автореферат диссертации по энергетике, 05.14.08, диссертация на тему:Исследование дозных распределений, создаваемых излучением радионуклида калифорний-252 в биологической ткани, и разработка аппаратуры для контактной нейтронной терапии

¿у : уу - ¿>/ г <г

МИНИСТЕРСТВО РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО АТОМНОЙ ЭНЕРГИИ

ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ ТЕХНИЧЕСКОЙ ФИЗИКИ И АВТОМАТИЗАЦИИ

ИССЛЕДОВАНИЕ ДОЗНЫХ РАСПРЕДЕЛЕНИЙ, СОЗДАВАЕМЫХ ИЗЛУЧЕНИЕМ РАДИОНУКЛИДА КАЛИФОРНИЙ - 252 В БИОЛОГИЧЕСКОЙ ТКАНИ, И РАЗРАБОТКА АППАРАТУРЫ ДЛЯ КОНТАКТНОЙ НЕЙТРОННОЙ

ТЕРАПИИ

Специальности: 05.14.08 «Преобразование возобновляемых видов энергии и установки на их основе».

05.11.17 «Медицинские приборы и измерительные системы»

На правах рукописи

Елисютин Гурий Петрович

Диссертация в форме научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Г.П.ЕЛИСЮТИН

МОСКВА - 1999

Работа выполнена во Всероссийском научно-исследовательском инстгауге технической физики и автоматизации Министерства Российской Федерации по атомной энергии

Научный консультант: доктор технических наук Тюфяков Н.Д

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Блинов Н.Н. (ВНИИИМГ) Кандидат технических наук Терентьев В.П. (ВНИИТФА)

Ведущая организация: Онкологический научный центр РАМН им. Н.Н. Блохина

Защита состоится « »"> 1999г. на заседании диссертационного совета

ДР 124.11.01 при Всероссийском научно - исследовательском институте технической физики и автоматизации, 115230, г. Москва, Варшавское ш., 46

Диссертация разослана «__»____ 1999г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук, старший научный сотрудник

з

ВВЕДЕНИЕ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Цель и задачи исследования

Одним из важнейших направлений развития здравоохранения является борьба с онкологическими заболеваниями. В арсенале средств борьбы с такими заболеваниями одно из ведущих мест принадлежит лучевой терапии (около 55% всех больных проходят в том или ином виде курс лучевого лечения [37]). В настоящее время наибольшее распространение в лучевой терапии злокачественных новообразований получило рентгеновское и гамма-излучение. Терапия этими видами излучения достигла сейчас высокой степени своего развитая. Дальнейшее ее совершенствование идет по пути расширения технических возможностей: коллимации пучков излучения, увеличения числа степеней свободы применяемой аппаратуры, повышения степени радиационной безопасности персонала, автоматизации процесса облучения и т. д. Можно полагать, что в радиобиологическом отношении возможности дальнейшего развитая терагащ рентгеновским и гамма-излучением практически исчерпаны, однако проблема лечения онкологических заболеваний остается далеко не решенной. В связи с этим необходим поиск новых направлений и способов лечения рака. Определенные перспективы открываются на пути использования излучений, обладающих высокой ионизирующей способностью, в частности, ядер отдачи, возникающих при облучении биологической ткани быстрыми нейтронами. Основным преимуществом быстрых нейтронов перед гамма-излучением является то, что ядра отдачи по сравнению со вторичными электронами обладают большей способностью поражать радиорезистентные опухоли, содержащие слабооксигенированные клетки, что должно привести к повышению эффективности лучевого лечения.

