Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы. Дозиметрическое и радиобиологическое обеспечение лучевой терапии онкологических больных 13
1.1. Повреждающее действие ионизирующего излучения при лучевом и комплексном лечении онкологических больных 13
1.2. Средства ограничения дозовых нагрузок на органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных. Понятие «Гарантия качества лучевой терапии» ...36
ГЛАВА 2. Материалы и методы экспериментальных исследований 57
2.1. Материалы и методы исследования характеристик имплантатов и инородных материалов 57
2.1.1. Методы оценки влияния конструкции аппарата Илизарова на ход дозного распределения 57
2.1.2. Методы исследования свойств материала костного цемента 61
2.1.3. Методы исследования конструкции для транспедикулярной фиксации 63
2.2.Методика установления новых критериев ограничения дозовых нагрузок на здоровые органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных 64
2.3.Материалы и методы исследований размера и плотности опухоли по рентгеновским изображениям 65
2.4.Метод количественной оценки состояния организма больного в процессе лечения 68
2.5. Общая характеристика клинического материала 75
ГЛАВА 3. Улучшение качества планирования облучения. новые критерии допустимых дозовых нагрузок на здоровые органы и тісани при проведении лучевой терапии онкологическим больным 77
3.1. Теоретическое обоснование новых критериев толерантности 77
3.2. Практическая реализация новых критериев толерантности на уста новках лучевой терапии 87
ГЛАВА 4. Дозиметрическое обеспечение качества лучевой терапии онкологических больных с имплантатами 119
4.1. Дозиметрическое обеспечение дистанционной лучевой терапии больных после остеосинтеза аппаратом Илизарова 120
4.2. Физико-техническое обеспечение лучевой терапии больных с костным цементом 127
4.3. Использование электронного микроскопического анализа для оценки структурных изменений в костях позвоночника при проведении лучевой терапии онкологических больных 134
ГЛАВА 5. Количественная оценка динамики опухоли и нормальных тканей по рентгеновским изображениям 146
5.1.Денситометрическая обработка рентгеновских изображений гомогенных объектов 146
5.2.Денситометрическая оценка рентгенотомографических изображений гетерогенных объектов 159
З.З.Денситометрия рентгеновских компьютерных томограмм 170
ГЛАВА 6. Клиническая составляющая гарантии качест ва лучевой терапии: оценка состояния организма в процессе лечения нкологических больных 184
6.1.Кровь- индикатор состояния организма и его систем 184
6.2.Математическая основа алгоритма АКС 186
б.З.Испрользование метода АКС для количественной оценки статуса он кологических больных в процессе лечения 200
Заключение 217
Приложение 1 228
Приложение 2 238
Литература 239
- Повреждающее действие ионизирующего излучения при лучевом и комплексном лечении онкологических больных
- Методы оценки влияния конструкции аппарата Илизарова на ход дозного распределения
- Теоретическое обоснование новых критериев толерантности
- Дозиметрическое обеспечение дистанционной лучевой терапии больных после остеосинтеза аппаратом Илизарова
Введение к работе
Лучевая терапия злокачественных опухолей относится к числу специальных методов лечения, применяемых как с радикальной, так и с паллиативной целью. Лучевая терапия также является одним из компонентов комплексного лечения онкологического больного [Алиев Б.М, 1978г., Киселева Е.С.,1996, Голдобенко Г.В.,1996, Трахтенберг А.Х., Дарьялова С.Л.,1989, Важенин А.В.,2001]. В России лучевую терапию получают менее 30% онкологических больных, в развитых странах - 70% в плане самостоятельного, комбинированного (облучение+операция) или комплексного (облучение+химиотерапия) лечения [Цыб А.Ф., Мардынский Ю.С., Паньшин Г.А.,2001, Ратнер Т.Г., Фадеева М.А., 1982, Переслегин И.А., Саркисян Ю.Х.,1973]. В России для этих целей функционирует 130 отделений лучевой терапии, эксплуатируется 175 гамма-терапевтических установок, 40 ускорителей заряженных частиц и более 300 рентгено-терапевтических аппаратов [Ставицкий Р.В., 2000].
Задача подведения канцероцидной дозы к опухоли является первостепенной. Однако развитие лучевых методов лечения в значительной мере ограничено ранними лучевыми реакциями и поздними лучевыми повреждениями нормальных, окружающих патологический очаг, тканей. Задача снижения лучевых повреждений здоровых органов и тканей при проведении лучевой терапии, поиск методов, позволяющих предупредить и количественно зарегистрировать их, актуальна в настоящее время. Лучевые повреждения, в конечном счете, повышают риск возникновения индуцированных раков, могут привести к гибели больных.
