Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Ядерная медицина и её становление 18
1.1. Зарождение традиционной лучевой терапии 18
1.2. Адронная терапия 22
1.3. Ядерная медицина, томография и её роль в задачах адронной терапии 26
1.4. Краткие выводы к главе 1 31
ГЛАВА 2. Основы компьютерного моделирования ионизирующих излучений 34
2.1. Общие положения 34
2.2. Основы моделирования физических взаимодействий в Geant4 36
2.3. Краткое описание модели электромагнитных взаимодействий 41
2.4. Адронные взаимодействия в Geant4 43
2.4.1. Сечения реакций 43
2.4.2. Упругие взаимодействия 45
2.4.3. Неупругие взаимодействия, модели двойного каскада, каскада Бертини, Леже, квантовая хромодинамика 46
2.5. Программно-алгоритмический инструментарий NPLibrary 51
2.6. Краткие выводы к главе 2 58
ГЛАВА 3. Характерные особенности практического моделирования адронных взаимодействий в задачах радиобиологии 59
3.1. Общие понятия биологического действия ионизирующих излучений 59
3.2. Математическое моделирования спектра вторичного излучения при облучении нейтронами 14.5 МэВ 64
3.3. Математическое и физико-дозиметрическое обеспечение экспериментов на углеродном пучке 69
3.4. Краткие выводы к главе 3 96
ГЛАВА 4. Всестороннее обеспечение задач адронной лучевой терапии пациента 99
4.1. Медицинские специалисты в лучевой терапии 99
4.2. Концептуальная модель комплексного обеспечения лучевой терапии 103
4.3. Новая воксельная модель представления пациента для дозиметрического планирования адронной терапии 111
4.3.1. Агрегация вокселей на основе медианных значений 112
4.3.2. Построение и обработка срезов в произвольном направлении 114
4.3. Краткие выводы к главе 4 120
Выводы 121
Заключение 121
Список литературы 124
- Ядерная медицина, томография и её роль в задачах адронной терапии
- Краткое описание модели электромагнитных взаимодействий
- Математическое моделирования спектра вторичного излучения при облучении нейтронами 14.5 МэВ
- Агрегация вокселей на основе медианных значений
Введение к работе
Актуальность темы. Адронная лучевая терапия – это один из видов дистанционной радиотерапии для лечения онкологических заболеваний с применением пучков протонов, нейтронов или ионов. Физический принцип действия протонов и ионов основан на наблюдаемом явлении роста сечения взаимодействий в конце пробега частиц (D. Wagenaar, 1993). Это приводит к формированию так называемого пика Брэгга (W. Bragg, 1905), что, в свою очередь, означает неравномерное распределение дозы по длине пробега адрона - большая часть энергии выделяется в конце пробега. Таким образом, можно облучать опухолевый объем, залегающий на любой глубине в теле пациента, одновременно минимизируя дозу на окружающие здоровые ткани (U. Linz, 2012). Нейтроны, являясь косвенно ионизирующим излучением, испытывают ядерные взаимодействия в мишени и порождают протоны и ионы (R. Caswell, 1980, 1983). Биологический принцип действия ионизирующих излучений основан на их способности вызывать гибель живых объектов в зоне облучения, предположительно действуя, главным образом, на молекулы ДНК клетки, с образованием одинарных, двойных и кластерных разрывов, что приводит к невозможности репарации таких клеток силами организма (G. Kraft, 2000).
Следует отметить то, что первые сообщения о принципиальной возможности применения адронов в лучевой терапии (E. Lawrence, 1932) и первом клиническом опыте (R. Wilson, 1946), были опубликованы ещё в первой половине XX века. Однако несмотря на двадцатилетний накопленный опыт практического медицинского применения (начиная с создания протонного центра Loma Linda, США, 1991, более 40 действующих центров протонной и 10 центров ионной лучевой терапии (по данным на лето 2016 года), вопросы равномерности, точности доставки дозы, гарантии качества лучевой терапии и адекватности используемых физических моделей описания физического и биологического действия адронного излучения поднимаются и в настоящее
время (A. Kraan, 2015). В этой связи актуальными остаются задачи как систематизации накопленного опыта по практическому применению адронных пучков, так и создания единой методической базы для физико-дозиметрических и радиобиологических экспериментах, направленных на решение прикладных задач, в том числе, по созданию, проектированию или совершенствованию медицинских терапевтических установок.