Это связано с тем, что процессы преобразования энергии, протекающие при взаимодействии плотноионизируклцих излучений с тканью носят принципиально отличный характер от процессов взаимодействия редкоионизирующих излучений. К редкоионизирующим излучениям можно отнести традиционно применяемые в лучевой терапии рентгеновское и гамма излучение, а к плотноионизирующим альфа протонное или пи - мезонное излучение. Перечисленные плотноионизирующие излучения активно изучаются с точки зрения использования их для радиотерапии. Большие возможности в этом плане представляет также использование быстрых нейтронов. Принципиально в качестве источников быстрых нейтронов можно использовать ядерный реактор или различного рода ускорители, например, нейтронные генераторы, но возможности их практического применения для нейтронной терапии достаточно ограничены. Более предпочтительным представляется использование для этой цели радионуклидных источников нейтронов. Одним из источников, позволяющих достичь необходимой плотности потока нейтронов при небольших собственных размерах, является источник на основе радионуклида калифорний-252. В последние годы было организовано производство этого изотопа калифорния в количествах, достаточных '!тш его клинического использования. Разработка и исследование специализированных ис-• ников излучения, а также аппаратуры, обеспечивающей их применение для терапии зло-1 явственных новообразований дает возможность проведения нейтронной терапии не толь-б крупных ядерных центрах с реакторами и ускорителями, но и в онкологических науч- исследовательских институтах и даже в онкологических диспансерах и рядовых больни-где имеются радиологические отделения.

*) Плотноионизирующими излучениями считаются излучения с линейной передачей энергии ЛЛЭ), большей ЮкэВ/мкм

Цель работы

состояла в исследовании и практической реализации особенностей преобразования энергии плотноионизирующего излучения в ткани и создание физико-технической базы для клинического изучения и в дальнейшей практического применения источников излучения на основе радионуклида Cf-252, а именно, в разработке и исследовании источников, устройств и методик, представляющих возможность применения нейтронного излучения радионуклида Cf-252 для терапии злокачественных опухолей.

Научная новизна

Разработаны требования к параметрам источников и методики контроля основных характеристик терапевтических источников, а также дозных распределений, создаваемых этими источниками в ткани.

Разработаны методика и алгоритм расчета дозных распределений, создаваемых нейтронной и гамма компонентами излучения калифорния-252.

Разработана медицинская техника для безопасной работы с источниками излучения.

Впервые в мире разработаны, изготовлены и испытаны в клинической практике для лечения больных аппараты для нейтронной внутриполостной терапии высокой мощностью дозы типа АНЕТ-В и АНЕТ-ВА с общим содержанием калифорния до 3-х миллиграмм. Работа на аппаратах осуществляется по системе дистанционно управляемого последовательного введения источников излучения (remote controlled afterloading).

Практическая ценность

На базе проведенных исследований и разработок подготовлена физико-техническая база для биологических и клинических исследований по возможности использования излучения калифорния-252 для терапии злокачественных новообразований и определения области его применения, где его преимущества перед традиционно применяемым гамма-излучением оказываются наиболее выраженными.

Лучевая нейтронная терапия на аппаратах АНЕТ-В и АНЕТ-ВА была проведена более чем 1700 больным.

Оригинальные конструктивные решения, примененные в нейтронно-терапевтическом аппарате АНЕТ-ВА, позволили обеспечить высокую степень радиационной безопасности персонала.

Система дискретного перемещения источника излучения позволила обеспечить возможность варьирования дозными полями, что дает возможность оптимизировать план облучения для каждого больного.

Проведенные на созданной физико-технической базе клинические исследования показали эффективность данного вида лучевой терапии для ряда заболеваний и наметили перспективы дальнейшего развития нейтронной контактной терапии.

На защиту выносятся следующие основные научные положения

Физико - техническая база дня осуществления нейтронной терапии, включая:

1. требования к физико-техническим параметрам источников нейтронов на основе радионуклида Cf-252, предназначенных для радиобиологических и клинических исследований и дальнейшего их практического применения для внутритканевой и внутриполостной терапии;

2. конструкции источников из Cf-252, обеспечивающих наименьшую травматичность при их введении, а также радиационную безопасность персонала;

3. дозные распределения, создаваемые источниками в тканеэквивалентной среде;

4. методики, алгоритмы и программы расчета на ЭВМ дозных распределений в тканеэквивалентной среде нейтронной и гамма компонентой излучения Cf-252;

5. концепция построения аппаратуры, обеспечивающей безопасные условия применения источников из Cf-252 в медицинских учреждениях.

Личный вклад автора

1. Разработка технических требований, включающих физические, технические, дозиметрические и конструктивные параметры, к терапевтическим источникам на основе радионуклида СЛ-252.

2. Исследование дозных распределений в тканеэквивалентной среде, созданных излучением радионуклида С£252.

