Физическое и радиобиологическое обеспечение нейтронно-фотонной и электронной терапии злокачественных опухолей с применением ускорителей Лисин, Валерий Андреевич

Введение к работе

Актуальность проблемы. - В настоящее время по-прежнему остра проблема борьбы со злокачественными новообразованиями человека. В связи с этим исследователи во всем мире не оставляют попыток расширить арсенал методов, способных повысить эффективность лечения онкологических больных.

Продолжаются интенсивные поиски эффективных подходов к решению онкологической проблемы и в лучевой терапии злокачественных опухолей с применением ускорителей заряженных частиц. Приоритетные направления, по которым развиваются поиски, связаны с применением тяжелых заряженных частиц и быстрых нейтронов, с использованием новых источников излучения, с разработкой новых технологий радиационного воздействия на злокачественные опухоли.

Интерес к применению нейтронов в онкологии вызван тем, что они обладают рядом особенностей взаимодействия с биологической тканью по сравнению с редкоионизирующим излучением.

Интенсивно исследования терапии злокачественных опухолей быстрыми нейтронами выполняются на циклотронах, которые ранее использовались для целей экспериментальной ядерной физики. Основная цель таких исследований состоит в том, чтобы изучить эффективность нейтронной терапии и определить ее место в общем ряду радиологических средств лечения онкологических заболеваний.

Впервые в Российской Федерации работы по нейтронной терапий были развернуты в начале 80-ых годов в г. Томске на базе циклотрона У-120 НИИ ядерной физики при ТПИ по инициативе член-коррес- пондента РАН А. Е Диденко. Работы выполнялись в тесном сотрудничестве с НИИ онкологии ТНЦ г. Томска, в котором руководство программой клинических и экспериментальных исследований по нейтронной терапии осуществлял член-корреспондент РАМН Б. Н. Зырянов.

'С позиции гарантии качества лечения выявить области преимущества нейтронов и определить их место в общем ряду радиологических средств борьбы со злокачественными заболеваниями возможно лишь при адекватном физическом и радиобиологическом обеспечении, которое при облучении опухолей быстрыми нейтронами разработано явно недостаточно. Нет необходимых сведений о системах формировании терапевтического пучка быстрых нейтронов циклотрона У-120, которые бы обеспечивали нужные характеристики пучка. Отсутствует стандартная аппаратура для дозиметрии в смешанных гамма-нейтронных полях, а метод дозиметрии применительно к услоьидм большого

- 4 -числа фантомных измерений нуждается в усовершенствовании. Также отсутствует информация о распределении поглощенной дозы пучка быстрых нейтронов циклотрона У-120 в однородной и гетерогенной тканеэквивалентной среде для широкого набора размеров полей облучения. В то же время при дозиметрическом планировании процедуры облучения опухолей быстрыми нейтронами недостаточно знать распределение поглощенной дозы в теле пациента, - необходимо иметь распределение изоэффективной дозы. Однако методы расчета распределения изоэффективной дозы в облучаемой ткани с учетом зависимости относительной биологической эффективности (ОВЭ) от дозы отсутствуют.

В терапии пучком быстрых нейтронов циклотрона У-120 не разработаны компьютерные программы дозиметрического и радиобиологического планирования облучения, без которых недостижима высокая эффективность лечения и которые широко применяются в гамма-терапии злокачественных опухолей.

Одной из основных проблем при дозиметрическом планировании нейтронной терапии является разработка способов определения длительности курса, суммарной и очаговой дозы, интервала между сеансами облучения. Такие методы, которые бы учитывали гетерогенность тканей, площадь поля облучения, технические параметры работы источника нейтронов, неразработаны. Между тем они крайне необходимы для предотвращения большого числа возможных острых лучевых реакций и осложнений у онкологических больных, подвергающихся нейтронному облучению.

К решению проблемы онкологических заболеваний в лучевой терапии характерен комплексный подход. В этой связи представляет интерес разработка новых технологий, к числу которых относится ин-траоперационное облучение опухолей. В России подобных исследований до настоящего времени не проводилось. В качестве источника излучения в данном случае перспективен малогабаритный бетатрон, созданный в Томском политехническом университете под руководством профессора Е Л. Чахлова. Однако отсутствие необходимых дозиметрических исследований электронного пучка ускорителя сдерживало проведение работ в области интраоперационной лучевой терапии.

Необходимо совершенствование технологий облучения опухолей и на традиционных источниках излучения: бетатронах с терпевтичес-ким пучком тормозного излучения и гамма-аппаратах. Повышение интенсивности излучения бетатронов, разработка новых режимов фрак-

- 5 -ционирования дозы способны улучшить технологичность и эффективность облучения злокачественных опухолей.

