8.2 Распределение дозы при воздействии излучений высокой энергии

Особенности действия излучений высокой энергии в тканях определяются специфическим распределением по глубине тела поглощенной дозы от конкретного вида излучений. За исключением нейтронов, все другие виды корпускулярных излучений, (протоны, дейтроны и др.), имеют следующие особенности распределения дозы: относительная доза увеличивается с глубинной; ростом энергии излучения поверхностная доз уменьшается, а объемная доза увеличивается.

Для лучевой терапии имеет большое значение факт роста дозы по мере погружения вглубь тела. Дело в том, что в этом случае патологический очаг, находящийся на большой глубине, может получить большую дозу излучений без одновременного увеличения поверхностной дозы. В то время при воздействии рентгеновых лучей максимум дозы лежит близко к поверхности тела и резко падает, в подлежащих тканях при применении излучении высокой энергии максимум дозы передвигается в глубину тканей; при этом отмечается значительно меньшая потеря величины дозы с глубиной.

Например, в случае воздействия излучений высокой энергии и быстрых электронов (по сравнению с воздействием равных доз обычных рентгеновых лучей 200 кв.) в ткани на глубине 8 см отмечается чрезвычайно выгодное для лучевой терапии распределение доз. В частности, при использовании современных установок для телегамматерапии достигается значительное увеличение глубинных доз и уменьшение неблагоприятного действия излучений на кожу. Применение излучений высокой энергии по сравнению с телегамматерапией дает еще более выгодное распределение глубинных доз. Корпускулярные излучения высокой энергии особенно пригодны для лечения глубоко расположенных опухолей, так как в глубоких слоях тканей при воздействии этого вида излучений создается чрезвычайно высокая относительная глубинная доза. В противоположность этому быстрые электроны с энергией от 10 до 20 Мэв в связи с особенностями распределения дозы применяются для лучевой терапии при поверхностной локализации опухолей. Быстрое падение дозы в глубине тела, которое наблюдается при воздействии электронов, положительно сказывается на относительной пространственной дозе в очаге и приводит лишь к очень незначительному облучению подлежащих здоровых тканей.

При воздействии излучений высокой энергии вследствие незначительной эффективной поверхностной дозы на входном поле нет необходимости ограничивать облучения, чтобы щадить кожу, как это приходится делать в случае применения обычных рентгеновых лучей: при воздействии излучений очень высокой энергии кожа на входном поле не подвергается переоблучению. Это же явление при облучении электронами наблюдается при диапазоне энергий от 3 до 20 Мэв. Причиной щажения кожи на входном поле является увеличение длины пробега ионизирующих частиц при возрастании их энергии. Например, если вторичные электроны с относительно малой энергией в 200 кэв вследствие своего небольшого пробега оказывают воздействие практически в тех участках, где происходит первичное поглощение квантов, то вторичные электроны высокой энергии имеют большую длину пробега. Такие вторичные электроны высокой энергии вызывают ионизацию не на месте первичного поглощения излучений, а вдоль всей траектории, причем плотность ионизации особенно велика в конце траектории. В связи с тем, что электроны движутся главным образом прямолинейно вдоль пучка излучений, место воздействия излучений перемещается в более глубокие слои тканей, соответственно длине пробега, определяемой величиной энергии электронов.

Такая особенность действия излучения высокой энергии, называемая эффектом лавины или переходным эффектом, приводит к перемещению максимума дозы в глубь тканей и поэтому величина дозы от поверхности в глубь ткани не падает, а повышается. Так, например, максимум дозы у излучений от радиоактивного кобальта в тканях, эквивалентных по плотности воде, находится примерно на глубине 3 - 5 мм, а для излучений и электронов с энергией 15 Мэв - на глубине около 30 мм. Величина и характер возрастания дозы при этом зависят от природы излучений, размера поля и расстояния источник - кожа.