Цели и задачи работы. Целью настоящего диссертационного исследования является анализ характеристик дозных полей, свойственных для пучков адронов и ионов, при проведении физико-дозиметрических и радиобиологических экспериментов, ориентированных на обоснование последующего медицинского применения в лечении онкологических заболеваний человека. Для достижения данной цели были поставлены следующие задачи:
1) обосновать необходимость применения метода Монте-Карло;
проанализировать и сравнить существующие компьютерные реализации моделей описания взаимодействий ионизирующих излучений и вещества в диапазоне энергией и пробегов, характерных для лучевой терапии, на примере средств Geant4. Разработать программные средства подбора адекватных и оптимальных с точки зрения практического применения моделей и верифицировать их в условиях, характерных для адронной лучевой терапии;
-
разработать программно-алгоритмический инструментарий для решения прикладных задач, возникающих при и после проведения физико-дозиметрических и радиобиологических экспериментов, в частности, расчёта дозовых полей первичных и вторичных частиц в различных геометриях экспериментов;
-
обосновать комплексную методику постановки радиобиологических экспериментов на основе совместного использования результатов прямой дозиметрии и результатов Монте-Карло моделирования;
-
рассчитать геометрию средств пассивной модификации кривой
Брэгга с требуемым распределением поглощённой дозы, изготовить и
экспериментально верифицировать данные средства для моноэнергетического пучка ионов углерода;
5) разработать подходы к интеграции результатов
радиобиологических экспериментов в процесс планирования лучевой терапии, а также рассмотреть способы представления пациента в системах планирования.
Положения, выносимы на защиту:
-
Комплексная методика постановки радиобиологических экспериментов на основе совместного использования прямых дозиметрических измерений и Монте-Карло моделирования, которая позволяет помещать объекты в точки с требуемыми характеристиками пучка (спектр вторичных частиц, значения ЛПЭ и т. п.);
-
Средства пассивной модификации вида «гребенчатый фильтр» для создания расширенного пика;
-
Концептуальная модель обработки и интеграции радиобиологических экспериментов, которая позволит в будущем перейти от описания действия адронных и ионных пучков на клеточные культуры и животных-опухоленосителей к оптимальному планированию лучевой терапии онкологических заболеваний человека.
Научная новизна работы заключается в применении комплексных подходов и построении методической базы для последующего адекватного описания процедуры адронной лучевой терапии на всех стадиях, начиная от физико-дозиметрического обеспечения радиобиологических экспериментов до вопросов практического применения в лучевой терапии злокачественных новообразований человека.
В рамках этого подхода автором был создан отечественный программно-алгоритмический инструментарий с открытым исходным кодом на базе Geant4 для решения практических задач обеспечения физико-дозиметрических и
радиобиологических экспериментов на пучках быстрых нейтронов, протонов и тяжелых ионов углерода.
Разработанные специальные программные средства позволили
оптимизировать и рационализировать расчёты дозных полей и характеристик пучка, возникающие при облучении пучками адронов и ионов. Это важно, в том числе, и для построения системы планирования лучевой терапии, полноценно использующей весь спектр полученных знаний. Так, были получены значения поглощённых доз с учётом спектров потерь энергии первичных и вторичных частиц как при облучении микрообъектов (монослои во флаконах Карреля, суспензии в пробирках-эппендорфах), так и макрообъектов (привитые животным опухоли, а в перспективе, и злокачественные новообразования человека). Впервые была предложена комплексная методика постановки и проведения радиобиологических экспериментов на моноэнергетическом пучке ионов углерода, в которой результаты прямых физико-дозиметрических измерений используются для поиска по предварительно рассчитанной базе данных и выбора соответствующей точки (координаты) постановки радиобиологического объекта с целью получения требуемых характеристик дозного поля.
