ИЗВЕСТИЯ РАИ. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ, 2007, том 71, № 6, с. 869-871
УДК 537.533.7
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ ПУЧКАМИ ФОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ В МАГНИТНЫХ ПОЛЯХ С ЦЕЛЬЮ ПОВЫШЕНИЯ КОНФОРМНОСТИ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
© 2007 г. А. В. Белоусов1, С. М. Варзарь2, А. П. Черняев1
E-mail: chernyaevopc@rector.msu.su
В работе обсуждаются результаты экспериментального исследования особенностей формирования поглощенной дозы от пучков фотонов и электронов в веществе, которое помещено в сильное диполь-ное магнитное поле. Приведено их сравнение с проведенными ранее модельными расчетами. Показана практическая значимость метода облучения мишеней в магнитном поле для повышения эффективности лучевой терапии.
ВВЕДЕНИЕ
В последние годы применение ядерно-физических методов получило широкое распространение в биологии и медицине. Несмотря на технические усовершенствования, достигнутые в этом направлении, вопрос об оптимизации радиационной терапии остается актуальным. В лучевой терапии физическим критерием эффективности облучения мишени служит отношение дозы, поглощенной в мишени (области патологического очага), к дозе, приходящейся на окружающие ее здоровые ткани. Максимальная эффективность достигается при совпадении контуров пространственного распределения области высокой дозы с поверхностью мишени.
Наиболее широко применяемыми в лучевой терапии видами ионизирующего излучения являются пучки фотонов и электронов. Это обусловлено относительной простотой и сравнительно невысокой стоимостью установок, на которых их получают. Для фотонов с энергией до 50 МэВ максимум в распределении дозы находится на глубине до 5 г • см-2. При облучении фотонами характерно облучение всех тканей вдоль оси пучка, что связано с экспоненциальным уменьшением дозы на глубине, превышающей положение максимума. При прохождении электронов через вещество максимум в распределении дозы располагается ближе к поверхности среды (на глубине 0.1-3 г • см-2), а поглощенная доза за ним уменьшается быстрее, чем для фотонов.
Повысить эффективность облучения пучками фотонов и электронов можно, если располагать мишень в сильном магнитном поле [1]. Цель настоящей работы - экспериментальное исследование
1 Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова.
2 Научно-исследовательский институт ядерной физики им. Д.В. Скобельцына МГУ им. М.В. Ломоносова.
распределений поглощенной дозы в мишенях, расположенных в поперечном магнитном поле при прохождении через вещество пучков фотонов и электронов.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ
Современные разработки новых подходов и методов в медицине могут быть связаны с одновременным комплексным действием на организм в целом или на определенную его часть нескольких физических или химических факторов. К ним относится метод облучения пучками фотонов и электронов мишеней, расположенных в магнитном поле. Магнитное поле превращает траектории первичных электронов пучка или вторичных электронов и позитронов, образующихся при взаимодействии фотонов и электронов с атомами вещества, в скручивающуюся спираль. Это приводит к изменению пространственного распределения поглощенной дозы, а в определенных магнитных полях позволяет увеличить ее в области мишени и уменьшить за мишенью.
Для моделирования прохождения пучков фотонов и электронов через вещество использовался пакет программ GEANT4, в котором реализована возможность учета вклада от вторичных частиц с минимальной энергией в несколько электрон-вольт и продуктов фото-и электроядерных реакций.
Из рис. 1 видно, что наложение поперечного относительно пучка магнитного поля приводит к появлению в распределении дозы максимума, подобного пику Брэгга у тяжелых заряженных частиц.
Сравнение эффективности облучения ткани пучком у-квантов или электронов, когда мишень располагается в магнитном поле и без него, показывает, что эффективность облучения мишени возрастает в ~2 раза. Для пучков электронов ха-
870
БЕЛОУСОВ и др.
Доза, отн. ед. 6
5
4
3
2
1
0 20
40
60
80 100 Глубина, мм
Рис. 1. Зависимость распределения дозы от величины магнитного поля, включенного на глубине 4 см: 1 - поле отсутствует; 2 - 0.5; 3 - 1; 4 - 1.5; 5 - 2; 6 - 2.5 Тл.
Доза, отн. ед. 1.0
0.8 0.6 0.4 0.2
0
10 12 14 16 18 Глубина, см
Рис. 2. Экспериментально измеренное распределение дозы пучка электронов с энергией 50 МэВ в воде.
рактерно, что доза, передаваемая здоровым тканям перед мишенью, в этом случае возрастает на 25-40%, а за ней падает в 3-4 раза [2, 3]. Для пучков у-квантов характерно малое изменение величины дозы, передаваемой здоровым тканям, расположенным перед мишенью и уменьшение дозы в 1.31.5 раза за ней [4].
