Климанов Дозиметрическое планирование лучевой ч2 2008

25.J.A. Meyer, J.R. Palta, K.R. Hogstrom, “Determination of relatively new electron dosimetry measurement techniques on Mevatron 80”, Med. Phys., v. 11, p. 670, 1984.

26.A. Jamshidi, F.T. Kuchnir, S.C. Reft, “Determination of the source position for the electron beam from a high-energy linear accelerator”, Med. Phys., v. 13, p. 942, 1986.

27.F.M. Khan, W. Sewchand, S.H. Levitt, “Effect of air space on depth dose in electron beam therapy”, Radiology, v. 126, p. 249, 1978.

28.W. Strydom, W. Parker, M. Olivares, “ Electron beams: physical and clinical aspects”, in: “Review of radiation oncology physics: a hand book for teachers and students”, ed. E.D. Podgorsak, IAEA, P. 5,Vienna, Austria, 2003.

29.F.M. Khan, F.C. Deibel, A. Soleimani-Meigooni, “Obliquely incident electron beams”, Med. Phys., v.12, p. 749, 1982.

30.M.J. Berger, S.M. Seltzer, “Tables of energy-deposition distribution in water phantoms irradiated by point-monodirectional electron beams with energies from 1 to 60 MeV, and applications to broad beams”, NBSIR 822451. Washington, DC: National Bureau of Standards, 1982.

31.J.G. Holt, R. Mohan, R. Caley et al, “Memorial electron beam AET treatment planning system”, in:“Practical aspects of electron beam treatment planning”, C.G. Orton, F. Bagne, eds, New York, American Institute of Physics, 1979.

32.J.S. Laughlin, “High-energy electron treatment planning for inhomogeities”, Br. J. Radiol., v. 38, p. 143, 1965.

33.J.S. Laughlin, A. Lundy, R. Phillips et al., “Electron-beam treatment planning in inhomogeneous tissue”, Radiology, v. 85, p. 524, 1965.

34.P.R. Almond, A.E. Wright, M.L. Boone, “High-energy electron dose perturbations in regions of tissue heterogeneity”, Radiology, v. 88, p.1146, 1967.

35.A. Dahler, A.S. Baker, J.S. Laughlin, “Comprehensive electron-beam treatment planning”, Ann N Y Acad Sci, v. 161, p. 189, 1969.

36.S.C. Prasad, J.M. Bedvinek, R.L. Gerber, “Lung dose in electron beam therapy of chest wall”, Acta Radiol, v. 22, p. 91, 1983.

37.K.R. Hogstrom, R.S. Fields, “Use of CT in electron beam treatment planning: current and future development.” In: “Computed tomography in radiation therapy”, C.C.Ling, C.C. Rogers, R.J. Morton (eds), Raven, NY, 1983.

38.D. Harder, M. Abou-Mandour, “Berechnung der Dosisverteilung schneller electronen in und gewebeinhomogenitaten beliebiger breite”, Strahlentherapie, v. 152, p. 509.

91

39.W. Pohlit, K.H. Manegold, “Electron-beam dose distribution in inhomogeneous media”. In: “High energy photons and electrons”, S Kramer, N. Suntharalingam, G.F. Zinninger, (eds). New York: Wiley, p. 243, 1976.

40.M. Abou-Mandour, D. Harder, “Berechnung der dosisverteilung shneller elektronenin und hinter gewebeinhomogenitaten beliebiger Breite II”, Strahlentherapie, v. 154, p. 546, 1978.

41.M.D. McNeese, Cancer Bulletin, N. 41, p. 88, 1989.

42.F. Nusslin, “The influence of air cavities on the dose distribution of high energy electron beams”,Phys. Med. Biol.,v.20, p. 728, 1975.

43.D. Skoporad, “The effect on an air cavityon the dose distribution of accelerated electrons”, Med. Radiol.,v.7, p. 55, 1975.