Наряду с значением величины очаговой, глубинной и поверхностной доз, определяющими облучение кожи, при проведении лучевой терапии особый интерес представляет доза излучения, поглощенного всем телом, т. е. объемная или интегральная доза, и сопоставление ее с величиной очаговой дозы. Значения интегральных доз для отдельных видов излучений и пространственное распределение глубинных доз можно оценить при учете распределения интенсивности излучений по изодозам. При сопоставлении значений интегральных доз разных видов излучений оказывается, что обычная рентгенотерапия непригодна для лечения глубоко расположенных опухолей, так как при увеличении глубины расположения опухоли интегральная доза резко возрастает и, следовательно, здоровые ткани при этом подвергаются интенсивному облучению. Для лечения опухолей, расположенных как поверхностно, так и на большой глубине, учитывая небольшие интегральные дозы, с успехом можно применять дистанционную гамматерапию. В противоположность этому рентгеновские излучения высоких энергий особенно пригодны для лечения глубоко расположенных опухолей, так как при таком лечении интегральная доза относительно низкая, поверхностная доза на входном поле очень мала, сохраняется узкий рабочий пучок излучения и не наблюдается существенного рассеяния излучений. В костной ткани при определенных уровнях энергий не происходит повышенного поглощения излучении.

Совершенно иная картина наблюдается при воздействии электронов. При проведении глубокой лучевой терапии при помощи электронов интегральная доза очень быстро возрастает, что особенно заметно при сопоставлении с воздействием тормозного излучения такой же энергии. Это возрастание интегральной дозы связано с тем, что при применении электронов с энергией до 30 Мэв, необходимых для осуществления глубокой лучевой терапии, доза позади очага снижается недостаточно круто. К тому же в результате рассеяния излучений происходит «паразитическое» облучение здоровых тканей, расположенных вокруг поля облучения. Оно относительно больше при использовании малых полей.

С точки зрения величины интегральной дозы лучевая терапия быстрыми электронами целесообразна при поверхностно расположенных опухолях. По минимальным значениям интегральных доз электронное излучение имеет преимущества по сравнению с рентгеновыми лучами при расположении опухоли на глубине не более 6 см под поверхностью кожи, а оптимальная энергия электронов составляет не более 20 Мэв. Чрезвычайно низкая интегральная доза при облучении электронами небольшой энергии поверхностно расположенных опухолей обусловлена резко ограниченной глубиной проникновения электронов с такой энергией. Поэтому паразитического облучения здоровых тканей, расположенных за очагом, практически не наблюдается.

9. Примеры

9.1 Рак предстательной железы

Рак предстательной железы, поражающий, как правило, мужчин старше 50 лет, - одно из самых распространенных онкологических заболеваний, а по темпам прироста оно опережает все другие локализации.

В современной медицине при лечении локализованного рака простаты (1-я и 2-я стадии) стандартом считается радикальная простатэктомия, с которой сравниваются все остальные методы. Но это сложная хирургическая операция с неопределенным исходом, сопровождающаяся большой кровопотерей и требующая высокой квалификации хирурга, длительного наркоза, больших сроков госпитализации. Пациенты, перенесшие простатэктомию, в 40% случаев страдают впоследствии от недержания мочи и практически всегда - от импотенции. Все эти факторы сдерживают распространение хирургического лечения рака простаты.

Другой метод, применяемый для лечения этого онкологического заболевания, - дистанционная лучевая терапия. К ее преимуществам можно отнести лучшую, чем при простатэктомии, переносимость; меньший риск развития импотенции и недержания мочи; возможность амбулаторного лечения. Но в то же время при лучевой терапии поражаются окружающие органы и ткани, прежде всего мочевой пузырь и прямая кишка, развиваются такие неприятные осложнения, как лучевой цистит и проктит, лучевые язвы. Дистанционную лучевую терапию приходится проводить в течение 7-8 недель, чтобы уменьшить повреждения здоровых тканей.

Многолетней мечтой онкологов и урологов было создание малоинвазивного и в то же время эффективного метода лечения рака простаты, который бы прицельно поражал только затронутые опухолью ткани. Еще в начале уходящего века были проведены первые эксперименты по брахитерапии. Брахитерапия (БТ) - внутритканевая лучевая терапия предстательной железы путем имплантации закрытого источника гамма-излучения (например, 125I) непосредственно в пораженную опухолью предстательную железу. Имплантация источника проводится в опухоли, обладающие низкой или средней радиочувствительностью.