Изучение частоты лучевых повреждений кожи и подлежащих тканей, окружающих патологический очаг, проведенное сотрудниками Отделения лучевых повреждений МРНЦ РАМН в г. Обнинске показало, что, спустя 5 лет и более после облучения, местные лучевые повреждения отмечены у 41,5% больных. [Киселева Е.С., Голдобенко Г.В., Канаев СВ. и др.,1996, НКДАР ООН, 1993]. В настоящее время частота поздних лучевых повреждений кожи и подлежащих тканей в нашей стране колеблется в пределах 10%, что соответствует аналогичному показателю в других странах. Установлен также факт наличия отчетливой дозовой зависимости подавляющего большинства изменений, вызываемых облучением в организме, в том числе, гематологических [ Воробьев А.И., Лорие Ю.И., 1979, Гительзон И.И.,1990, Зубрихина Г.Н.,1971, Козлов В А Исамов Н.Н, Грудина Н.В., 2001].
Хорошо развита структура мероприятий и методов снижения лучевых нагрузок на органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных. В этой связи в области клинической дозиметрии в шестидесятые годы в Европе начало интенсивно развиваться направление, главной целью которого было развитие комплекса мероприятий по повышению качества лучевого лечения больных - Гарантия качества лучевой терапии (ГКЛТ). Программа включала в себя комплекс технических, дозиметрических, метрологических, клинических и организационных мероприятий [ESTRO report,1995, ААРМ TG №40,45,1994,ААРМ TG № 35, TG № 50,1993, J.Purdy,1996, ESTRO report,199S, Горлачев Г.Е.,Ратнер Т.Г., Лебеденко И.М.,1999, Ставицкий Р.В., Лебеденко И.М.,2000, A.Dutreix, S.Derreumaux et al.,1999,Z.Kolitsi,O.Dahl, R.Van.Loon et al,1997].
Кроме этого, в течение нескольких десятилетий интенсивно развиваются радиобиологические методы регистрации и ограничения дозовых нагрузок при лучевой терапии онкологических больных. Основной задачей радиобиологии является разработка оптимальных режимов лучевых методов лечения опухолей с учетом кинетики биологических процессов, определяющих различия в реакциях опухолевых и нормальных клеток на облучение, то есть, радиочувствительности [Ярмоненко СП., Вайнсон А.А., Календо Г.С., 1976, Cohen L.,Creditor М, 1983, Чехонадский В.Н., 1999, Эмануэль Н.М., 1977, NCRP, report №64, МКРЗ №60, Харченко В.П., 1994, Ставицкий Р.В. с соавт., 2000, Пе-тинВ.Гидр., 1989, BorgerJ.H., Kemperman Н., Smitt Н., 1994, Акоев И.Г., Максимов Т.К., Тяжелова В.Г., 1981]. Тем не менее, актуальность темы снижения лучевых повреждений возрастает, в том числе, для больных с патологиями опорно-двигательного аппарата в сочетании с использованием инородных материалов.
В результате усовершенствования знаний об особенностях опухолей костей, успехов хирургии, разработки методов химио-лучевого лечения, получили признание сохранные операции: сегментарные резекции с замещением ауто, аллотрансплантатом, эндопротезирование различных сегментов с последующим применением лучевого лечения [Алиев М.Д., 1992, Зацепин СТ., 1984, Трапезников Н.Н., 1990].
Развивающиеся в онкологической хирургии тенденции по замещению дефектов, костей и фиксации костных фрагментов; применению инородных материалов у больных в виде искусственных имплантатов и эндопротезов сопряжено само по себе с высокой частотой ранних и поздних осложнений (гнойно-воспалительных и механических), которые составляют до 52% [Трапезников Н.Н., Алиев М.Д., 1992г, Алиев М.Д., Тепляков В.В., 2000г.]. Количество больных с имплантатами, подверженных лучевой терапии, от общего числа проходящих лучевую терапию составляет... 1%. Требуется нетрадиционный подход и расширенные исследования при подготовке таких больных к облучению в связи с лучевыми повреждениями, обусловленными инородными материалами и которые, тем самым, могут усугубить положение больного.
Лучевые повреждения при облучении больных с имплантатами возникают как в местах соприкосновения искусственных тканей имплантата с тканью человека, так и при внешнем (по отношению к телу человека) расположении металлических конструкций. Возникновение повреждений связано с возмущением дозного распределения на границе объектов с сильно различающимися атомными номерами, которое может изменяться от 20 до 60% в зависимости от состава пограничных материалов и энергии излучения [Ставицкий Р.В., Хе-теев М.В., 1974г, Горлачев Г.Е., 1997г, ААРМ, 2003г.]. Для обеспечения качества лучевого лечения этой категории больных необходима оценка механических свойств костных имплантатов после воздействия на них ионизирующего излучения в условиях «ношения».