Практическая значимость работы:
-
Разработанный инструментарий NPLibrary позволяет эффективно управлять параметрами выполнения Geant4-задачи, а также обеспечивает многокритериальную фильтрацию (энергетический спектр, потери, типы частиц и т. д. и их сочетания) и более эффективный анализ результатов моделирования в сравнение с традиционными для Geant4 решениями.
-
Выбор оптимальных физических моделей для нейтронной лучевой терапии позволил обеспечить более чем трехкратный рост производительности вычислений с сохранением точности расчётов в пределах 5%.
-
Разработанные средства позволяют осуществлять автоматизированное (с минимальным участием пользователя) моделирование ожидаемой оптимальной конструкции гребенчатого фильтра для пассивной
модификации кривой Брэгга моноэнергетического углеродного пучка до достижения задаваемых пользователем критериев модификации, в том числе ожидаемого распределения доз и ЛПЭ в облучаемом объекте. Фильтр расчётной конструкции может быть непосредственно изготовлен на любых принтерах, поддерживающих формат STL.
4) Использование алгоритмов вокселизации, созданых в рамках
прототипа системы планирования лучевой терапии, позволяют уменьшить время моделирования и оптимизировать ресурсы, потребляемые приложением.
Достоверность полученных результатов работы определяется
использованием многократно верифицированного средства моделирования, а также хорошим согласием модельных и натурных результатов, полученных на сертифицированном и поверенном оборудовании, используемом в отделе радиационной биофизики МРНЦ им. А.Ф. Цыба - филиала ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Апробация работы. Основные материалы и положения работы
докладывались и обсуждались на следующих научных конференциях и
семинарах: 1) «Современные информационные технологии в управлении и
образовании», ФГУП НИИ Восход, Москва, в 2012 и 2014 годах; 2) 61-я
научно-практическая конференция МГТУ МИРЭА, Москва, 2012; 3)
Международная научно-техническая конференция «Портативные генераторы
нейтронов и технологии на их основе», ФГУП ВНИИА им. Духова, Москва,
2012; 4) Международные конференции для молодых учёных
«Экспериментальная и теоретическая биофизика», г. Пущино, в 2013 и 2014; 5)
Международные конференции «International Conference on Radiation and
Dosimetry in Various Fields of Research», в 2014 (Сербия), 2015 (Черногория),
2016 (Сербия) годах; 6) 28-й, 29-й и 30-й международные конгрессы «Computer
Assisted Radiology and Surgery», в 2014 (Фукуока, Япония), 2015 (Барселона,
Италия), 2016 (Гейдельберг, Германия) годах; 7) 54-я и 55-я ежегодные
конференция «Particle TheraPy COperative Group», в 2015 (Сан Диего, США) и
2016 (Прага, Чехия) годах; 8) Научно-практическая конференция «Радиация и
организм», Обнинск, 2015; 9) Ежегодная Всероссийская научная школа-семинар «Методы компьютерной диагностики в биологии и медицине», Саратов, 2015; 10) Конференция молодых ученых, посвященная памяти академика А.Ф. Цыба «Перспективные направления онкологии и радиологии», г. Обнинск, 2015; 11) XIV Международная конференция «Безопасность АЭС и подготовка кадров 2015», Обнинск, 2015.
Элементы диссертации апробированы в рамках первого этапа НИР «Разработка новых технологий ядерной медицины и оптимизации лучевой терапии онкологических заболеваний» (№ государственной регистрации 115050610007), выполняемой МРНЦ им. А.Ф. Цыба – филиал ФГБУ «НМИРЦ» Минздрава России.
Публикации: По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, включая 3 статьи в рецензируемых научных журналах, рекомендованных ВАК.
Структура и объем диссертации: Диссертационная работа состоит из введения, 4 глав, выводов, заключения и списка использованных источников, включающего 145 наименований. Объем основной части диссертации составляет 133 страницы, включая 65 рисунков и 8 таблиц, дополненных 4 приложениями объемом 57 страниц.