Метод может использоваться для лечения как основного заболевания (например, рака простаты), так и для лечения остаточных явлений после иссечения первичной опухоли. Брахитерапия может быть проведена пациентам, которым не показано радикальное хирургическое лечение, а также дистанционная лучевая терапия из-за патологических процессов в кишечнике.

Подобно многим недавно появившимся технологиям, брахитерапия впервые была представлена много лет назад: вначале 1910 ее проводили с использованием радиевых иголок и начиная с 1930 - с радиоактивным золотом. Возрождение БТ простаты началось в 1970 с развитием технологии открытой имплантации зерен 125I. Технология появилась как альтернатива радикальной простатэктомии, но затем была забыта до конца 1980 х годов. Причиной неудач явилось то, что зерна йода располагались мануально при открытой технологии, в результате чего не достигалось оптимального распределения дозы в предстательной железе, и наряду с зонами с чрезмерной активности, оставались и холодные очаги. Тогда не было возможности контролировать распределение дозы радиоактивного излучения в предстательной железе, да и риск для медицинского персонала при работе с открытыми источниками радиации был слишком высок. Наблюдение за пациентами после ретропубикальной технологии имплантации показывает болезненность и травматичность в результате наличия очагов повышенной активности. Техника открытого хирургического вмешательства также значительно повышает травматичность процедуры имплантации зерен. Поэтому этот метод был на некоторое время забыт.

Перелом произошел в начале 80-х годов, когда была предложена технология трансректального доступа под контролем ультразвука с использованием специального шаблона, который позволяет точно доставлять радиоактивные зерна с помощью игл в нужное место предстательной железы.

Рис.2. Положение источников излучения при терапии рака простаты.

Подобная техника применяется для визуализации точного положения радиоактивных источников в простате, ее можно осуществить подкожно под ультразвуковым контролем. Процедура включает две стадии. Первая - использование ультразвука для определения объема простаты и получения информации с координат шаблона для расчета количества и положения радиоактивных источников, необходимого для достижения равномерной дозы радиации в предстательной железе. На второй стадии источники излучения вводятся в простату и использованием шаблонной сетки. Иглы вводятся через кожу промежности закрытым способом. Планирование возможно на основании данных компьютерной томографии. Общая доза радиации в простате и ее распределение рассчитываются компьютерной программой.

Лечение методом брахитерапии включает две стадии. Сначала с помощью трансректального ультразвукового исследования определяют объем простаты и получают информацию с координат шаблона для расчета количества, активности и расположения радиоактивных источников, необходимых для создания равномерной дозы в предстательной железе. Затем, с помощью шаблонной сетки, иглы с размещенными в них источниками вводят в простату закрытым способом. Доза облучения простаты и ее распределение в тканях рассчитывается с помощью компьютерной программы.

Наибольшее распространение для брахитерапии нашел радионуклид йода, 125I. 125I распадается путем электронного захвата с испусканием характеристического излучения с энергиями: 27,2 кэВ (39,8%); 31,0 кэВ (14%); 27,47 кэВ (74,1%); 31,71кэВ (4,30%); 30,94 кэВ (7,20%) и гамма-излучения с энергией 35,94 кэВ (6,67%). Период полураспада 125I составляет 60,1 суток. Источник на основе йода-125 представляет собой или иглы или гибкие нити, рассасывающиеся в организме. Наиболее известен закрытый источник «I-125 Rapid Strand» представляет собой капсулы с титановой оболочкой, фиксированные на рассасывающейся нити, содержащие 125I, осажденный на серебряном стержне. Поглощенная мощность дозы в воздухе на расстоянии 1 м от одного источника активностью 1 МБк равна 0,035 мкГр/ч. Активность, содержащаяся в одной капсуле размером 0,8 х 4,5 мм, лежит в диапазоне от 0,7·107 до 3·107 Бк (от 0,2 до 0,8 мКи); мощность поглощенной дозы в воздухе на расстоянии 1 м от одного источника составляет от 0,1 до 8 мкГр/ч. Слой половинного ослабления излучения равен 0,025 мм свинца, а мягких тканей организма - 2 см. Излучение от источника, введенного в предстательную железу, ослабляется примерно в 6-8 раз. «I-125 Rapid Strand» поставляется стерильным в защитном пенале из нержавеющей стали, который обеспечивает практически полное (>99,9%) поглощение низкоэнергетического характеристического и гамма-излучения. Материал нити (викрил) после имплантации рассасывается в тканях, капсулы остаются в месте имплантации.

