

0,2 с общим измерительном устройством. Каждый индивидуальный дозиметр представляет собой миниатюрную цилиндрическую ио­низационную камеру, которая предварительно заряжается В ре­зультате ионизации происходит разрядка камеры, что фиксируется вмонтированным в нее электрометром. Показания его зависят от экспозиционной дозы ионизирующего излучения.

Существуют дозиметры, детекторами которых являются газо­разрядные счетчики.

Для измерения активности или концентрации радиоактивных изотопов применяют приборы, называемые радиометрами. Прин­цип их работы в основном изложен в § 32.5.

В заключение заметим, что общая схема всех дозиметров ана­логична той, которая изображена на рис. 21.1. Роль датчика (изме­рительного преобразователя) выполняет детектор ядерных излуче­ний. В качестве выходных устройств могут использоваться стрелоч­ные приборы, самописцы, электромеханические счетчики, звуковые и световые сигнализаторы и т.п.§ 33.4. ЗАЩИТА ОТ ИОНИЗИРУЮЩЕГО ИЗЛУЧЕНИЯ Работа с любыми источниками ионизирующих излучений требует защиты персонала от их вредного действия. Это большая и специ­альная проблема, в значительной степени выходящая за пределы чисто физических вопросов Кратко рассмотрим ее.

Различают три вида защиты: защита временем, расстоянием и материалом.

Проиллюстрируем первые два вида защиты на модели точечного источника 7-излучения. Преобразуем формулу (33.2):

• (33.4)

Отсюда видно, что чем больше время и чем меньше расстояние, тем больше экспозиционная доза. Следовательно, необходимо мини­мальное время находиться под воздействием ионизирующего излу­чения и на максимально возможном расстоянии от источника этого излучения.

Защита материалом основывается на различной способности веществ поглощать разные виды ионизирующего излучения.

Защита от о-излучения проста: достаточно листа бумаги или

слоя воздуха толщиной в несколько сантиметров, чтобы полностью поглотить о-частицы. Однако, работая с радиоактивными источни­ками, следует остерегаться попадания о^частиц внутрь организма при дыхании или приеме пищи.

Для защиты от /^-излучения достаточно пластин из алюминия, плексигласа или стекла толщиной в несколько сантиметров. При взаимодействии ^-частиц с веществом может появиться тормозное рентгеновское излучение, а от Д*-частиц — 7~^излУ^чение1 возника­ющее при аннигиляции этих частиц с электронами. Наиболее слож­на защита от <нейтрального> излучения: рентгеновское и 7~излуче-ния, нейтроны. Эти излучения с меньшей вероятностью взаимодей­ствуют с частицами вещества и поэтому глубже проникают в ве­щество. Ослабление пучка рентгеновского и 7~^излУ^чений прибли­женно соответствует закону (31.8). Коэффициент ослабления зави­сит от порядкового номера элемента вещества поглотителя [см. (31.12)] и от длины волны, что для 7~Ф°^ТОНОВ изображено на рис. 32.5. При расчете защиты учитывают эти зависимости, рассеяние фотонов, а также вторичные процессы. Некоторые из них для рен­тгеновского излучения показаны на рис. 31.10. Защита от нейт­ронов наиболее сложна. Быстрые нейтроны сначала замедляют, уменьшая их скорость в водородсодержащих веществах. Затем другими веществами, например кадмием, поглощают медленные нейтроны.

46. БИОФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ДЕЙСТВИЯ ИОНИЗИРУЮЩИХ ИЗЛУЧЕНИЙ НА ОРГАНИЗМ

Первичные физико-химические процессы в организме при действии ионизирующих излучений учитывают две принципиально разные возможности взаимодействия: с молекулами воды и с молекулами органических соединений. Под действием ионизирующих излучений происходят химичес­кие превращения в-ва, получившие название радиолиза. Ука­жем возможные механизмы радиолиза воды:

Реакция с кислородом может привести к образованию гидропереки­си и перекиси водорода:

Взаимодействие молекул органических соединений с ионизиру­ющими излучениями может образовать возбужденные молекулы, ионы, радикалы и перекиси:

Из приведенных реакций ясно, что эти высокоактивные в химичес­ком отношении соединения будут взаимодействовать с остальными молекулами биологической системы, что приведет к нарушению мембран, клеток и функций всего организма. Значительные биологические нарушения вызываются ничтожно малыми количествами поглощаемой энергии излучения. Ионизирующее излучение действует не только на биологический объект, подвергнутый облучению, но и на последующие поколения через наследственный аппарат клеток. Это обстоятельство, а также его условное прогнозирование особо остро ставят вопрос о защите организмов от излучения. Для биологического действия ионизирующего излучения спе­цифичен скрытый (латентный) период. Разные части клеток по-разному чувствительны к одной и той же дозе (см. гл. 33) ионизи­рующего излучения. Наиболее чувствительным к действию излуче­ния является ядро клетки.

Способность к делению — наиболее уязвимая функция клетки, поэтому при облучении прежде всего поражаются растущие ткани. Это делает ионизирующее излучение особенно опасным для детско­го организма, включая период, когда он находится в утробе мате­ри. Губительно действует излучение и на ткани взрослого организ­ма, в которых происходит постоянное или периодическое деление клеток: слизистую оболочку желудка и кишечника, кроветворную ткань, половые клетки и т.д. Действия ионизирующего излучения на быстрорастущие ткани используют также при терапевтическом воздействии на ткани опухоли.