Ядерная медицина, томография и её роль в задачах адронной терапии
Спустя буквально 3 года после открытия радиоактивности Рентгеном в 1898 последовало новое: супруги Мария и Пьер Кюри открыли новые естественные источники – радий и полоний. Спустя всего лишь 3 года, в 1901 году Генри Александр Данлос и Евгений Блохч попробовали приложит радий к воспалённому участку кожи [15]. Позднее, в 1903 году Александр Грэм Бэлл предложил вводить радиоактивный урановый источник внутрь тела в область опухоли [19]. Именно с этого началась история брахитерапии – метода лечения опухолевых заболеваний вводимыми внутрь радионуклидными источниками. Последующие 20 лет медицина активно использовала такие вводимые источники для лечения самых разнообразных заболеваний. Стоит отметить, что брахитерапия в ряде источников называлась кюритерапией, а сама наука радиобиология, изучающая влияние ионизирующий излучений на биологические объекты, появилась именно из таких исследований. Традиционно считается, что ей положил начало отечественный исследователь Е.С. Лондон, выпустивший в 1911 году серию монографий «Радий в биологии и медицине» [15]. Однако помимо научных исследований, проводимых в соответствие с возможностями того времени, в продаже стали появляться и сомнительные препараты: так, необычайную популярность в период в 1915 по 1935 годы приобрели радиевые соли для ванн. Растворы этих солей стали применять даже в госпиталях и больницах. Радий использовался даже при производстве зубной пасты, а в Йоахимстиле, Германия, в середине 1920-х годов был открыт радий-спа-отель [15], предлагавший своим пациентам ингаляции и ванны с радиоактивными препаратами. Позднее этот период будет описан историками как эра «радиоактивного шарлатанства» (англ. «Radioactive quackery») [20].
Тем не менее, начало и середина 1920-х годов принесли немало и знаменательных открытий в радиобиологии. Ряд исследователей называет этот период «киловольтной эрой», имея в виду открытие Вильямом Дэвидом Коллиджем закрытой вакуумной гамма-трубки с вольфрамовым катодом. Такая трубка оперировала с беспрецедентными энергиями от 180 тыс. до 200 тыс. вольт [21].
Наряду с этими исследованиями была открыта еще одна впечатляющая страница в радиобиологии. Речь идет об открытии в 1925—1927 гг. отечественными учеными Г. А. Надсоном и Г. С. Филипповым в экспериментах на дрожжевых клетках, а позднее в США Г. Мёллером на дрозофилах эффекта лучевого мутагенеза, проявляющегося не только в повреждении генома, но и в образовании стойких, необратимых изменений, передающихся по наследству. В этих и других последующих многочисленных работах приведены факты высокой радиочувствительности делящихся клеток, клеточного ядра, молекулы ДНК [15]. Другие учёные также работали над описанием действия ионизирующих излучений. Так в 1922 немецкий физик Фридрих Дессауэр выдвинул первую теорию о принципиальном действии излучения, которая состояла в том, что случайные порции энергии попадают в критическую структуры клеток живого организма, вызывая, таким образом, их разрушения [15]. Принцип попадания и теория мишени были развиты различными учеными, в том числе нашими соотечественниками Н. В. Тимофеевым-Ресовским [22], Г.М. Обатуровым [6] и др.
Тогда же в середине 1920-х были созданы органы международного регулирования радиации и связанных эффектов. Так, в 1925 году начала действовать постоянная комиссия - Международная комиссия по радиологическим единицам (МКРЕ) (англ. ICRU - International Commission on Radiation Units and Measurements), образованная на Международном конгрессе по радиологии (МКР) (англ. ICR - International Congress of Radiology) [23]. Созданная комиссия, в том числе, приняла на своём Втором международном конгрессе в Стокгольме в 1928 г. единицу измерения «Рентген», используемую и в настоящее время. Там же была создана организация, ныне известная как Международная комиссия по радиационной защите (МКРЗ) (англ. ICRP -International Commission on Radiological Protection), которая занимается разработкой всех стандартов, так или иначе связанных с радиационной медициной. В 1928 году первое название этой организации звучало несколько иначе - Международная комиссия по защите от гамма- и радиевого излучения. Директором был выбран Р. Зиверт [23].