44.J. Dutreix, “Dosimetry”. In: G. Gil, G. Gayarre (eds). Symposium on high-energy electrons. Madrid, p. 113, 1970.

45.R. Gahbauer, T. Landberg, J. Chavaudra et al. “Prescribing, recording, and reporting electron beam therapy”, J. ICRU, v. 4, 2004.

46.ICRU Report 50: prescribing, recording, and reporting photon beam therapy, Washington, D.C., 1993.

47.ICRU Report 62: prescribing, recording, and reporting photon beam therapy (supplement to ICRU Report 50), Washington, D.C., 1999.

48.Климанов В.А., Крылова Т.А. Дозиметрическое планирование лучевой терапии. Часть 1. Дистанционная терапия пучками тормозного

игамма излучения. М.: изд-во МИФИ, 2007.

49.K.R. Hogstrom, “Clinical electron beam dosimetry: basic dosimetry data.” In: J.A. Purdy (ed), “Advances in radiation oncology physics: dosimetry, treatment planning, and brachytherapy”, AIP, Inc.,Woodbury, p. 320-429, 1991.

50.M.C. Choi, J.A. Purdy et al., “Variation in output factor caused by secondary blocking for 7 – 16 MeV electron beams.” Med. Phys., v. 6, p. 137, 1979.

51.F.M.Khan, V.C. Moore, S.H. Levitt, “Field shaping in electron beam therapy.” Br. J. Radiol., v. 49, p. 883, 1976.

52.I. Lax, A. Brahme, “On the collimation of high energy electron beams.” Acta Radiol. Oncol., v. 19, p. 199, 1980.

53.J.M. Johnson, F.M. Khan, “Dosimetric effects of abutting extended SSD electron fields with photon in treatment of head and neck cancers.” Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys. v. 24 (suppl.2), p. 202, 1992.

54.J. Becker, G. Weitzel, “Neue formen der bewegungstrahlung beim 15 Mev-betatronder Siemens-Reinger-Werke.” Stahlentherapie, v. 101, p. 180, 1956.

92

55.D.D. Leavit, J.R. Stewart, J.H. Moeller, L. Earley, “Electron beam arc therapy.” In: J.A. Purdy (ed), “Advances in radiation oncology physics: dosimetry, treatment planning, and brachytherapy.”AIP, Inc. Woodbury, 1992.

56.F.M. Khan, “Calibration and treatment planning of electron beam arc therapy.” In: “Proceedings of the symposium on electron dosimetry and arc therapy.” B. Paliwal (ed), New York: AAPM/AIP, p. 249, 1982.

57.F.M. Khan, G.D. Fullerton, J.M. Lee et al., “Physical aspect of electron-beam arc therapy.” Radiology, v. 124, p. 497, 1977.

58.M. Dubic, N. Apisarnthanarax, D.S. Cohen et al., “Analysisof longterm outcomes of combined modality therapy for cutaneous T-cell lymphoma.” J. Am. Acad. Dermatol.,v. 49, p. 35, 2003.

59.AAPM, “Total skin electron therapy: technique and dosimetry. Report 23.” AIP, 1987.

60.J.R. Holt, D.J. Perry, “Some physical considerations in whole skin electron beam therapy,” Med. Phys., v. 9, p. 302, 1982.

61.W. Sewchand, F.M. Khan, J. Williamson, “Total-body superficial electron-beam therapy using a multiple-field pendulum-arc technique,” Radiology, v. 130, p. 493, 1979.

62.K.R. Hogstrom, M.D. Mills, P.R. Almond, “Electron beam dose calculations,” Phys. Med. Biol.,v.26, p. 445-459, 1981.

63.H.M. Kooy, H. Rashid, “A three dimensional electron-beam algorithm,” Phys. Med. Biol., v. 34, p. 229-243, 1989.

64.H.M. Kooy, P.K. Kijewski, “Quadtrees as representation for irregularly shaped fields in radiotherapy applications,” Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys.,1988.