Радионуклид палладия получают на установке для радиохимического выделения 103Pd из мишеней металлического серебра, облученных на ускорителе (Более подробно вопросы производства радионуклидов рассмотрены в Курсе«Ядерная индустрия».

Процедура брахитерапии является одноразовой и проводится в два этапа. На первом этапе происходят определение объема простаты и получение информации для расчета количества и положения радиоактивных зерен. При этом используется ультразвуковой аппарат с трансректальным датчиком. Главная цель - достижение равномерной дозы радиации в предстательной железе. На втором этапе источники радиоактивного излучения в виде зерен, содержащих йод-125 и фиксированных на нити, вводятся закрытым способом в простату с помощью специальных игл. Обычно их бывает 60-90 в зависимости от объема предстательной железы. Уролог заранее определяет этот объем и размер опухоли. Исходя из его расчетов медицинский физик устанавливает, сколько необходимо микроисточников и где их лучше расположить в пораженном органе, чтобы добиться его равномерного облучения.

Процедура имплантации проводится в операционной под общим наркозом и длится чуть более часа. Она хорошо переносится даже пожилыми людьми с тяжелыми сопутствующими заболеваниями, проходит практически без осложнений и дает высокий процент выздоровлений и в случаях, когда процесс уже сильно распространен. Это особенно важно при рецидивном раке предстательной железы. После удаления игл зерна остаются в простате и обеспечивают нужный уровень радиоактивного излучения в течение нескольких недель и месяцев. 125I имеет период полураспада 60 дней, обычно рекомендованная минимальная периферическая доза составляет 140-160 Гр. Поскольку зерна доставляются непосредственно в простату, концентрация излучения внутри опухоли в 2-3 раза выше, чем при дистанционной лучевой терапии, где используются более низкие дозы из-за опасения повредить здоровые ткани. Источник герметичен, поэтому облучения медицинского персонала практически не происходит, и нет необходимости в специальном обустройстве палат, канализации и других повышенных мерах радиационной безопасности. Пациент может выписаться из клиники на следующий день после имплантации и вскоре приступить к своей привычной деятельности. Брахитерапия пользуется успехом благодаря высокому проценту выздоровления. По данным, поступающим из американских клиник, 10-летняя выживаемость пациентов после брахитерапии составляет 79% - практически столько же, сколько и у здоровых пациентов данного возраста. Если по эффективности брахитерапия сравнима с радикальной простатэктомией, то по количеству осложнений имеет неоспоримые преимущества (недержание мочи развивается не более чем в 4% случаев, а импотенция - не более чем в 15%). Кроме того, пациент после брахитерапии выписывается из клиники в тот же или на следующий день и возвращается к нормальной жизнедеятельности в течение нескольких дней.

Немаловажна и экономическая сторона. Брахитерапия обходится примерно вдвое дешевле радикальной простатэктомии. А если принять во внимание то, что первая дает значительно меньшее число осложнений, которые тоже надо лечить, то разница в стоимости становится еще более ощутимой.

Для пациентов пределы доз облучения не устанавливаются, но используется принцип оптимизации, основанный на получении необходимого терапевтического эффекта при минимально возможных уровнях облучения в процессе планирования и проведения радиационного вмешательства. В целях обеспечения безопасности других лиц на протяжении периода нахождения в стационаре пациенту не рекомендуется покидать пределы палаты. Безопасность других лиц, которые могут находиться вблизи пациента с имплантированным источником ионизирующего излучения (другие пациенты, персонал нерадиологических отделений, родственники и др.), регламентируется в соответствии с НРБ-99 установлением мощности дозы на расстоянии 1 м от пациента, которому с терапевтической целью введены радиофармацевтические препараты. Мощность дозы на расстоянии 1 м не должна превышать при выписке пациента из радиологического отделения 3 мкЗв/ч. Указанная мощность дозы гарантирует с большим запасом непревышение дозы в 1 мЗв, которую могут получить родственники или другие лица за полный распад нуклида в теле пациента. После выписки из стационара пациенту рекомендуется пользоваться отдельной постелью, а также ограничить близкое общение с детьми (держать на коленях) и беременными женщинами в течение полугода с момента имплантации источника. При сохранении половой функции после выписки из стационара первые шесть месяцев необходимо использовать презервативы. Для проведения индивидуального дозиметрического контроля рекомендуются термолюминесцентные дозиметры с детектором из LiF.