До Второй мировой войны МКРЗ собиралась один день в ходе сессии МКР, проводимых в Париже в 1931г, Цюрихе в 1934г и в Чикаго в 1937г [16].
Вторая мировая, которая закончилась бомбардировками Хиросимы и Нагасаки, тоже дала толчок к развитию ядерной медицины. В частности, была открыта лучевая болезнь (англ. ARS - Acute Radiation Syndrome), а также зафиксированы летальные дозы радиации. Так, японская актриса Мидора Наки, присутствующая при бомбардировке Нагасаки была под наблюдением в госпитале Красного Креста в период от бомбардировок до своей смерти 24 августа 1945г [16]. Её смерть считается первым задокументированным случаем, причиной которого стало поражение радиацией
Краткое описание модели электромагнитных взаимодействий
Geant4, в отличие от конкурирующих продуктов, например, MCNP или Fluka, не является программой в обычном пользовательском понимании. На самом деле, Geant4 – это набор библиотек и высокоуровневых программных классов, написанных на С++, с возможностью ограниченного использования с языком Python или в некоторых других случаях. Пользователь Geant4, в первую очередь, сам является разработчиком программных средств. Программа пользователя компилируется, как и любая обычная программа, с использованием, например, Microsoft Visual C++ в Windows, gcc, clang, Intel compiler в nix. Возможно и применение других компиляторов и других сред, однако вышеперечисленный набор – это то, где тестируют сборки сами разработчики Geant4. Впрочем, Geant4 собирали под архитектуры PowerPC, ARM [93], Xeon Phi [94] и даже под Android [95]. У такого подхода есть недостатки, и первый из них – высокий порог входа, потому что для написания программ с использованием Geant4 требуются весьма квалифицированные разработчики на языке C/C++. У Geant4 нет понятия выходного файла, поэтому пользователь должен сам понимать, какие результаты и в каком виде он хочет получить. Но неоспоримым преимуществом Geant4 является то, что разработчик может контролировать любой этап моделирования, начиная от формирования геометрии и заканчивая построением результатов в нужной форме.
Очевидно, что потребность в разработке полноценного программного обеспечения останавливает Geant4 от широкого использования, тем более в клинике. В то же время, возможности Geant4 в сравнение с другими средствами действительно огромные. Существует ряд проектов, которые являются надстройкой над Geant4 и предоставляют пользователю более дружественный интерфейс. Если считать только проекты с открытым исходным кодом и не требующие дополнительных соглашений, то к ним можно отнести проект GATE [96] и GAMOS [97]. Эти программы добавляют ряд стандартных программных решений и возможности описания геометрии, которые могут быть заданы на стадии запуска программы. Скомпилированное при этом программное средство является единственной точкой входа приложения. Разработанный программно-алгоритмический инструментарий NPLibrary, по сути, является аналогом перечисленных средств, в котором был применён ряд программных решений.
Основной идеологией при разработке своего инструментария было то, что код ядра Geant4 никак не должен модифицироваться (за исключением некоторых случаев, связанных с багами при миграции между версиями, о которых автор неизменно сообщал разработчикам посредством форума на сайте Geant4).
Одной из предпосылок к написанию собственного инструментария также явился тот факт, что стандартный механизм G4UIMessenger, предлагаемый разработчиками для модификации некоторых параметров, является примером «ленивой инициализации» (англ. «lazy initialization»). Дело в том, что создание пользовательских и встроенных классов-наследников G4UIMessenger происходит в конструкторах соответствующих пользовательских классов ядра Geant4 (геометрия, физика, источник и т. п.), но разбор макроса может происходить только после создания экземпляра UIManager, который, в свою очередь, может быть создан только после создания и инициализации объекта G4RunManager/G4MTRunManager или пользовательского наследника этих классов. При разборе макроса функции, ответственные за найденные значения в макросе вызывают экземпляр своего родительского класса, из которого они были созданы для изменения уже заданных и созданных параметров. Таким образом, ряд поведения базовых классов при таком подходе может быть модифицирован только путём повторной инициализации всего объекта, что значительно увеличивает время расчёта и вообще является «программным оверхедом». Частично проблемы могут решаться переносом логики на более верхний уровень инициализации, но при большом объёме используемого кода такая связь может легко потеряться, что в итоге приведёт к неправильным результатам расчёта.