3. Разработка методик, алгоритмов и программ расчета дозных распределений от единичного источника на основе радионуклида а-252, а также комбинаций источников.

4. Разработка концепции построения аппаратуры для терапии излучением радионуклида С1-252, руководство и непосредственное участие в разработке, изготовлении аппаратуры, а также ее монтаже, настройке и обеспечении работоспособности в клинических условиях.

Апробация работы

Основные результаты работы докладывались на более чем десяти конференциях и симпозиумах в том числе:

«Использование нейтронов в медицине» г. Обнинск 1976г.

«30 лег производства и применения изотопов в СССР» г. Обнинск 1978г.

«6-й международный конгресс по радиационным исследованиям» г. Токио 1979г.

«Конгресс литовских радиологов» г. Паланга 1993г.

«50 лет производства и применения изотопов в России» г. Обнинск 1998г.

По результатам работы автору в составе большого коллектива присуждена «Премия

правительства Р.Ф.» за 1996г.

Публикации

Автором опубликовано в отечественных и зарубежных изданиях более 50-та работ, из них 36 по представленным в данном научном докладе материалам, включая три изобретения.

1. ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИЯ. СУЩНОСТЬ НАУЧНОЙ ПРОБЛЕМЫ 1.1 Особенности преобразования энергии плотаоионизирующих излучений в ткани и возможности их использования для радиотерапии быстрыми нейтронами.

Еще в 1913 г. [38] было замечено, что при облучении альфа частицами, вода разлагалась на водород и кислород, а также образовывалось небольшое количество перекиси водорода. Но под действием редкоионизирующего рентгеновского излучения разложение воды на кислород и водород практически не происходило.

Известно, что мягкая ткань на 80% состоит из воды, поэтому основные физико-химические процессы, происходящие в биологической ткани при ее облучении, будут теми же самыми, что и в воде.

Рассмотрим особенности преобразования энергии плотно - и редкоионизирующего излучения в ткани.

На Рис.1 представлена качественная диаграмма процессов преобразования энергии в тканеэквивалентной среде при ее облучении гамма и нейтронным излучением.

При облучении ткани гамма-излучением (например, кобальта-60) возникает вторичное корпускулярное излучение, состоящее го электронов, образовавшихся в результате трех основных реакций - фотоэффекта, комгггон-эффекта и эффекта образования пар электрон-позитрон. Таким образом, энергия падающего гамма-кванта преобразуется в энергию электронов. В свою очередь электроны, взаимодействуя со средой, теряют свою энергию на возбуждение и ионизацию атомов и молекул этой среды. Плотность ионизации зависит от энергии электрона и количественно характеризуется величиной линейной передачи энергии (ЛПЭ), которая определяется как отношение энергии, переданной веществу заряженной частицей вследствие столкновений на элементарном пути к длине этого пути. Для рентгеновского и гамма- излучения эта величина не превышает 10 кэВ/мкм. В результате ионизации среда в последней образуются химически активные свободные радикалы типа , е ОН*, НО* и другие, которые, диффундируя в среде, взаимодействуют с биологически

важными клеточными структурами (прежде всего с молекулами ДНК) и приводят к тем или иным биологическим эффектам. Основными продуктами радиолиза воды являются радикалы Н' и ОН-. В присутствии кислорода биологическое действие излучения усиливается (так называемый кислородный эффект) в первую очередь вследствие превращения радикала Н" в химически агрессивный радикал НО*2 [39].

При облучении ткани быстрыми нейтронами (например, излучением калифорния-252) возникает вторичное корпускулярное излучение, состоящее из ядер отдачи, образовавшихся в результате упругого и неупругого рассеяния нейтронов на ядрах элементов, образующих ткань (водород, кислород, азот, углерод). Заметный вклад в дозу дает также реакция 14N(n,p)14C, в результате которой образуются тяжелые заряженные частицы. В результате процессов перезарядки, неупругого рассеяния, возбуждения и ионизации энергия вторичных заряженных частиц преобразуется в энергию возбужденных и ионизированных атомов и молекул среды. В этом случае также образуются свободные радикалы указанного выше типа.