Существует два вида брахитерапии.

Постоянные имплантанты.

Этот вид является самой распространенной формой БТ. При постоянной имплантации источники остаются в простате и обеспечивают радиацию в течение нескольких недель или месяцев. Йод 125I имеет период полураспада 60 дней и обычно рекомендованная минимальная периферическая доза составляет 160 Гр на объем, который включает капсулу простаты плюс 2 или 3 мм запаса. Это значит, что 80 Гр доставляется в первые 60 дней и остальное в уменьшающейся дозе в течение следующих 4-6 месяцев.

Палладий 103Рd имеет период полураспада 17 дней, что в 3-4 раза короче, чем 125I. Палладий используется в некоторых центрах для лечения опухолей с более высокой степенью злокачественности, которые растут быстрее, чем опухоли с низкой степенью. Вследствие более высокого уровня излучения была сделана коррекция периферической дозы для палладия 115 Гр вместо 160 Гр.

125I имеет энергию 27-35 Кэв, 103Pd 20-23 Кэв. Низкая энергия означает, что имеется низкий уровень проникновения в ткани что соответствует обратному закону квадратов о дозе уменьшающейся на 50% от минимальной периферической дозы. Это обеспечивает значительное преимущество с точки зрения уменьшения дозы в прилегающих критических структурах таких как прямая кишка и нейроваскулярные пучки.

Преимущество постоянной имплантации заключается в том, что лечение проводится однократно и может выполняться амбулаторно или с последующим однодневным пребыванием в стационаре. Недостатком является необходимость учитывать период жизни радиоактивного источника. Однако радиационная энергия источников такая низкая, что облучение других людей незначительно и требует чрезвычайно простых методов защиты.

Временные имплантанты.

Источники, содержащиеся в иглах или трубках вводятся в простату и удаляются после окончания лечения. Существует два способа такого введения:

Продолжительное воздействие низкими дозами имплантируемого источника (LDR). Устройство заряжается ирридиевой проволокой низкой активности которая доставляет радиацию в необходимый участо.

Воздействие высокими дозами имплантанта. (HDR). Этот способ заключается в использовании источников высокой активности для доставки радиации в простату. Из-за больших доз радиации лечение плохо переносится, поэтому необходимо фракционное лечение с использованием техники HDR. Обычно для лечения с 4-6 фракций нужно или разделить пространство на 2 или 3 d или применять две отдельные аппликации. Поскольку источник остается в простате на протяжении всего времени имплантации и воздействует на промежность, он не может оставаться там более 1-2 дней.

Показания для постоянной имплантации 125I и 103Pd и радикальной простатэктомии почти одни и те же. Однако пациентам, которым не подходит простатэктомия, может быть показана брахитерапия. При высоком риске локализованного рака простаты, приходится комбинировать наружную лучевую терапию с имплантацией радиоактивных зерен. Метод брахитерапии является альтернативным по отношению к радикальной простатэктомии или дистанционной лучевой терапии, или в сочетании с последней. Преимуществом метода является снижение вероятности возможных осложнений, в том числе недержания мочи, осложнений со стороны прямой кишки, а также сохранение потенции.

Но брахитерапия под ультразвуковым контролем имеет ряд противопоказаний: большие размеры предстательной железы, конкременты в ней, распространение злокачественного процесса на семенные пузырьки и т.д. Такие ограничения устраняются, когда операция проводится под контролем спиральной компьютерной томографии. Брахитерапия под контролем компьютерного томографа позволяет, кроме всего прочего, проводить биопсию семенных пузырьков. Это очень важно для правильной постановки диагноза и точного определения распространенности рака предстательной железы, без чего невозможно его успешное лечение.