Практическим примером, который привёл к появлению собственного механизма передачи значений, явилось невозможность управления величинами отсечки нигде, кроме самого программного кода, так как было обнаружено, что созданный регион в геометрии не может быть модифицирован на стадии запуска.
Подход автора по решению проблемы передачи пользовательских значений заключается в том, что создаётся единый центральный класс-синглетон, в который при запуске подгружаются определённые параметры, а доступ к ним происходит по требованию. Синтаксис доступа аналогичен таковому, используемому, например, в методе get стандартного объекта dict языка Python. Лексический разбор параметров в стандартные типы Geant4 осуществляется с использованием boost::lexical_cast; там, где это необходимо (например, при разборе строки величин отсечки), используется boost::split.
Часто возникает задача запуска группы приложений с небольшими изменёнными параметрами. Для этого был реализован механизм приоритетов. На нижнем уровне используются параметры, заданные напрямую в исходном коде (например, как умолчательный вызов при доступе). На следующем уровне используются файлы-описания в формате JSON (RFC7159), разбор которых осуществляется с помощью boost::property_tree. Наконец, верхними приоритетами являются ключи командной строки. Такой подход позволяет моделировать несколько задач (при условии наличия процессорного времени) на основе только одного приложения, а не создавать огромное количество исполняемых файлов.q
Математическое моделирования спектра вторичного излучения при облучении нейтронами 14.5 МэВ
Радиация – это энергия, которая переносится волнами или потоками частиц. Действие радиации на биологические объекты заключается в повреждении генов ДНК в биологической клетке. Так как гены контролируют процессы жизни и деления клетки, то после их повреждения клетка не может продолжать процессы своей жизнедеятельности [101]. Пока не существует четкого понимания, почему именно ДНК является мишенью при воздействии ионизирующего излучения на живые объекты, но этот факт многократно подтверждён в экспериментальных исследованиях. Тесты с Po иглами (-частицы, средний пробег 40 мкм) показали, что ДНК в 100 раз более чувствительна (для убийства клетки) к радиации, нежели цитоплазма [102]. В другом тесте с 125I для убийства клетки после ввода изотопа в ДНК требовалась почти в 200-300 раз меньшая доза, чем в РНК или мембрану [103]; при этом в in vitro экспериментах эффективность менялась до 10 раз в зависимости от типа основания, в котором заменялся меченый изотоп [104].
Процессы, которые протекают в клетки при облучении можно условно разделить на физические, физико-химические, биофизические и биохимические. Непосредственное действие радиации, процессы ионизации и возбуждения атомов происходят очень быстро. Развитие следующих этапов — морфологические, функциональные изменения — может протекать в течение разного времени (от нескольких минут до нескольких лет). [15]
Физические процессы — ионизация и возбуждение атомов и молекул — приводят к химической перестройке облученных молекул. Различают прямое и непрямое действие излучения. Прямое действие — это изменения, возникающие в молекулах клеток в результате ионизации или возбуждения. Непрямое действие излучения — это поражение структур клетки продуктами радиолиза воды, возникшего под влиянием облучения. При прямом действии облучения на молекулу ДНК или под влиянием радикалов происходят однонитевые или двунитевые разрывы, то есть нарушается непрерывность нити ДНК [15]. На клеточном уровне под влиянием облучения выявляются замедление клеточного деления, образование хроматидных и хромосомных аберраций, возникновение микроядер. Гибель клетки может происходить по апоптотическому и некротическому путям. Большая часть клеток погибает до вступления клеток в митоз. Апоптотическая гибель клеток характерна для лимфоцитов, причем на фоне небольших доз облучения. [15]
Помимо этого, в современной радиобиологии широко обсуждается эффект свидетеля (англ. bystander effect) [15, 105] - поражение клеток, находящихся вне зоны действия радиации, но контактирующих (любым образом) с облучаемыми клетками. Как одну из причин возникновения этого эффекта выделяют межклеточные щелевые контакты, при этом в пути проведения сигнала повреждения выделяют роль гена Tp53 [106], однако в любом случае, причины возникновения эффекта свидетеля, равно как возможность его практического применения, пока не выяснены.