В настоящее время эффективное совершенствование лучевой терапии опухолей невозможно без адекватного радиобиологического обеспечения радиологических технологий. В нейтронной терапии большое значение приобретает поиск способа количественного математического описания зависимости ОВЭ нейтронов от дозы. Наличие математической зависимости ОВЭ от дозы позволило бы с большей точностью планировать режимы облучения злокачественных опухолей. Однако математические зависимости ОВЭ нейтронов от дозы на основе использования количественных радиобиологических параметров опухолевой и нормальной ткани не были известны.

В последние годы ведется разработка подходов, при которых анализ и прогноз эффективности лучевой терапии осуществляется на основе количественных данных радиобиологии о характере взаимодействия используемого излучения с нормальной и опухолевой тканью. Однако подобные подходы даже в гамма-терапии далеки от создания исчерпывающих теоретических основ,а практические рекомендации на базе полученных результатов могут быть даны лишь для ограниченного числа случаев. В терапии же злокачественных опухолей быстрыми нейтронами разработка основ радиобиологического и дозиметрического обеспечения с использованием количественной радиобиологической информации находится лишь . в начальной стадии своего развития.

Таким образом, в настоящее время проблема физического и радиобиологического обеспечения нейтронной и нейтронно-фотонной терапии злокачественных опухолей на циклотроне У-120. не решена.

Не исследованы характеристики терапевтического электронного пучка пучка малогабаритного бетатрона ПМБ-6Э, требуют совершенствования технологии облучения злокачественных опухолей с применением традиционных источников излучения.

Поскольку решение названных проблем явилось бы - значительным вкладом в создание рациональных подходов к лечению рака, то данные проблемы являются актуальными.

Актуальность проведенных исследований подтверждается и тем, что данная диссертационная работа явилась результатом выполнения НИР то ваданию ГКНТ СССР (1980-1985гг. , 1986-1990 гг.,) и плана ыежотрасдевой научно-технической программы "Использовании исследовательских ядерных реакторов и ускорителей ь биологии и медицине" (1986-1990 ГГ.).

- б -

Цель и основные задачи исследования. Основная цель данной работы состоит в создании новых эффективных методов и устройств для физического и радиобиологического обеспечения первого в Российской Федерации центра нейтронной терапии злокачественных опухолей с применением циклотрона У -120.

Также ставится цель усовершенствования технологических характеристик бетатрона на 25 МэВ, примененного на первых этапах исследования в качестве источника фотонного излучения при нейтронно - фотонной терапии.

Кроме того, планируется провести работы по исследованию электронного пучка малогабаритного бетатрона 1ШВ-6Э, предназначенного для электронной и электронно-нейтронной терапии поверхностных злокачественных опухолей.

Основные задачи исследования состоят в следуктм^--

1. получить терапевтический пучок быстрых нейтронов на циклотроне У-120 и последовать его характеристики;

2. усовершенствовать ионизационный метод дозиметрии для смешанных полей гамма-нейтронного излучения;

3. экспериментально исследовать закономерности распределения поглощенной дозы пучка быстрых нейтронов циклотрона У - 120 в в однородной и гетерогенной тканеэквивалентной среде;

4. разработать метод расчета распределения поглощенной дозы быстрых нейтронов циклотрона У - 120 с учетом площади облучаемого поля, рассеяния нейтронов в ткани и угла падения пучка на тело пациента;

5. создать компьютерные программы для дозиметрического планирования курсов нейтронной и сочетанной гамма-нейтроной терапии злокачественных опухолей;

6. исследовать характеристики электронного пучка бетатрона ПМБ -63 для целей интраоперационной терапии и облучения поверхностных новообразований;

7. разработать новые устройства, улучшающие параметры терапевтического пучка тормозного излучения бетатрона Б-25;

8. разработать математические модели, позволяющие теоретически оценивать и прогнозировать степень эффективности нейтронной терапии по сравнению с гамма-терапией в зависимости от радиобиологических свойств опухолей;'

9. получить математические выражения, описывающие зависимость от дозы ОБЭ пучка быстрых нейтронов и на этой основе исследовать

- 7 -зависимость ОБЭ от глубины в облучаемой ткани и определить прогностическую значимость терапевтического фактора выигрыша (ТФВ).