9.2 Комплексная терапия

Ведущим способом лечения в онкологии является комплексный и комбинированный методы, суть которых заключается в сочетании как местного воздействия на опухоль (лучевой, хирургический), так и общего (химио, гормоно, иммунотерапии). Комбинированная терапия - сочетание лучевого и хирургического методов лечения, предполагающую радикальную операцию и адекватное по дозировке и объему облучение. Комплексная терапия - сочетание всех трех основных компонентов лечения: лучевого, хирургического и лекарственного.

Существуют различные подходы к реализации комплексной терапии рака.

9.2.1 Нетрадиционное фракционирование дозы

Использование ионизирующих излучений в клинике основано на различиях в радиочувствительности опухоли и нормальных тканей, именуемых радиотерапевтическим интервалом. При воздействии ионизирующих излучений на биологические объекты возникают альтернативные процессы: повреждение и восстановление. При облучении в культуре ткани степень лучевого повреждения и восстановления опухоли и нормальных тканей равнозначны. Но ситуация резко меняется при облучении опухоли в организме больного. Первичное повреждение остается равнозначным, но не равнозначно восстановление. Нормальные ткани за счет стойких нейрогуморальных связей с организмом-носителем восстанавливают лучевые повреждения быстрее и полнее, чем опухоль. Используя эти различия и управляя ими, можно добиться тотального разрушения опухоли, сохранив нормальные ткани.

Один из способов управления радиочувствительностью основан на фракционировании дозы облучения, поскольку при адекватно подобранном варианте дробления дозы без каких-либо дополнительных затрат можно добиться существенного повышения повреждения опухоли с одновременной защитой окружающих тканей. В России в случаях радикального лечения традиционным считается фракционирование по 1,8-2 Гр один раз в день, 5 раз в неделю до суммарных доз, которые определяются морфологической структурой опухоли и толерантностью нормальных тканей, расположенных в зоне облучения (обычно в пределах 60-70 Гр).

В принципе, с точки зрения противоопухолевого эффекта более эффективен непрерывный курс облучения. Однако это не всегда возможно из-за развития острых лучевых реакций. Поэтому предложено после подведения определенной дозы (критической по развитию острых лучевых реакций) делать перерыв в лечении для реоксигенации и восстановления нормальных тканей. Неблагоприятным моментом перерыва является опасность репопуляции сохранивших жизнеспособность опухолевых клеток. После различной продолжительности отставания во фракционированном лучевом лечении выживающие клоногенные клетки развивают настолько высокие темпы репопуляции, что для их компенсации каждый дополнительный день лечения требует прибавки 0,6 Гр. Тем не менее, при расщепленном курсе улучшается переносимость лечения, особенно в случаях, когда острые лучевые реакции препятствуют проведению непрерывного курса. Величина интервала составляет 10-14 дней, т.к. репопуляция выживших клоновых клеток начинается в начале 3-й недели.

Помимо традиционного фракционирования существуют и нетрадиционные режимы: Гипофракционирование - применение более крупных, по сравнению с классическим режимом, фракций (4-5 Гр), общее количество фракций уменьшено; Гиперфракционирование - применение небольших, по сравнению с "классическими", разовых очаговых доз (1-1,2 Гр), подведенных несколько раз в день. Общее число фракций увеличено; Непрерывное ускоренное гиперфракционирование - фракции более приближены к классическим (1,5-2 Гр), но подводятся несколько раз в день, что позволяет уменьшить общее время лечения; Динамическое фракционирование: режим дробления дозы, в котором подведение укрупненных фракций чередуется с классическим фракционированием либо подведением доз меньше 2 Гр несколько раз в день и т.д.

В основу построения всех схем нетрадиционного фракционирования положена информация о различиях в скорости и полноте восстановления лучевых повреждений в различных опухолях и нормальных тканях и степень их реоксигенации. Так, опухоли, характеризующиеся быстрым темпом роста, выраженной радиочувствительностью, требуют подведения укрупненных разовых доз. Примером может служить метод лечения больных мелкоклеточным раком легкого.