Первостепенной по-прежнему является задача обеспечения качества облучения опухоли повреждающей дозой при сохранении высокого терапевтического индекса, В этой связи актуально развитие аналитических методов, осуществляющих количественную регистрацию динамики опухоли и состояния организма больного в процессе лечения и позволяющих развить клиническую составляющую гарантии качества лучевой терапии. Цель исследования.
Повышение гарантии качества лучевого лечения и снижение лучевых повреждений онкологических больных за счет новых теоретических разработок и клинико-дозиметрического обеспечения лучевой терапии. Задачи исследования.
1. Разработать комплекс методик и мероприятий, направленных на снижение лучевых повреждений онкологических больных при сохранении адекватной дозы в опухоли.
2. Разработать новые критерии допустимых дозовых нагрузок на окружающие патологический очаг органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных.
3. Предложить способы практической реализации новых критериев толерантности на гамма - установках и ускорителях.
4. Разработать для практического использования новые таблицы значений толерантных доз в единицах ВДФ и НСД, соответствующие новым критериям толерантности.
5. Адаптировать новые методы и средства предварительной экспериментальной оценки лучевых повреждений у больных с имплантатами: аппаратом Илизарова, костным цементом, транспедикулярными фиксаторами.
6. Сопоставить физико-дозиметрические экспериментальные оценки проведения лучевой терапии онкологических больных с имплантатами с клиническими наблюдениями. 7. Разработать новые количественные критерии оценки изменения опухолевой и нормальной тканей по рентгеновским изображениям.
8. Адаптировать в онкологической практике клиническую составляющую гарантии качества лучевой терапии, включающую индивидуальную оценку состояния организма в процессе лечения.
Научная новизна.
Разработан комплексный подход снижения лучевых повреждений онкологических больных и обеспечения гарантии качества лучевой терапии, включая клиническую составляющую.
Впервые адаптированы из других областей физики в клиническую дозиметрию новые методы и средства оценки физико-дозиметрических свойств инородных материалов в онкологической ортопедии при проведении лучевой терапии онкологических больных.
Впервые предложены новые критерии допустимых дозовых нагрузок на органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных.
Получены для практического использования новые таблицы толерантных значений доз ВДФ и НСД, соответствующие новым критериям толерантности.
Проведен анализ и выбор оптимальных, с точки зрения лучевых нагрузок на здоровые органы и ткани, планов облучения больных в соответствии с новыми критериями толерантности.
Впервые разработаны новые количественные критерии оценки изменения опухолевой и нормальной тканей по рентгеновским изображениям.
Проведены пилотные исследования клинической составляющей гарантии качества лучевой терапии (метод АКС), позволяющей численно оценить непосредственную индивидуальную реакцию больного на лучевое и комплексное лечение. Практическая значимость.
Новая регламентация толерантности позволит снизить лучевые нагрузки на окружающие патологический очаг органы и ткани, попадающие в зону облучения. Это уменьшает вероятность возникновения лучевых осложнений. Полученные новые значения ВДФ и НСД позволят использовать, новые критерии толерантности для различных режимов фракционирования лучевой терапии.
Новые методы и средства оценки физико-дозиметрических свойств и химического состава инородных материалов в онкологической ортопедии при проведении лучевой терапии онкологических больных позволяют предупредить лучевые повреждения.
Разработанная методика компьютерной обработки рентгеновских изображений обладает более высокой чувствительностью регистрации изменений в опухоли и нормальных тканях по рентгеновским изображениям и компьютерным томограммам по сравнению с традиционными методами.
Клиническая составляющая программы гарантии качества лучевой терапии, включающая оценку состояния организма в процессе лечения, позволяет определить статус онкологического больного при проведении лучевого и комплексного лечения. Эти сведения являются ценными для прогноза исхода заболевания и качества жизни больного.
Конкретное личное участие автора в получении научных результатов, изложенных в диссертации.
Автор начал заниматься проблемой в 1994 году. Автором самостоятельно выбрано направление, спланированы все этапы работы. Все экспериментальные исследования, измерения, расчеты, таблицы, денситометрический анализ динамики опухоли, ретроспективный и проспективный количественный анализ общего состояния больных во время лечения организованы и выполнены автором самостоятельно. Вся обработка и научный анализ материала проведены при его непосредственном участии. Положения, выносимые на защиту.