65.Защита от ионизирующих излучений. Том 1./ Гусев Н.Г., Климанов В.А., Машкович В.П., Суворов А.П. М.: Энергоатомиздат, 1989.

66.Кольчужкин А.М., Богданов А.В. Метод Монте-Карло в теории переноса излучений. Учебное пособие. Томск: Изд.-во Томского политехнического университета, 2006.

67.R.L. Ford, W.R. Nelson, “The EGS code system-Version 3,” Report SLAC-210, 1978.

68.W.R. Nelson, H. Hirayama, D.W.O. Rogers, “The EGS4 code system,” Report SLAC-265, 1985

69.A.F. Bielajew, H. Hirayma, W.R. Nelson, D.W.O. Rogers, “History, overview and recent improvements of EGS4,” National research council of Canada Report PIRS-0436, 1994.

93

70.I. Kawrakow, “Accurate condensed history Monte Carlo simulation of electron transport EGSnrc, new EGS4 version,” Med. Phys., v. 3, p. 485498, 2000.

71.C.L. Hartmann-Siantar et al., “Description and dosimetric verification of the PEREGRINE Monte Carlo dose calculation system for photon beams incident on a water phantom.” Med. Phys., v. 28, p. 1322-1337, 2001.

72.D.W. Rogers, B.A. Faddegon, G.X. Ding et al., “BEAM: A Monte Carlo code to simulate radiotherapy treatment units.” Med. Phys., v. 22, p. 503-524, 1995.

73.I. Kawrakow, “ VMC++, electron and photon Monte Carlo calculation optimized for radiation treatment planning.” In: Advanced Monte Carlo for radiation physics. Particle transport simulation and application: Proceedings of Monte Carlo 2000 meeting Lisbon, edited by A. Kling et al., p. 229-236, Springer, Berlin, 2001.

74.J. Sempau, S.J. Wilderman, A.F. Bielajew, “DPM, a fast, accurate Monte Carlo code for photon and electron radiotherapy treatment planning dose calculations.” Phys. Med. Biol., v. 45, p. 2263, 2000.

75.I. Kawrakow, M. Fippel, “ Investigation of variance reduction techniques for Monte Carlo photon dose calculation using XVMC.” Phys. Med. Biol., v.45, p. 2163-2184, 2000.

76.I.EI. Naqa, I. Kawrakow, M. Fippel et al., “A comparison of Monte Carlo calculation denoising techniques.” Phys. Med. Biol., v.50, p. 909 – 922, 2005.

77.D.W.O. Rogers, “Monte Carlo techniques in radiotherapy.” Physics in Canada, Medical Physics Special Issue, v. 52, p. 63-70, 2002.

78.M.J. Berger, “Monte Carlo calculation of penetration and diffusion of fast charged particles.” In: Methods in computational physics. Edited by B. Alder at al., v. 1, p. 135-215, (Academic, New York, 1963).

79.J.F. Briesmeister, “A general Monte Carlo N-particle transport code.” LANL Report, No. LA-12625-M, 1993.

80.J.E. Cyder et al., “Evaluation of the first commercial Monte Carlo dose calculation engine for electron beam treatment planning.” Med. Phys., v. 31, p. 142-153, 2004.

81.H.Md Deloar, J. Griffin, M. Bird et al.,”Evaluation of clinical dose distribution using Monte Carlo method.” World congress on medical physics and biomedical engineering. Abstract No. 1840 (Seoul, Korea, 2006).

82.V.V. Kosterev, D.A. Chupikin, E.N. Donskoy et al., “Using of PLestimation for dose calculation in heterogeneous media.” World congress on medical physics and biomedical engineering. Abstract No. 1956 (Seoul, Korea, 2006).

94

83. J.E. Cygler, C. Lochrin, G.M. Daskalov et al., “Clinical use of commercial Monte Carlo treatment planning system for electron beams.” Phys. Med. Biol., v.50, p. 1029, 2005.