Однако, вследствие того, что плотность ионизации в данном случае гораздо больше - 5060 кэВ/мкм [40], распределение свободных радикалов отличается от распределения, возникающего при действии гамма-излучения. Неравномерность в распределении увеличивает вероятность рекомбинации щцроксильных радикалов ОН* с образованием перекиси водорода и кислорода вследствие реакций:

ОН" + ОН* Н2 о2 H 20 2 + ОН" ->Н 20 + НО'2

НО*2 + ОН* -> Н2 О + 02 НО"2 + НО'2 Н2 02 + о2

Гамма-излучение Нейтронное излучение Со-60____Cf-252

Cs-137 Se-75

\\\\\\\\\\\\\\\\\\\^

БИОЛОГИЧЕСКАЯ ТКАНЬ

Фотоэффект

Комтон-эффект Упругое и неупругое рассеяние

Эффект образования пар на ядрах ткани

Электрон е' Позигрон е+ (ЛПЭ=2*10 кэВ/мкм) Ядра отдачи H С N О (ЛПЭ=50^-60 кэВ/мкм)

Ш 111

Возбуждение и ионизация Перезарядка Упругое рассеяние

Возбуждение Ионизация

Ионизированные (Н2 О +), возбужденные (Н2 О*, Н2 О +* ) и сверхвозбужденные (Н2 О ) молекулы воды и электроны.

111 111

Образование и диффузия свободных радикалов Н* ОН ' e~aq

Реакции: ОН' + ОН" -» Н2 о2 H 20 2 + ОН" ->Н 20 + НО"2 НО"2 + ОН" ->■ Н2 О + о2 НО'2 + НО'2 ~» Н2 о2 + о2 Рис. 1. Схема преобразования энергии при взаимодействии нейтронного и гамма-излучения с биологической тканью ^

Таким образом, сравнивая процессы преобразования энергии в случае редко - (гамма-излучение) и плотноионизирующего (быстрые нейтроны) излучения, можно отметить, что в последнем "случае образуется молекулярный кислород, чего не наблюдается в первом случае. Это» факт является существенным с точки зрения радиобиологии и лучевой терапии.

Известно, что в лучевой терапии злокачественных новообразований кислородный фактор имеет большое значение[39]. Чувствительность клеток биологической ткани к действию излучения с низким ЛПЭ существенно зависит от степени насыщенности их кислородом. Как правило, клетки опухоли вследствие их быстрого роста являются гораздо менее оксигенированными, чем окружающие их здоровые ткани. При проведении сеанса облучения биологические клетки, расположенные в центре опухоли, вследствие их слабой оксиге-нации могут оказаться недооблученными, что в дальнейшем приведет к их росту и, следовательно, к возникновению рецидива заболевания. Для решения задачи выравнивания степени оксигенации клеток ткани используются различные методы. Сюда относятся применение лекарственных средств, локальный разогрев облучаемого объекта, а также помещение больного на некоторое время перед сеансом в камеру с давлением кислорода в 2-3 атмосферы. Эти методы, как правило, довольно сложны, малоэффективны, громоздки, дорогостоящи и небезопасны для здоровья, и даже жизни пациента, организм которого ослаблен заболеванием.

Помимо описанного выше факта появления кислорода в местах ионизации существенными являются чисто радиобиологические явления, связанные с высоким ЛПЭ. К ним относится прежде всего повышенный выход двойных разрывов спиралей ДНК, приводящий к уменьшению способности клеток к восстановлению от сублетальных и потенциально летальных поражений, который слабо зависит от концентрации кислорода. Кроме того следует отметить уменьшенную зависимость поражающего действия от стадии клеточного цикла, на которой находились клетки в момент облучения. Интегральным критерием, определяющим целесообразность применения "излучений с высоким ЛПЭ является коэффициент выигрыша (КБ), т.е. отношение относительной биологической эффективности (ОБЭ) для опухоли и для критической нормальной ткани [71].

Нейтроны спектра деления, как уже указывалось, создают вторичное излучение с ЛПЭ, равным ~60 кэВ/мкм. При таких ЛПЭ чувствительность хорошооксигенированных клеток всего лишь в 1,5-2 раза выше слабооксигенированных, что приводит к значительному выравниванию чувствительности клеток к облучению, по сравнению с гамма-излучением, для которого этот фактор равен трем [40], а , следовательно, КВ=1,5-2. Полное выравнивание чувствительности пр