На защиту вынесены четыре новых направления повышения гарантии качества лучевой терапии онкологических больных:
новые критерии допустимых дозовых нагрузок на органы и ткани при проведении лучевой терапии онкологических больных; методы и средства оценки физико-дозиметрических свойств инородных материалов в онкологической ортопедии при проведении лучевой терапии онкологическим больным;
количественные критерии оценки изменения опухолевой и нормальной тканей по рентгеновским изображениям;
технология, позволяющая численно оценить непосредственную индивидуальную реакцию больного на лучевое и комплексное лечение.
Повреждающее действие ионизирующего излучения при лучевом и комплексном лечении онкологических больных
Высказанные в начале века выдающимся хирургом и травматологом Академии хирургической клиники при военно-медицинской академии слова по поводу травматических повреждений тела человека звучат также актуально в наше время в связи с повреждениями, возникающими у онкологических больных не только при хирургическом, но лучевом и комплексном лечении.
Задача снижения лучевых повреждений здоровых органов и тканей при подведении к опухоли повреждающей дозы, поиск методов, позволяющих предупредить и количественно зарегистрировать их, актуальна по настоящее время. Рассмотрим повреждения, возникающие в окружающих патологический очаг органах и тканях, при проведении лучевого и комплексного лечения. 1.1 .Повреждающее действие ионизирующего излучения при лучевом и комплексном лечении онкологических больных. Использование ионизирующего излучения для терапевтических целей широко распространено в мире. Медицинское облучение преследует клинические цели излечения рака у пациента, подвергаемого облучению [ICRU Report №50, 1993, Lanson J.,Essers М.,1999, Williams J., Thwaites D.,1993, НКДАР ООН, 2001], или облегчение симптомов болезни. Терапевтическое облучение сопряжено с дозами, подводимыми к объему опухоли в диапазоне 20-60 Гр и более. Лучевая терапия злокачественных опухолей является одним из компонентов комплексного лечения онкологического больного [Киселева Е.С.,1996, Голдо бенко Г.В.,1996, Трахтенберг А.Х., Дарьялова С.Л.,1989, Харченко В.П.,2001, ВаженинА.В.,2001].
Развитие лучевых методов лечения в значительной мере ограничено реакциями и лучевыми повреждениями нормальных тканей. Успех лучевой терапии по данным экспертов ВОЗ на 25% зависит от выбора рационального плана лечения и точности его проведения при каждом сеансе облучения (...на 50% от радиочувствительности опухоли и на 25% от аппаратного оснащения) [МКРЕ, публ.№30, 1984, Ставицкий Р.В.,2000]
Лучевыми повреждениями называются такие последствия облучения, которые могут привести к необратимым изменениям организма и его систем и, в крайнем случае, гибели больного. Появляющиеся в результате радиационного воздействия лучевые повреждения можно подразделить на местные и организ-менные.
Первая группа повреждений появляется в результате облучения здоровых органов и тканей, находящихся в поле и в непосредственной близости от поля облучения патологического очага. К ним, например, можно отнести повреждения кожных покровов (эритема, эпидермит, некроз, дерматит, лучевые язвы), легочной ткани (кашель,одышка, пневмония, пневмофиброз и др.),слизистых оболочек (гиперемия, геморрагические отеки, изъязвления, некрозы, атрофия и др.). Аналогичные повреждения могут появляться в других органах и тканях.
Организменные повреждения проявляются в виде изменений работы систем организма больного, обусловленных нарушением их функций (изменения в системе кровоснабжения, сердечно-сосудистой и др.).
Местные лучевые повреждения, развивающиеся в области поля облучения, разделяются на ранние и поздние. Ранние лучевые повреждения - это повреждения, возникающие в процессе лучевой терапии или первых трех месяцев после облучения. Такое ограничение установлено в соответствии с результата ми радиобиологических исследований, показавших, что это крайний срок восстановления сублетального повреждения клеток [Ярмоненко СП., Коноплянни-ков А.Г., Вайнсон А.А., 1992, Бардычев М.С. и др. 1985, Бардычев М.С, Каца-лан С.Н. 1995, Бойко А.В., Голдобенко Г.В., Канаев СВ.,1995, НКДАР ООН,1985, Исамов Н.Н., Шевченко Т.С и др.,2001]. Поздними считают местные лучевые повреждения, развившиеся после указанного срока, часто через много лет.