95

Глава 2. Лучевая терапия пучками протонов

1. Особенности протонной терапии

Протонная терапия является в настоящее время, по-видимому, наиболее мощным средством для точного пространственного расположения изодозовых распределений, т.е. для получения очень высокой конформности дозовых распределений. На рис. 2.1 показаны глубинные дозовые распределения для разных видов ионизирующих излучений. В отличии от других излучений глубинное дозовое распределение для моноэнергетических протонов имеет район медленного подъема с увеличением глубины, называемый «плато», за которым следует дозовый максимум, называемый «пик Брэгга». Амплитуда этого пика в три-четыре раза превышает дозу на поверхности среды. За пиком Брэгга доза очень быстро падает практически до нуля.

Рис. 2.1. Глубинное распределение поглощенной дозы в воде для разных видов ионизирующего излучения

Пониженная величина дозы в области плато по сравнению с дозой в максимуме и быстрый спад дозы за пиком Брэгга создают принципиально новые возможности для формирования «идеальных» дозовых распределений. Этот вывод иллюстрируется графически на

96

рис. 2.2, где сравниваются качественно значения дозы в областях перед и за мишенью при одной и той же дозе в мишени для фотонных и протонных пучков.

Рис.2.2. Качественное сравнение доз, создаваемых в разных областях пучками фотонов и протонов

Такая особенность протонной лучевой терапии (ПЛТ) позволяет значительно уменьшить дозовую нагрузку на нормальные ткани, окружающие объем мишени, по сравнению с традиционными методами лучевой терапии пучками фотонов и электронов. В результате создаются условия для безопасного повышения дозы в объеме мишени, даже если мишень близко примыкает к критическим структурам организма. Более высокая доза приводит, соответственно, к повышению вероятности гибели раковых клеток.

Протоны движутся через среду по относительно прямому пути, постепенно замедляясь в результате Кулоновского взаимодействия и передачи своей энергии электронам. Тормозная способность протонов обратно пропорциональна квадрату их скорости. Некоторая часть протонов испытывает ядерные взаимодействия, в результате которых они отклоняются от направления своего первоначального движения и выходят из пучка. Доля энергии пучка, передаваемая при ядерных взаимодействиях, относительно невелика (в пределах нескольких процентов), однако при этом образуются тяжелые ионы с высоким ЛПЭ и, соответственно, с более высоким ОБЭ, чем у электронной компоненты взаимодействия (ОБЭ = 1). Рекомендуемое в настоящее время значение ОБЭ для протонов равняется 1,1. Оно получено в

97

результате клинических исследований для фракционного облучения. Вместе с тем в литературе приводятся обширные таблицы [1] c результатами радиобиологических исследований ОБЭ для протонов, в которых ОБЭ изменяется от 0,6 до 1,4. Так как принятое величина ОБЭ для протонов близка к ОБЭ для фотонов, то весь клинический опыт, полученный в рамках фотонной лучевой терапии, может быть использован в ПЛТ.

2.История развития протонной лучевой терапии

Использование пучков протонов для лечения болезней человека впервые было предложено Р. Вильсоном в 1946 г. [2]. К тому времени началось проектирование и строительство ускорителей. Вильсон указал, что, если создать ускорители, способные генерировать пучки протонов достаточно высокой энергии, чтобы обеспечить пробег протонов в ткани сравнимый с поперечными размерами человека, то такие пучки можно использовать для целей терапии.