Краеугольным камнем в радиобиологии является величина Относительной биологической эффективности (ОБЭ). Традиционно [16] величина ОБЭ считается как: поглощённая доза от некоего стандартного излучения, – поглощённая доза от излучения R, которая вызвала такие же биологические повреждения. Считается, что стандартным излучением является излучение 60Co [107]. Биологические же повреждения оцениваются некоторыми эмпирическими наблюдениями, например, степень повреждения кожного покрова (при экспериментах на животных), частота хромосомных аббераций или кривые выживаемости (при экспериментах на клеточных культурах), либо вообще некие абстрактные величины, связанные с геометрическими размерами опухоли при облучении людей. Одной из важных характеристик физического пучка, который используется радиобиологами при рассмотрении эффектов ионизирующих излучений, является величина Линейной Потери Энергии (ЛПЭ, англ, «Linear Energy Transfer», LET). Эта величина является мерой выгрузки энергии ионизирующей частицей при её прохождении через вещество; она тесно связана с величиной stopping power, которая не имеет устоявшегося перевода на русский. Традиционно, в зарубежной литературе stopping power является характеристикой самого вещества, в то время как ЛПЭ описывает «судьбу» частицы [1]. Если в величине ЛПЭ учитывается потери всех возникающих дельта-электронов (тогда её называют «unrestricted linear energy transfer» [16]) всех энергий, то величины ЛПЭ и stopping power эквивалентны с точностью до знака. В русскоязычной литературе эти понятия могут смешиваться.
Величина ЛПЭ, обычно выражаемая в единицах КэВ/мкм, долго считалась параметром качественной оценки биологических эффектов при действии различных видов радиации [108, 109]. Но она не является константной – по мере продвижения частицы в среде меняется её энергия, а вместе с ней меняется и величина потерь. На рис. 3.1 ниже приведен оригинальный рисунок из [110], на котором показаны сводные экспериментальные данные по ОБЭ в различных пучках. Величина ЛПЭ, впрочем, не в состоянии описать весь ожидаемый спектр биологического действия радиации, но продолжает использоваться и для количественных оценок при сравнении различных механизмов в различных пучках [1]. Однако было показано, что для больших ( 100 КэВ/мкм) величин ЛПЭ можно получить различный биологический эффект для частиц, имеющих одинаковую оценку ЛПЭ. Это может быть объяснено особенностями индивидуальной «выгрузки» дозы от каждой частицы исходного пучка в виде «пакетов», а не равномерно в облучаемом объеме [111].
Агрегация вокселей на основе медианных значений
Несомненно, переход от радиобиологических экспериментов к лучевой терапии онкологических заболеваний человека сопряжён со значительными трудностями, повышенной ответственностью и просто психологическими факторами. Радиотерапия при лечении больных является, прежде всего, многофакторной и многокритериальной деятельностью огромного числа медицинских специалистов. В данном параграфе перечислен «минимальный» набор специалистов, которые должны обеспечивать работы онкологической клиники. Данная классификация описана в энциклопедической литературе [16], а также выделяется исследователями, работающими в сфере разработки программного обеспечения и общей идеологии оптимизации медицинских решений для специалистов [126]. К сожалению, несмотря на наличие сильной Российской школы радиобиологии, современные клиники работают, в-основном, по зарубежным стандартам, поэтому далее в данном параграфе все медицинские специалисты будут приводиться сначала на английском языке, после чего будет дан перевод на русский, соответствующий перечню специальностей Министерства образования и науки Российской Федерации.