Для проверки результатов модельных расчетов были проведены эксперименты на разрезном микротроне НИИЯФ МГУ с максимальной энергией 70 МэВ. Два ускоренных пучка электронов с энергиями 25 и 50 МэВ с выхода микротрона по очереди подавались на мишень, составленную из пластинок тканеэквивалентной среды с детектирующими пленками (вещество М1Х^, которое представляет собой смесь, состоящую из парафина - 60.8%, полиэтилена гранулированного - 30.4%, окиси магния -6.4%, двуокиси титана - 2.4%) или из стеклянных пластинок. Вся система помещалась в магнитное поле.
В ходе выполнения эксперимента для измерения дозы в относительных единицах стекло оказывается удобным, поскольку более просто в использовании, дешевле, позволяет осуществлять большее время экспозиции, чем радиохромные пленки. Данное обстоятельство важно при измерении дозы пучка электронов с высокой интенсивностью, чтобы визуально видеть эффект по степени потемнения стекла. Набор стеклянных пластин из 10 стекол марки М1, расположенных в магнитном поле, облучался таким образом, чтобы пучок электронов падал на торцевые поверхности мишени. Радиохромные пленки располагались между пластинами из тканеэквивалентной среды вдоль направления распространения пучков электронов и фотонов.
Доза, отн. ед. 1.00
0 12345678
Глубина, см
Рис. 3. Сравнение расчетного и экспериментального распределений дозы пучка электронов с энергией 50 МэВ в стекле (пунктиром отмечены расчетные значения).
АНАЛИЗ И ОБСУЖДЕНИЕ
Полученные картины облученных пакетов стекол и радиохромных пленок оцифровывались и подвергались обработке. С целью устранения дефектов в полученных экспериментальных данных использовался двумерный фурье-анализ. После этого экспериментальные данные подвергались статистической обработке для получения усредненной по всему пучку зависимости дозы от глубины проникновения излучения в вещество.
В представленных на рис. 2 распределениях дозы пучка электронов с энергией 50 МэВ в магнитных полях 0.5 и 1.0 Тл хорошо виден максимум на глубинах соответственно 7.0 и 6.4 см. Смещение максимумов в распределениях дозы при разных магнитных полях соответствует выполненным ранее модельным расчетам [5, 6]. Амплитуда максимума выше значения дозы на входе в среду в ~1.25 раза, что также соответствует модельным расчетам.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 < 6 2007
МОДЕЛИРОВАНИЕ УСЛОВИЙ ОБЛУЧЕНИЯ ПУЧКАМИ ФОТОНОВ И ЭЛЕКТРОНОВ
871
Доза, отн. ед.
160 г
150
140 -
130 -
120 -
110 -
100 -
90 |
3 4 5 6 7 8 Глубина, см
Рис. 4. Распределение дозы пучка тормозных фотонов Етах = 25 МэВ в магнитном поле В = 1.16 Тл.
На рис. 3 сравниваются экспериментальные измерения глубинного распределения дозы при отсутствии магнитного поля с результатами аналитических расчетов в рамках развитой нами модели аналитической оценки этого распределения [7]. Сравнение показывает, что на качественном уровне наблюдается хорошее согласие между экспериментальными и теоретически рассчитанными данными.
Из рис. 4 видно, что для экспериментально измеренного распределения дозы пучка фотонов в тканеэквивалентной среде максимум выражен менее отчетливо, чем в предыдущем случае, но тем не менее достаточно надежно идентифицируется на глубине ~5.7 см.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
На экспериментальной установке, действующей на базе разрезного микротрона, проведены измерения глубинных распределений дозы для энергии электронов и максимальной энергии тормозных у-квантов 25 и 50 МэВ в постоянном магнитном поле 0.5, 1.0 и 1.2 Тл. Экспериментально подтверждено появление максимума в глубинном распределении дозы как для пучков электронов, так и для пучков фотонов. Его положение по глубине хорошо согласуется с результатами модельных расчетов. Это подтверждает возможность повышения эффективности лучевой терапии на пучках фотонов и электронов.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Тултаев A.B., Черняев А.П. Способ лучевой терапии: Патент < 2001102391 от 29.01.2001.
2. Варзаръ С.М., Тултаев A.B., Черняев А.П. // ПТЭ. 2002. < 1. C. 113.
3. Варзаръ С.М., Тултаев A.B., Черняев А.П. // Мед. физика. 2002. < 13. C. 44.
4. Алексеева Л.В., Белоусов A.B., Варзаръ С.М. и др. // Мед. физика. 2003. < 2. C. 17.
5. Варзаръ С.М., Черняев А.П. // Биомедицинские технологии. 2003. < 3. C. 45.
6. Белоусов А.В., Грязное С.В., Плотников А.В. и др. // Медицинская радиология и радиационная безопасность. 2004. T. 49. < 2. C. 73.
7. Белоусов А.В., Черняев А.П. // Вестн. МГУ. Серия Физика. Астрономия. 2004. < 4. С. 37.
ИЗВЕСТИЯ РАН. СЕРИЯ ФИЗИЧЕСКАЯ том 71 № 6 2007
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.