Радиотерапевтическое оборудование

Содержание

Введение

ВконцеXIXвекаисследованиестроениявеществапривело

коткрытиюизлучений,проникающихчерезнепрозрачные среды.В1895 г.В.Рентгенобнаружил,чтоприпопаданиина анодкатодныхлучейвозникаютХ-лучи—рентгеновскоеиз- лучение,в1896 г.А.Беккерельоткрылспособностьиспускать излучениесолямиурана.Обавидалучейприпрохождении черезвеществоионизировалиегоиприводиликизменению егоструктуры.Практическисмоментаоткрытияионизиру- ющих излучений началось их использование в различных отрасляхмировогохозяйства,ивпервуюочередьвмедицине. В начале 1896 г. ученые документировали повреждающее действиенакожурентгеновскогоизлучения;вноябретого же года Леопольд Фройнд провел спланированное облу- чение волосяного невуса. В 1901 г. А. Данлос использовал радиоизотопыприлечениибольноготуберкулезом;в1903 г. А.Беллсталрасполагатьвопухолиилиоколонееисточники радия. Примерно до начала 1930-х гг. проникающие излу- ченияполучаливрентгеновскихтрубкахиизестественных источников.Энергия используемого в медицинских целях рентгеновского излучения составляла от100 эВдо 200 кэВ. С начала ХХ в. количество рентгеновских установок в раз- ныхстранахсталоувеличиватьсянарастающимитемпами. Возникло новое направление в медицине — лучевая диа- гностика. Но настоящий качественный скачок в развитии ядерных технологий в медицине был связан с созданием ускорителейзаряженныхчастиц,которыебылипостроены в конце 1920 — начале 30-х гг. Первый из них (каскадный

генератор) был построен в 1920 г. в Швейцарии Грейнахе- ром, в 1929 г. английские физики Дж. Кокрофт и Э.Уолтон построили такой же ускоритель, на котором в 1932 г. они осуществили первую ядерную реакцию с искусственно ускореннымипротонами.Этудатуможносчитатьначалом истории ускорителей.

Спустянескольколетпослезапускапервыхускорителей их стали применять в медицине. Первый электронный ускорительдлялечения онкологических больных был по- строенвЛондоневгоспиталеСвятогоВарфоломеяв1937 г. Размерыустановкидостигали10м,энергияполученныхна немтормозных фотонов не превышала 1 МэВ.Ускорители электроновсталиосновойдлявозникновениядистанцион- нойлучевойтерапии.В40-е годы влучевойтерапии стали использовать высоковольтные электронные ускорители и бетатроны. На основе использования индукционного принципа ускорения в 1940 г. Д. Керст построил первый бетатрон—циклический ускоритель электронов с макси- мальной энергией 2.2 МэВ, идея которого была предло- жена еще в 1920-е гг.в патентах Слепяна.Идея ускорения электроноввысказываласьиВидероэ,сформулировавшим бетатронное условие, при котором радиус орбиты элек- тронов сохраняется постоянным. Бетатрон стал первым ускорителем, приспособленным для медицинских целей.

ВСШАиКанадеприменялисьбетатронысэнергией13–25 МэВ,атакжевысоковольтныетрансформаторыигенерато- ры Ван-де-Графа с энергиейтормозных фотонов 1–4 МэВ.

Вмедицинедлялучевойтерапииприменялисьвосновном пучки тормозных фотонов и изредка—электронов.Габа- риты ивес используемых ускорителей были значительны. Кроме того, у бетатронов была невысока интенсивность пучкафотонов,аувысоковольтныхускорителей—энергия.

В1953 г.былразработанипостроенпервыйпромышленный

линейный ускорительдля медицинских целей в больнице Хаммерсмит в Лондоне.

Исследования показали, что для точного попадания

вмишень эффективнее облучать пациентов с разных сто- рон. Это позволяло избежать влияния на величину дозы, полученноймишенью,неоднородностейвтелечеловека— костей, воздушных полостей и др. Однако, необходимость вращатьвокругтелапациентатяжелуюустановкуиприэтом достигать высокой точности облучения опухоли вызывала серьезные проблемы.

Всередине 1940-х годов возникла идея использования

влучевойтерапиитяжелыхзаряженныхчастиц.Приихтор- моженииввеществевозникаетпик,получившийназвание пика Брэгга. В 1946 г. Р. Вильсон высказал идею о возмож- ности использовании влучевойтерапии пучков протонов. Первыеэкспериментыпотерапиионкологическихбольных протонамивконце1950-х—начале1960-хгг.былипроведе- нывБеркли(США)иУпсала(Швеция).ВРоссииэтиработы началисьв1967 г.вОИЯИ(Дубна),в1969 г.вИТЭФ(Москва) и в 1975 г. в ЛИЯФ (Гатчина). Пучки тяжелых заряженных частицсэнергией150–250МэВполучаютлишьнабольших тяжелых ускорителях, которые в отличие от ускорителей электроновневозможновращатьвокругпациента.Поэтому для подведения пучка к пациенту с разных сторон физи- ками было создано специальное устройство, получившее название«гантри»,позволяющеевращатьвокругпациента пучок тяжелых заряженных частиц.