10. разработать метод планирования режимов облучения в терапии злокачественных опухолей пучком быстрых нейтронов никлотропа У -120 на основе модели ВДФ (время -доза-фракционирование);

11. изучить возможность описания реакции гетерогенных злокачественных опухолей на облучение с помощью интегральных радиобиологических параметров;

12. разработать методы оптимизации режима фракционирования дози в гамма-и нейтронной терапии однородных и гетерогенных злокачественных опухолей.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней впервые:

детально во взаимосвязи изучены дозиметрические и радиобиологические характеристики взаимодействия терапевтического пучка быстрых нейтронов циклотрона У - 120 с биологической тісанью;

предложены и созданы новые дозиметрические средства для измерения поглощенных доз в смешанных гамма-нейтронных пучках;

разработаны методы, сочетающие дозиметрическое и радиобиологическое планирование терапии злокачественных опухолей пучкоы быстрых нейтронов циклотрона У-1"0 с помощью компьютерной техники;

разработаны новые устройства для формирования и контроле электронных и фотонных пучков;

разработаны системы управления пространственным половшем терапевтического пучка тормозного излучения бетатрона;

создан секторный контрактор бетатрона, повышавший интенсивность излучения и надежность работы ускорителя;

получены математические выражения, описывающие зависимость относительной биологической эффективности (ОКО и терапевтического фактора выигрыша (ТФВ) быстрых нейтронов от дози;

созданы математические модели нейтронной и нейтронно-фотонной терапии на основе концепции Эллиса - їильда, что позволяет оперативно изучать и прогнозировать эффективность лечения для опухолей с известными радиобиологическими параметрами;

разработана модель ВДФ с учетом поправок на крупное фракционирование, гетерогенность тканей, энергию излучения и оолучаемуь плопвдь;

изучена возможность описания реакции гетерогенных с.іу/. іл-їй на облучение с помощью интегральных радиобиологических пмрамеїр^ь;

разработан новый способ определения рх^г,і'..г:/уьсті.:.-.-л.;іОсіи пе

ревивных опухолей in vivo;

- изучен вопрос о применении модели ВДФ для пошаговой оптимизации лучевой терапии гетерогенных злокачественных опухолей.

Новизна исследований подтверждается 8-ю авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая значимость. Разработаны физические и радиобиологические основы обеспечения терапии злокачественых опухолей пучком быстрых нейтронов циклотрона У-120, что позволило впервые в Российской Федерации провести клинические испытания нового метода лечения онкологических заболеваний. За комплекс научных исследований по созданию центра нейтронной терапии на базе циклотрона У -120 НИИ онкологии г. Томска награжден бронзовой медалью ВДНХ СССР.

Результаты работы используются во Всероссийском федеральном ядерном центре-Всероссийском научно-исследовательском институте технической физики, где начаты работы по развитию средств лечения онкологических больных методом нейтронной терапии на базе генератора НГ-12 с энергией нейтронов 14 МзВ.

Исследования терапевтического электронного пучка малогабаритного бетатрона ПМБ-бЭ позволили впервые в России начать работы по интраоперационной лучевой терапии и впервые применить новый ускоритель ПМБ-6Э для лечения поверхностных новообразований.

Научно-технические разработки по системам управления терапевтическим пучком тормозного излучения Б-25 также внедрены в клиническую практику.

Результаты, полученные в работе могут быть использованы также в экспериментальной и теоретической радиобиологии, нейтронной и гамма-терапии злокачественных опухолей.

Практическая значимость выполненных исследований подтверждена актами внедрения результатов диссертационной работы.

На зациту выносится:

1.Результаты дозиметрических и радиобиологических исследований терапевтического пучка быстрых нейтронов циклотрона У-120.

2. Метод расчета и компьютерные программы для дозиметрического и радиобиологического планирования нейтронно-фотонной терапии злокачественных опухолей.

3. Устройства для формирования и контроля терапевтических электронных пучков.

4. Результаты дозиметрических исследований терапевтического

- 9 -электронного пучка малогабаритного бетатрона ПМБ-6Э.

5.Системы управления, улучшающие технологические параметры терапевтического пучка тормозного излучения бетатрона Б-25.

6. Методы расчета зависимостей ОБЭ и ТФВ нейтронов от дозы.

7. Подход к описанию реакции гетерогенных опухолей на радиационное воздействие с помощью интегральных радиобиологических параметров и способ их определения in vivo.

8. Математические модели для анализа и прогнозирования эффективности нейтронной и фотонной терапии.

9. Методы оптимизации режимов фракционирования дозы в лучевой терапии злокачественных опухолей.

Апробация результатов. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены более чем на 18 Всесоюзных и Всероссийских съездах и конференциях, а также на совещаниях и семинарах в различных научных учреждениях, в том числе на семинаре отдела лучевой терапии в Центральном институте исследования рака в ГДР (1986 г).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав и заключения. Она изложена на 346 страницах машинописного текста, включая 86 рисунков, 8 таблиц, оглавление и список цитируемой литературы из 219 наименований, в котором 82 источника зарубежных авторов.