Частота и тяжесть повреждения окружающих здоровых тканей зависят от многих факторов [Жолкивер К.И., Зевриева И.Д., 1983, Холин В.В., 1973, 1979, Ярмоненко СП. и др.1976, Cohen Z, Creditor М., 1983, , Рябухин Ю.С, 2000], а именно: суммарной поглощенной дозы; продолжительности облучения; длительности периода после лучевой терапии; облучаемого объема; распределения дозы в облучаемом объеме; энергии излучения.
Тем реже наблюдаются местные лучевые повреждения, чем реже суммарная поглощенная доза превышает толерантность органов и тканей.
Толерантными (или допустимыми) называются такие поглощенные в здоровых органах и тканях дозы излучения, после подведения которых у 5% больных в течение 5 лет после облучения возникают лучевые повреждения. Ряд авторов считают толерантным 50% уровень вероятности возникновения лучевых повреждений в течение того же срока [Холин В.В., 1973, 1979, Ярмоненко СП. и др.1976, Cohen Z, Creditor М., 1983, Вайнберг М.И.,1977, Rubin P., Casarett G.,1972].
Оценочные значения толерантных доз при облучении отдельных здоровых органов и тканей применительно к гамма-излучению Со60, соответствующие 5% риску возникновения повреждений у взрослых в течение пяти лет после облучения, приведены в табл.1. Данные табл.1 свидетельствуют о том, что толерантные значения доз зависят от радиочувствительности и различны для органов и тканей. Различие может быть четырех - пятнадцати кратным (кожа-до 50Гр, почки, яички -13 и ЗГр).
Методы оценки влияния конструкции аппарата Илизарова на ход дозного распределения
В комплексном и комбинированном лечении больных с патологическими переломами после остеосинтеза аппаратом Илизарова используется лучевая терапия. Внутренние фрагменты аппарата Илизарова (металлические спицы), попадающие в зону облучения, оказывают определенное влияние на характер дозного распределения. Естественно, что внедрение в биологическую ткань материалов, с отличающимся атомным номером Z и плотностью р, должно привести к деформации дозного распределения вблизи пограничных поверхностей , в зонах отсутствия электронного равновесия в биологической ткани. Внешний фрагмент конструкции аппарата Илизарова, попадающий в поле излучения, является одновременно и источником рассеянного излучения и поглотителем. В связи с этим проведен ряд дозиметрических исследований, оценивающих влияние материала конструкций аппарата Илизарова на дозное распределение в облучаемом участке тела больного.
Для полноценной характеристики лучевого поражения кожи с аппаратом Илизарова необходимо определение дозовых нагрузок на каждую из ее составляющих. Было проведено исследование кривых возрастания ионизации на гам ма-терапевтической установке РОКУС и ускорителе электронов SL-20 фирмы PHILIPS (Англия).
Лечение больных с аппаратом Илизарова осуществлялось на гамма-терапевтических аппаратах и линейных ускорителях электронов разовой очаговой дозой от 2 до 4 Гр, суммарной - от 20 до 60 Гр. Проведены следующие исследования:
- Исследован ход кривых возрастания ионизации для фотонного излучения (б0Со, тормозное излучение с энергиями 6 и 18 MB) при проведении лучевого лечения онкологическим больным с аппаратами для чрескостного остео-синтеза.
- Оценена равномерность дозного распределения под конструкциями аппарата Илизарова вдоль облучаемой поверхности конечности больного с помощью in-vivo дозиметрии.
Натурные (in vivo) исследования равномерности распределение дозы проводились непосредственно на облучаемой поверхности пациента во время сеансов облучения на ускорителе электронов Clinac-2100C (Varian, США
При исследовании дозиметрических характеристик фотонных пучков использовались следующие устройства и оборудование: Плоскопараллельная ионизационная камера типа NACP - 01, S/N Об 10 (Швеция); М Полупроводниковые кремниевые детекторы с р-n переходом (регистраторы дозы на больных) с крышкой из нержавеющей стали для фотонов с энергиями 0-20 MB с наружными размерами 6 и 12 мм в комплекте с прямопока-зывающим шестиканальным монитором дозы DPD - 6 (Therados, Швеция); ? Прямопоказывающий пятиканальный монитор дозы, предназначенный для регистрации дозы на больных во время сеанса облучения DPD - 510 (Scan-ditronix, Швеция); ? Электрометр-дозиметр типа Victoreen модель 500 S/N 1087 (Victoreen , США); ? Электрометр-дозиметр типа Keithley модель 35040 ( США); Тканеэквивалентный материал - «твердая вода» с плотностью р = 1,045 г/см3 (Varian, США).
