Введение к работе
Актуальность проблемы. Лучевая терапия является одним из наиболее эффективных методов лечения злокачественных новообразований. В настоящее время она применяется для лечения 40% больных в качестве самостоятельного метода и в 70% в комбинации с хирургическим вмешательством и другими методами. Медицинская физика и важная ее часть клиническая дозиметрия являются неотъемлемой частью лучевой терапии. Собственный термин "клиническая" принадлежит этой дозиметрии по праву, так как есть ряд специфических особенностей, отличающих ее от других видов дозиметрии. Самая главная - это высокие требования по точности определения поглощенной дозы. Но современным представлениям погрешность подведения дозы излучения к патологическому очагу должна быть не более 5%. Вторая особенность клинической дозиметрии - это моделирование и формирование дозных распределений в пространстве с высокой точностью.
Как в настоящее время осуществляется процесс планирования облучения? В лучшем случае имеется в наличии компьютерная система планирования лучевой терапии. Все алгоритмы расчета дозы предполагают, что вторичные электроны, возникающие в результате взаимодействия первичного излучения с веществом, поглощаются в і очке рождения. По другому пока и быть не может в силу сложности задачи. Будем называть это первым приближением. До недавнего времени можно было им ограничиться. Основным излучателем являлся Со-60 с энергией гамма квантов в среднем 1,25 МэВ и, соответственно, пробегом вторичных электронов в воде порядка 3 мм. Да и сама лучевая терапия имела существенные неопределенности. Теперь широкое распространение получили линейные ускорители с энергией тормозного излучения до 20 MB. Пробег вторичных электронов вырос до нескольких сантиметров.
Почему вообще имеет смысл говорить о вторичных электронах и, в частности, о длине пробега. В условиях равновесия может показаться, что это не имеет значения. В большинстве случаев это действительно так. Однако, существует два принципиальных класса исключений. Во-первых, возмущения дозных распределений вблизи объектов с резко различающимся атомарным составом. Чтобы понять это, достаточно взглянуть на формулу Резерфорда, указывающую на квадратичную зависимость упругого рассеяния электронов на ядрах от атомного номера
элемента. Практически это имеет место вблизи костей и металлических протезов. Второй класс исключений - воздушные полости. Воздушная полость часто не включается целиком в поле облучения и наблюдается недостаток вторичных электронов из боковых стенок. Другими словами, наблюдается эффект, подобный эффекту "build-up" на входе радиационных пучков в ткань.
Эффекты, о которых идет речь в данной работе, имеют малук: протяженность, до нескольких мм. Достаточно ли это, чтобы относиться к ним серьезно? Посмотрим на то, что из себя представляет опухоль. Этс клетки, которые делятся неконтролируемо с определенной периодичностью, что приводит к экспоненциальному росту опухоли. Дс размера, когда она может быть обнаружена самыми современным!: методами, т.е. порядка нескольких мм, она может расти многие годы Затем, процесс завершается в течение месяцев. Поэтому, небольшое участок опухоли, не облученный в достаточной степени, может привести к быстрому рецидиву. Таким образом ясно, что поведение вторичны> электронов может иметь принципиальное значение.
Рядом авторов ранее уже было показано, что на границах сред < высоким атомным номером дозное распределение может бьіті существенно неравномерным. В частности, на границе вода / свинец ее стороны источника фотонного излучения доза превышает нормальны? уровень по разным данным от 70% до 100%. Размер області неравномерности зависит от энергии излучения и достигает несколькю миллиметров. На стенках воздушных полостей в фотонных пучка; неравномерность дозного поля может достигать 50%. Несмотря на важно» значение таких существенных эффектов для лучевой терапии, ясноп понимания вопроса среди медицинских физиков нет, и, тем более, нечеткой системы их оценки в зависимости от таких параметров, каї качество излучения и материалы сред. Разработке этой системы і посвящена предлагаемая диссертационная работа.
Цель и задачи исследования. Цель исследования - определенш возмущений дозных полей на границе раздела гетерогенностей вследствиі возмущения потока вторичных электронов и создание системы их оценки пригодной для использования в клинической практике. К задачам следус отнести следующее:
Экспериментальное исследование возмущений дозных распределений материалами с тяжелым атомарным составом на примере тонкой свинцовой пластины для излучении Со-60, тормозного рентгеновского с энергией 6 MB и 18 MB.
Проведение моделирования исследуемых ситуаций методом Монте-Карло. Сравнение результатов с экспериментальными данными.
Расчет методом Монте Карло дозных распределений вблизи границ раздела гетерогенностей для серии монохромных излучений и материалов. Аппроксимация результатов аналитическими выражениями.
Расчет равновесных энергетическо-угловых распределений вторичных заряженных частиц для серии монохромных излучений и материалов. Аппроксимация результатов аналитическими выражениями.
Применение полученных результатов для оценки дозных распределений в реальных клинических случаях.
Научная новизна. Научная новизна данной работы заключается в том, что предлагается систематизированный подход к решению проблемы возмущений дозных распределений на границе раздела. Наряду с повторением уже известных исследований получен ряд новых результатов. Все они приведены в систему, доступную для использования при составлении планов облучения в клинической практике. Такой уровень погружения в рассматриваемую задачу достигнут впервые.
Практическая значимость. Практическое применение результатов является направляющей канвой данного исследования. В результате работы получена система, позволяющая осуществить переход на качественно более высокий уровень точности в дозиметрии на границах раздела гетерогенностей. В целом ряде случаев, частично перечисленных выше, это имеет принципиальное значение. Предлагаемая система позволяет в том числе дифференцировать эти ситуации.
Апробация и публикации. Основные разделы докладывались на IV Всесоюзном съезде онкологов (Ленинград, 1986), 10-й Международной конференции Польской Ассоциации медицинских физиков (Прага, 1995), конференции "Медицинская физика - 95" (Москва), семинарах ОНЦ и МИФИ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Содержит 113 стр. печатного текста (включая приложения), 49 рисунков, 13 таблиц и библиографию, включающую 68 наименований.