К 1954 г. К.А. Тобиас с помощниками завершили изучение влияния облучения протонами на животных и стали проводить облучение гипофиза пациентов небольшими полями пучка 340 МэВ протонов [3]. Вскоре после этого (в 1957 г.) применение протонов для лечения онкологических больных началось в Швеции (Упсала). Россия вслед за США и Швецией стала третьей страной, где с 1967 г. (Дубна и Москва) началось облучение злокачественных новообразований протонами. Несмотря на заметное опоздание, высокий темп исследований в России позволил полностью наверстать упущенное. К 1988 г. Россия по накопленному клиническому опыту вышла на второе место после США. В мире с 1954 г. по 1988 г. работало девять центров ПЛТ, в которых прошло лечение 6825 больных [4]. В трех работающих в России центрах ПЛТ (ОИЯИ Дубна, ИТЭФ Москва, ЛИЯФ Гатчина) к 1988 г. было облучено протонами 1896 пациентов (28 % мирового опыта) [4]. Однако в годы перестройки началось быстрое отставание России, и к настоящему страна в большой мере утратила свои преимущества [4].

В конце прошлого века в передовых странах мира приступили к строительству клинических центров ПЛТ со специализированными для медицинского применения ускорителями. Эти центры входят непосредственно в состав онкологических клиник и госпиталей. В результате началось быстрое нарастание пациентов, прошедших через ПЛТ. Например, облучив первого пациента в 1990 г., первый в мире

98

клинический центр ПЛТ в г. Лома Линда (США) на сегодняшний день достиг производительности тысячи пациентов в год [4]. Рост числа центров ПЛТ в последнее десятилетие и прогноз на 2015 г. приводится в табл. 2.1. На рис. 2.3 показано число больных облучаемых ежегодно протонами в разных странах.

Таблица 2.1

Рост числа экспериментальных и клинических центров ПЛТ по годам [4]

Категория центра	1988 г.	1990 г.	2005 г.	2006 г.	2015 прогноз
Экспериментальные центры	11	13	20	22	22
Клинические центры	–	1	11	20	35
Всего	11	14	31	42	57

Рис. 2.3. Количество больных, облучаемых пучками протонов ежегодно в разных странах [4]

Следует отметить, что во всем мире действующие экспериментальные центры ПЛТ, несмотря на создание мощных клинических центров ПЛТ, бережно сохраняются как базы для разработки физико-технических средств и новых методик ПЛТ. В то же время число их не увеличивается. Исключением является Россия, где вводятся в строй еще два экспериментальных центра ПЛТ [4]. Кроме того, в Москве на базе больницы им. С.П. Боткина начато строительство современного клинического центра ПЛТ.

99

3. Краткая характеристика взаимодействия протонов с веществом

Для более глубокого понимания способов формирования клинических пучков протонов и методов расчета доз, применяемых в ПЛТ, рассмотрим основные особенности взаимодействия протонов с веществом в терапевтическом интервале энергий. Особую актуальность этот материал приобретает при описании механизма расчета характеристик пучков и дозовых распределений, создаваемых протонами, с помощью метода Монте-Карло. Это направление является весьма популярным в настоящее время. Поэтому рассмотрение в данном разделе вопросов взаимодействия протонов с веществом проводится с ориентацией на метод Монте-Карло. При изложении взаимодействия протонов в основу были взяты материалы работ [5,6].

3.1 Электромагнитное взаимодействие

Протон является тяжелой заряженной частицей, что и определяет особенности его взаимодействия с веществом. Терапевтический диапазон энергии протонных пучков находится в интервале 50 – 300 МэВ. В этой области энергий основным процессом взаимодействия для протонов является Кулоновское упругое и неупругое взаимодействие с электронами и ядрами вещества. В результате неупругого взаимодействия протонов с электронами происходит ионизация и возбуждение атомов среды. Так как энергия протонов много больше энергии связи электронов на оболочках атомов, то при рассмотрении кинематики процесса электроны можно считать свободными. Максимальная энергия, передаваемая электронам, равняется

T max =			2m	β2 γ2
			e		,	(2.1)
e	1		+ 2γme / mp + (me / mp )2

где me и mp – массы покоя электрона и протона, соответственно, в энергетических единицах; β – отношение скорости протона к скорости света; γ – релятивистский параметр, равный (Tp + mp)/ mp; Tp – кинетическая энергия протона.

Макроскопическое дифференциальное сечение образования

100