В общем случае для определения поглощенной дозы излучений любого качества пучков с энергией 1 - 50 MB используются цилиндрические камеры [ NACP.,1979г.]. Для низкоэнергетических электронов и поверхностных изучаемых нами доз цилиндрические ионизационные камеры непригодны, так как они создают недопустимо большое искажение флюенса электронов в точке интереса. Поэтому для таких случаев рекомендуется плоскопараллельная ионизационная камера.
Плоскопараллельная ионизационная камера рекомендована Нордической ассоциацией клинических физиков (NACP) в 1980 году к использованию для дозиметрии поверхностных доз (глубина расположения точки измерения h = 0 -10 мм) и электронных пучков с энергиями до 15 МэВ. (NACP, 1980, Н. Svens-son, A. Nahum, N. Ulso, A. Brahme и др., 1980г.). Эффект искажения в камере (переноса флюенса электронов) сведен к минимуму благодаря тонкому воздушному зазору (до 2 мм) и наличию защитного кольца. Собирающий электрод имеет толщину менее 0,1 мм и укреплен на тонком изоляционном слое (« 0,2 мм) для сведения к минимуму эффекта полярности. Передняя и задняя стенки выполнены из графита. Толщина передней стенки из графита 0,5мм, что эквивалентно - 0,9 мм воды. Это позволяет выполнять измерения на малых глубинах. Внешний диаметр собирающего электрода - 2 см.
Полупроводниковые детекторы (ППД) в сочетании с шестиканальным монитором дозы предназначены для прямого измерения дозы, получаемой пациентом во время процедуры облучения. Детекторы позволяют оценить воспроизводимость укладок, обнаружить систематические и случайные ошибки в методике облучения, положении пациента и качестве работы персонала и установки для облучения [Nilsson В.,1988г., Rikner G., 1997г.]. Полупроводниковые детекторы заключены в капсулы с кабелем длиной 1,5 м.
В эксперименте были использованы ППД типов: А: С крышкой из оргстекла для Со, наружные размеры 5 мм и 12 мм. В: С крышкой из нержавеющей стали (2,2 мм) для фотонов 4-10 MB, 8-20 MB. Наружные размеры: диаметр 6 мм.
Полный перечень факторов, влияющих на показания ППД хорошо изучен, представлен в литературе [ Rikner G.,1997г. ] и включает в себя: зависимость чувствительности детекторов от температуры и накопленной дозы, энергетическую зависимость («ход с жесткостью»), зависимость показаний ППД от направления падения пучка излучения на поверхность детектора и т.д.(на поверхности больного детекторы желательно расположить так, чтобы пучок был направлен перпендикулярно оси детектора или под небольшим (± 30) углом.
Заранее оцениваемая суммарная погрешность регистрации дозы учитывает перечисленные поправки и выражается в виде суммарного поправочного коэффициента 1.
Процедуре проведения измерений предшествует процедура калибровки ППД. Результатом ее являются поправочные коэффициенты кш для каждого из шести детекторов. Процедура калибровки стандартна и приводится в литературе. Основная схема и условия калибровки детекторов в нашем случае выглядят следующим образом: на поверхность тканеэквивалентного фантома размером 30 30 см2 в зону равномерного облучения (100% изодозы) помещаются полупроводниковые детекторы. На глубине дозного максимума пучка фотонов с выбранной энергией в том же фантоме помещается эталонная ионизационная камера. Размер поля на диафрагме устанавливался равным 3=20 20 см . Расстояние от источника до поверхности фантома РИД - 100 см - для ускорителей электронов и 74,5см - для гамма-терапевтических установок.
Теоретическое обоснование новых критериев толерантности
Учет степени радиационного повреждения органов и тканей в лучевой терапии осуществляется по толерантным дозам [Жолкивер К.И., 1983, Холин В.В., 1979, Ellis F., 1967, Cohen L., 1983]. При установлении величин толерантных доз в качестве критерия облучения здоровых органов или тканей использовались сведения о клинических проявлениях результата лучевой терапии, которые возникают при значительных дозах облучения (табл. 1,6) [Публикации МКРЗ, № 41, 1987, № 60, 1994, НКДАР ООН, 1993]. При этом лучевые осложнения в процессе лучевой терапии большинства онкологических заболеваний сохраняются [Алиев Б.М., 1978, Колосов А.Е., 1995, Киселева Е.С., 1993].
В главе 1 был представлен подробный материал, касающийся толерантных доз облучения. С другой стороны, в отличие от клинических подходов к оценке толерантных доз, имеется иной критерий оценки степени повреждения здоровых органов и тканей при радиационном (однократном и фракционированном) воздействии.