Radiation oncologist (дословно - радиоонколог) – врач-онколог , специализирующийся на лечении онкологий с помощью ионизирующих излучений. Так как в целом радиотерапия может сопровождаться хирургическими операциями и/или химиотерапией, иногда этот процесс контролируется одним человеком - "клиническим онкологом" (англ. clinical oncologist) [16]. Работа онколога в целом подразумевает знания в областях радиобиологии, анатомии, хирургии, фармацевтике, а также встречаются специалисты по онкологической гинекологии и педиатрии. В США врач может получить специальность радиоонколога после 4х-годичных курсов по завершению основного обучения. По завершению курсов врач сдаёт экзамены и получает один из трёх сертификатов (в зависимости от учёной степени, которая может быть получена независимо от курсов). В других западных странах ситуация аналогична. Напротив, в Иране, врач-радиоонколог всегда специализируется на нехирургических вмешательствах и получает свою специальность после 4х-летней программы повышения квалификации, которая следует за 7-годичным курсом общей медицины. В России, в основном, отдельно радиоонколог не выделяется, а онкология преподаётся как мультидисциплинарная наука. При этом онколог может даже не принимать участие в непосредственном облучении, но обязан контролировать общий ход лечения, обосновывать применение тех или иных методов, в том числе не связанных напрямую с ионизирующим излучением. Radiation Therapist – Радиотерапевт – это представитель смежной медицинской профессии, работающий с ионизирующим излучением. Радиотерапевт планирует и назначает радиотерапию онкологическим больным. Соответствующая специальность присутствует в направлениях подготовки многих стран. Специалисты со степенями магистра или доктора наук также могут в ряде стран выписывать медикаменты, обрабатывать и интерпретировать результаты тестов и проводить консультации больных. В настоящее время основной задачей радиотерапевта является работа с медицинским оборудованием, например, с линейными ускорителями, с целью составления и выполнения курса радиотерапии, который в общих чертах создаётся онкологом. Таким образом, если врач-онколог решил, что пациенту необходима лучевая терапии, радиотерапевт актуализирует его предписания, следит за их выполнением, а также назначает препараты для улучшения состояния пациента (между сеансами или после курса радиотерапии). Эти специалисты также ответственны за наблюдение за состоянием пациента и за изменение плана, например, при смене позиционирования пациента или за перерасчёт доз в следствие ремиссии опухоли. Иными словами, основной задачей радиотерапевта является обеспечение гарантий качества лучевой терапии, в том числе запись всех параметров для обеспечения точности подводимой к опухоли дозы, учёт изменений характеристик лечебной установки, своевременное получение медицинских изображений области опухоли, точность позиционирования пациента при ежедневном облучении, а также первичную оценку возможных побочных эффектов облучения. В базовую программу подготовки радиотерапевтов входят такие дисциплины, как общая анатомия, физиология, радиопротекция и медицинская физика.
Medical dosimetrist (дословно - медицинский дозиметрист) – ещё одна смежная медицинская профессия. В ряде стран (например, в Канаде, Австралии и Великобритании) эти специалисты практически не отличимы от радиотерапевтов. Однако в США существует организация медицинских дозиметристов (AAMD - American Association of Medial Dosimetrists), которая определяет данных специалистов как лиц, ответственных за точное и достоверное создание и отображение плана лечения, предлагаемого онкологом, в компьютерной среде. Медицинский дозиметрист должен следить за балансом между доставляемой дозой ионизирующего излучения, которую назначает врач-онколог, и максимально допустимой дозой на критических органах пациента во избежание потери ими своих функций. Кроме того, медицинский дозиметрист, совместно с радиотерапевтом должен следить за правильным положением устройств иммобилизации при выполнении конкретного плана и за характеристиками установки лечения, используемых модификаций (например, параметрами мультилистового коллиматора) и т. п. Также в деятельность медицинских дозиметристов входит контроль хода облучения на основе показаний пленочных дозиметров, термолюминисцентных дозиметров или ионизационных камер; помимо этого, данные специалисты могут помогать медицинским физикам в задачах оценки радиозащиты помещения, оценках дозы на персонал и выполнения гарантий качества самого оборудования для лучевой терапии.