При больших дозах может наступить Ссмерть под лучом>, при меньших — возникают различные заболевания (лучевая болезнь и ДР-)-

48.

Атом и молекула могут находиться в стационарных энергетических состояниях. В этих состояниях они не излучают и не поглощают энергии. Энергетические состояния схематически изображают в виде уровней (см., например, рис. 28.13). Самый нижний уровень энергии — основной — соответствует основному состоянию.

При квантовых переходах атомы и молекулы скачкообразно переходят из одного стационарного состояния в другое, с одного энергетического уровня на другой.

Изменение состояния атомов связано с энергетическими перехо­дами электронов. В молекулах энергия может изменяться не только в результате электронных переходов, но и вследствие изменения колебания атомов и переходов между вращательными уровнями.

При переходе с более высоких энергетических уровней на ниж-

ние атом или молекула отдает энергию, при обратных переходах — поглощает. Атом в основном состоянии способен толь­ко поглощать энергию.

Различают два типа квантовых перехо­дов:

1) без излучения или поглощения элек­тромагнитной энергии атомом или молеку­лой. Такой безызлучателышй переход происходит при взаимодействии атома или молекулы с другими частицами, например в процессе столкновения. Различают неупругое столкновение, при котором изменяется внутреннее состояние атома и осуществляется безызлучательный переход, и упругое — с изменением кинетической энергии атома или молекулы, но с сохранением внутреннего состоя­ния;

2) с излучением или поглощением фотона. Энергия фотона равна разности энергий начального и конечного стационарных состояний атома или молекулы:

• (29.1)

Формула (29.1) выражает зеком сохранения энергии.

В зависимости от причины, вызывающей квантовый переход с испусканием фотона, различают два вида излучения. Если эта причина внутренняя и возбужденная частица самопроизвольно переходит на нижний энергетический уровень, то такое излучение называют спонтанным (рис. 29.1, а). Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными подуров­нями), по направлению распространения и поляризации. Обычные источники света испускают в основном спонтанное излучение. Дру­гое излучение вынужденное, или индуцированное (рис. 29.1, б). Оно возникает при взаимодействии фотона с возбужденной частицей, если энергия фотона равна разности уровней энергий. В результате вынужденного квантового перехода от частицы будут распростра­няться в одном направлении два одинаковых фотона: один — пер­вичный, вынуждающий, а другой — вторичный, испущенный.

Излучаемая атомами или молекулами энергия формирует спектр испускания, а поглощаемая — спектр поглощения.

Интенсивность спектральных линий определяется числом одина­ковых переходов, происходящих в секунду, и поэтому зависит от количества излучающих (поглощающих) атомов и вероятности соответствующего перехода.

Квантовые переходы осуществляются не между любыми энерге­тическими уровнями. Установлены правила отбора, или запрета, формулирующие условия, при которых переходы возможны и не­возможны или маловероятны.

Энергетические уровни большинства атомов и молекул достаточ­но сложны. Структура уровней и, следовательно, спектров зависит не только от строения одиночного атома или молекулы, но и от внешних причин.

Электромагнитное взаимодействие электронов приводит к тонко­му расщеплению¹ энергетических уровней (тонкая структура). Вли­яние магнитных моментов ядер вызывает сверхтонкое расщепление (сверхтонкая структура). Внешние по отношению к атому или моле­куле электрические и магнитные поля также вызывают расщепле­ние энергетических уровней (явления Штарка и Зеемана; см. § 30.2).

Спектры являются источником различной информации.

Прежде всего по виду спектра можно идентифицировать атомы и молекулы, что входит в задачи качественного спектрального анали­за. По интенсивности спектральных линий определяют количество излучающих (поглощающих) атомов — количественный спектраль­ный анализ. При этом сравнительно легко находят примеси в кон­центрациях 10~⁵—10~^б% и устанавливают состав образцов очень малой массы — до нескольких десятков микрограммов.

По спектрам можно судить о строении атома или молекулы, структуре их энергетических уровней, подвижности отдельных частей больших молекул и т.п. Зная зависимость спектров от по­лей, воздействующих на атом или молекулу, получают информацию о взаимном расположении частиц, ибо воздействие соседних атомов (молекул) осуществляется посредством электромагнитного поля.

Изучение спектров движущихся тел позволяет на основании оптического эффекта Доплера определить относительные скорости излучателя и приемника излучения.

Бели учесть, что по спектру вещества удается сделать выводы о его состоянии, температуре, давлении и т.п., то можно высоко оце­нить использование излучения и поглощения энергии атомами и молекулами как исследовательский метод.

В зависимости от энергии (частоты) фотона, испускаемого или поглощаемого атомом (или молекулой), классифицируют следу­ющие виды спектроскопии: радио-, инфракрасная, видимого излуче­ния, ультрафиолетовая и рентгеновская¹,

По типу вещества (источника спектра) различают атомные, молекулярные спектры и спектры кристаллов.