В практике радиационной безопасности существует понятие «дозы детерминированного эффекта» [Публикации НКДАР ООН, 1993, МКРЗ № 41,1987 г., № 60, 1994г.], то есть непосредственного эффекта облучения .
По существу, толерантные дозы и дозы детерминированных эффектов -одно и то же понятие, отражающее предельные значения доз облучения органов и тканей. Отличие заключается в том, что первые были получены в результате наблюдения за больными, прошедшими лучевую терапию по поводу онкологических заболеваний. Вторые - для популяционных категорий, подверженных облучению в принципиально иных условиях, а именно: пациентов, облученных по поводу неонкологических заболеваний; профессионалов, работающих на ядерных установках (при авариях); населения, пострадавшего при ядерных взрывах.
При этом, как будет показано ниже, существует количественное различие в толерантных дозах и дозах детерминированных эффектов облучения. В работе предлагается новый подход учета вреда облучения отдельных органов и тканей, заимствованный из практики радиационной защиты и основанный на понятии «дозы детерминированного эффекта» для использования его в практике лучевой терапии.
Проведен анализ ряда публикаций и материалов, содержащих сведения об уровнях толерантных доз и дозах детерминированных эффектов [Рудерман А.И., Вайнберг М.И., Жолкивер К.И., 1977; Жолкивер К.И., 1983, Ярмоненко СП., Вайнсон А.А., Календо Г.С., 1976, Cohen L., Creditor М., 1983, Чехонад-ский В.Н., 1999, Эмануэль Н.М., 1977, NCRP, report № 64, Ставицкий Р.В. с со-авт., 2000, Петин В.Г и др., 1989, Borger J.H., Kemperman Н., Smitt Н., 1994, Акоев И.Г., Максимов Т.К., Тяжелова В.Г., 1981, публикации НКДАР ООН, 1993, МКРЗ № 41, 1987г.,№ 60,1994г.].
По определению, данному в документе публикации №60 МКРЗ, доза детерминированного эффекта - это « такая доза общего или локального облучения тканей, которая вызывает гибель некоторой части клеток, которая не может быть скомпенсировано размножением жизнеспособной части клеток. Происшедшая потеря клеток может вызвать тяжелые и обнаруживаемые клинические нарушения функций ткани или органа». Сущность определения дозы детерминированного эффекта совпадает с сущностью определения толерантной дозы, представленного в начале первой главы настоящей работы.
Выраженность детерминированного эффекта зависит от дозы и имеет порог, ниже которого потеря клеток достаточно мала, чтобы заметить нарушение функции ткани или органа. Кроме гибели клеток излучение может повредить ткани и другими способами: влияя на многочисленные функции ткани, включая регулирование клеточных компонентов; воспалительные реакции с изменением проницаемости клеток и тканей; естественную миграцию клеток в развивающихся органах и косвенные функциональные эффекты (например, облучение гипофиза влияет на эндокринную функцию в других тканях). Все это играет роль в определении степени тяжести детерминированных эффектов.
Гибель клеток является основным, но не единственным процессом, вовлеченным в детерминированные эффекты. Пока доза невелика, большинство типов клеток обычно не погибает сразу после облучения, но может продолжать функционировать вплоть до начала деления. Затем эта попытка может потерпеть неудачу, скорее всего из-за тяжелого повреждения хромосом, и клетка погибает. В то же время, гибель отдельной клетки в ткани может рассматриваться как случайный эффект. Совокупный эффект гибели большой доли клеток ткани или других форм повреждения является детерминированным.
При превышении порогового значения дозы детерминированные эффекты необратимы - происходит существенное повреждение большого числа клеток, нарушается функция облученного органа, появляются плохо поддающиеся лечению повреждения. Примерами таких функциональных изменений, которые могут произойти, являются снижение секреции слюнных и эндокринных желез, изменение энцефалографических ритмов или ретинограммы, сосудистые реакции вроде ранней эритемы кожи (вызванной выделением гистамина) или подкожного отека, подавление иммунной системы и т.д. Эти функциональные эффекты могут иметь клинически важные последствия, особенно нервной и иммунной систем. Дисфункция может возникнуть в результате взаимодействия с функциями других тканей. Общим свойством при не слишком больших дозах является обратимость происходящих эффектов.
На основании тщательно проведенного анализа перечня публикаций и, в частности, материалов Научного Комитета по Действию Атомной Радиации ООН (НКДАР ООН) и Международного Комитета по Радиационной Защите [Публикации НКДАР ООН, 1993, МКРЗ № 41,1987г., № 60,1994г.] нами сделано заключение о том, дозовые пороги детерминированных эффектов ниже уровней толерантных доз. Значения дозовых порогов детерминированных эффектов приведены в табл.12.