Конкуренциюускорителямв1950–1960-егг.составляли установки, использующие радиоактивные изотопы 60Со, испускающие фотоны с энергиями 1.17 и 1.33 МэВ. Эти установкиимелисравнимуюсускорителямиинтенсивность и энергию фотонов, но меньшие габариты. Первый аппа- рат для лучевой терапии с источником 60Со был запущен

в1951 г.вКанадефирмой,имеющейсовременноеназвание MDSNordion,котораяисейчасявляетсяведущимпоставщи- ком гамма-терапевтических аппаратов.В СССР в эти годы кобальтовые установки стали основным инструментом

влучевой терапии.

Еще в 1940-х годах развивались идеи онкологических операций,вкоторыхрольскальпелядолжныбылиосущест- влять гамма-лучи, испускаемые радиоактивными источ- никами. В 1948 г. шведским нейрохирургом Л. Лекселом была предложена концепция стереотаксической хирургии без вскрытия черепа человека, позволяющая направлять множество пучков практически в однуточку.Она была ре- ализованавустановках,получившихназваниегамма-нож, использующих радиоактивные источники 60Со. Л. Лексел вместесрадиобиологомБ.Ларссономсоздалипервуюмодель гамма-ножас179источниками60Со,ав1968 г.вСтокгольме впервые провели операцию с использованием установки гамма-нож.Этадата знаменуетвозникновения стереотак- сической хирургии.

В конце 70-х годоввозниклоновоенаправлениеприме- ненияускорителейэлектроноввмедицине—интраопераци- оннаялучеваятерапия.Этотметодлеченияонкологических больных заключается в однократном подведении высокой дозы пучков фотонов или электронов к мишени во время хирургической операции.

Начиная с 80-х годов после усовершенствования источ- никоввысокочастотногоэлектромагнитногополялинейные ускорители существенно уменьшились в размере и стали удобными для использования в лучевой терапии. Они все быстреевытеснялидругиеустановкидлялучевойтерапии. Крометого,началиразвиватьсяметодикиработыспучком, позволяющиедостичьлучшегосовпаденияграницмишени и области, получившей максимальную переданную дозу.

Началась разработка и внедрение многолепестковых кол- лиматоров.

Наконец,всередине1980-хгг.налинейныхускорителях электроновудалосьдостичьуровняразвития,позволившего лечить небольшие злокачественные образования, и они практическисталиальтернативойгамма-ножу.Вотличиеот гамма-ножа,здесьнеиспользуетсярадиоактивныйматериал и не накапливаются радиоактивные отходы. В настоящий моментэто наиболее распространенный радиохирургиче- скийинструментдлялечениязлокачественныхпоражений.

В1992 году вСтенфордском университете под руковод- ством Д. Адлера была создана еще одна альтернативная системадлялучевойтерапии,получившаяназваниекибер- нож. Кибернож содержит два основных элемента: легкий линейный ускоритель и мобильную, контролируемую при помощикомпьютерароботизированнуюруку-манипулятор. Перваяоперациянаэтойустановкебылапроведенав1999 г.

Вотличие от гамма-ножа кибернож позволяет облучать большееколичествозлокачественныхлокализацийвразных местах тела человека.

Впоследние годы физики и медики разрабатывают установки, позволяющие совмещать два или три метода томографии или методы лучевой терапии одновременно сметодамидиагностики.Однойизнаиболеестремительно развивающихсятехнологийявляетсятомотерапия.Онавод- номаппаратеобъединяетвсебевозможностидиагностики компьютерноготомографаирадиохирургическогоуничто- женияонкологическихочаговпучкамитормозныхфотонов. Суть установки заключается в том, что вместо источника рентгеновскогоизлучения,применяемоговкомпьютерном томографе,используетсянебольшойускорительэлектронов.

Впоследние десятилетия в мире продолжают стреми- тельно развиваться современные технологии в области

Рис. 1. Структура ядерно-физических технологий, действующих в медицине

радиационной онкологии. К их числу можно отнести все перечисленныевышевнебольшомисторическомэкскурсе системыивидыаппаратов—протоннаяиионнаятерапии, стереотаксическаярадиохирургия,томотерапия,интраопера- ционнаятерапияитакдалее.Темнеменее,международное агентствопоатомнойэнергии(МАГАТЭ)критическиотно- сится к идейным сторонникам стремительного внедрения новых разработок на замену традиционным. Согласно ре- комендацияморганизации,вводновейшихметодикдолжен происходить поэтапно, с плавным переходом от простых технологий к более сложным, в особенности для стран не- высокогоуровняэкономическогоразвития.Еслиразработка недаеткачественногопреимуществаврезультатахлечения онкобольных,тоонанедолжназаменятьтрадиционныевиды лучевойтерапииввидунедоказаннойрентабельности.Про- ведемкраткийобзоррадиотерапевтическогооборудования, как традиционного, так и новейшего. Структура лучевой терапии в современной медицине представлена на рис.1.