Способы получения пороговых значений толерантных и доз детерминированных эффектов отличаются по существу. Первые определяются непосредственно врачом-радиологом по результатам клинических наблюдений за больными. Они зачастую не имеют количественного выражения и характеризуются индивидуальной чувствительностью пациента и самой опухоли к облучению, а также индивидуальным восприятием лечащего врача (квалификацией, компетенцией, обеспеченностью клиническим диагностическим оборудованием и т.д.).
Дозиметрическое обеспечение дистанционной лучевой терапии больных после остеосинтеза аппаратом Илизарова
Для равномерных сред глубина области возрастания ионизации меняется соответственно изменению энергии фотонного излучения. Кривую возрастания ионизации получают экспериментальным путем в условиях коллимированного облучения тканеэквивалентной среды. Кривая возрастания ионизации (дозы)-это участок глубинного распределения дозы до области электронного равновесия (дозного максимума).
Для получения кривых возрастания ионизации пучка фотонного излучения при наличии фрагмента конструкции аппарата Илизарова в поле излучения нами была создана схема установки, приведенная на рис. 40.
Эксперимент проводился на гамма - терапевтическом аппарате РОКУС (Россия) и линейном ускорителе электронов SL-20 фирмы PHILIPS (Англия) при расстояниях источник - поверхность ионизационной камеры, соответственно, РИП = 75 см и 100 см, размере диафрагмального поля Бд — 10 10 см2,20 20 см2, энергиях пучков фотонного излучения 1,25; 6 и 18 MB. конструкция аппарата Илизарова плоско-параллельная ионизационная камера головка гамма-аппарата ткана зкви -валентная пластина с плосквпарал лелькой камв рой ПОВЕРХНОСТЬ стопа Рис. 40. Схема установки получения кривых ионизации при наличии фрагмента конструкции аппарата Илизарова в поле излучения. R - расстояние от края конструкции аппарата Илизарова до поверхности плоскопараллельной камеры; Ri- расстояние от ионизационной камеры до максимально удаленной стены составляет более четырех метров для обеспечения минимального вклада обратного рассеяния от окружающих предметов в показания ионизационной камеры. Тканеэквивалентный фантом помещался на терапевтическом столе в вертикальном положении. Головка гамма - терапевтического аппарата или ускорителя разворачивалась на 90.
Фрагмент конструкции аппарата Илизарова является одновременно и источником рассеянного излучения и поглотителем излучения. Причем, во втором качестве в большей степени, так как показания ионизационной камеры при расположении конструкции по центру поля несколько ниже, чем в открытом пучке. Например, для Со и поле S=10X10CM на 15 - 23% (табл.20). Указанные в таблице глубины характеризуют толщину фантомного тканеэквивалентного материала над поверхностью камеры. В процессе эксперимента использовались три схемы расположения тени узла конструкции аппарата Илизарова по отношению к центру светового поля (рис. 41). Данные табл. 20 показывают существенное различие дозы при положении конструкции по центру и сбоку по отношению к открытому полю.
На основании отнормированных данных (табл. 21) построены кривые возрастания ионизации для открытых полей и с конструкцией аппарата Илизарова по центру поля для пучков тормозного излучении с энергиями 1,25; 6 и 18 MB, отражающие динамику накопления дозы в радиочувствительных слоях кожи человека (от 1 до 5 мм) при облучении конечностей больных с аппаратом Илизарова (рис. 42). Как видно из графика, наличие конструкции по центру поля практически не меняет хода кривой возрастания ионизации, полученной в открытом пучке для Со . Это означает, что отсутствие смещения дозного максимума к поверхности, полученное с помощью указанных измерительных средств, позволяет не опасаться усиления кожных реакций у такого рода больных.
Для пучков тормозного излучения с энергиями б и 18 MB происходит несущественное смещение кривых возрастания ионизации к поверхности в пределах 0,4 мм, и соответствует увеличению дозы на поверхности (h = 0мм) в пределах 4-5%. Это, вероятнее всего, также не должно привести к усилению кожных реакций при облучении конечностей больных с конструкцией аппарата Илизарова, так как глубина максимального накопления дозы для пучков с такими энергиями соответствует глубинам 1,5 см и 3 см, соответственно.
То есть, другими словами, расположены гораздо глубже измеряемых глубин. Наличие же уменьшения дозы непосредственно под и вдоль крепежного стержня аппарата Илизарова для трех исследованных энергий излучения приводит к необходимости вывода этой части конструкции за пределы поля облучения.
