Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

УДК 539.07(075)+615.015.3(075) ББК 31.42я+51.2я7 К49

Климанов В.А. РАДИОБИОЛОГИЧЕСКОЕ И ДОЗИМЕТ-

РИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ ЛУЧЕВОЙ И РАДИОНУКЛИДНОЙ ТЕРАПИИ. Часть 1. Радиобиологические основы лучевой терапии. Радиобиологическое и дозиметрическое планирование дистанционной лучевой терапии пучками тормозного и гамма-излучения и электронами.

Учебное пособие. М.: НИЯУ МИФИ, 2011. 500 с.

В первой части пособия изложены основные понятия, радиобиологические и физические вопросы, связанные с планированием лучевой терапии пучками фотонов и электронов. Первая глава посвящена рассмотрению современных взглядов на радиобиологию опухолей и нормальных тканей и на фракционирование дозы в лучевой терапии и брахитерапии. В последующих главах части 1 излагаются основные понятия конвенциальной дистанционной лучевой терапии, вопросы формирования полей облучения и расчета распределений поглощенной дозы. Особое внимание уделяется процессу 3-мерного планирования лучевой терапии. В основу пособия положен курс лекций, читаемых автором в течение последних десяти лет студентам НИЯУ МИФИ по специальностям «Радиационная безопасность человека и окружающей среды» (специализация «Медицинская радиационная физика») и «Медицинская физика».

Пособие предназначено для студентов, преподавателей, аспирантов и научных работников инженерно-физических и физико-технических вузов, специализирующихся в области лучевой терапии, а также работников медицинских учреждений, связанных с планированием лучевого лечения.

Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.

Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.Н. Беляев

ISBN 978-5-7262-1490-0

©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Предисловие………………………………………………...13

Список основных сокращений и обозначений………....17

Глава 1. Радиобиологические основы лучевой терапии ………………………………………. 20

1.Роль радиобиологии в лучевой терапии.................... 20

2.Временной масштаб процессов в радиобиологии…………………………………….. 21

3.Основы радиобиологии опухолей………………….. 23

3.1.Концепция клоногенных клеток……………………23

3.2.Тесты на клонообразующую способность………... 25

3.3.Кривые выживаемости клеток…………………….. 26

3.4.Связь между выживаемостью клеток и ответной реакцией опухоли на облучение…………………… 27

3.5.Причины гибели облученных клеток………………32

3.6.Восстановление клеток после радиационных повреждений………………………………………… 34

3.7.Радиочувствительность клеток на разных стадиях клеточного цикла………………………..... 35

3.8.Кислородный эффект………………………………. 37

3.9.Гипоксия в опухоли………………………………… 39

3.10.Радиочувствительность клеток в опухолях человека……………………………………………. 43

3.11.Относительная биологическая эффективность ионизирующих излучений………………………... 48

4.Основы радиобиологии нормальных тканей…….....57

4.1.Факторы, определяющие тяжесть

радиационных повреждений нормальных тканей………………………………………………... 57

4.2.Пролиферативная структура тканей……………..... 58

4.3.Ранние и поздние реакции тканей…………………. 60

4.4.Концепция толерантности нормальных тканей

3

и терапевтический выигрыш………………............. 61

4.5.Крутизна зависимостей ответных реакций тканей

от дозы…………………………………………………. 65

4.6.Радиационная патология…………………………… 69

4.7.Количественное определение повреждения нормальных тканей…………………………………. 73

4.8.Эффект объема……………………………………… 77

4.9.Основные биологические факторы фракционной лучевой терапии…………………………………...... 83

5.Фракционирование дозы в лучевой терапии…….....84

5.1.История подходов к фракционированию…………. 84

5.2.Чувствительность к фракционированию у рано

ипоздно реагирующих тканей…………………….. 89

5.3.Фракционирование и линейно-квадратичная модель……………………………………………….. 92

5.4.Определение коэффициентов LQ-модели………… 96

5.5.Гипофракционирование……………………………. 100

5.6.Эффект общего времени облучения……………… 101

5.7.Гиперфракционирование и ускоренное фракционирование………………………………...... 105

5.8.Учет перерывов в облучении………………………. 110

5.9.Низкая мощность дозы в брахитерапии…………... 111

Контрольные вопросы………………………………..... 116 Список литературы…………………………………….. 118

Глава 2. Основные дозиметрические величины и их применение для расчета дозы в дистанционной фотонной терапии……………………………………... 125

1.Основные величины, используемые для

описания поля фотонов в радиационной физике………………………………………………... 125

1.1.Флюенс и плотность потока……………………..... 126

1.2.Керма………………………………………………. 126

1.3.Экспозиционная доза………………………………. 128

1.4.Поглощенная доза………………………………...... 128

1.5.Доза в небольшой массе вещества,

4

находящегося в воздухе…………………………… 130

2.Фантомные материалы…………………………………… 132

3.Процентная глубинная доза и ее свойства………… 133

3.1.Основные обозначения и определения…………… 133

3.2.Процентная глубинная доза….................................. 135

3.3.Зависимость процентной глубинной дозы от размеров поля……………………………………… 137

3.4.Переход от прямоугольных полей к эквивалентным квадратным полям……………...... 139

3.5.Закон обратных квадратов………………………… 139

3.6.Зависимость процентной глубинной дозы от

расстояния «источник-поверхость»………….. 140

4.Отношение «ткань-воздух» (ОТВ или TAR) и его свойства………………………………………………….. 142

4.1.Определение TAR………………………………….. 142

4.2.Зависимость TAR от глубины, энергии и размера

пучка………………………………………………… 144

4.3.Фактор обратного рассеяния и пиковый фактор рассеяния……………………………………………. 145

4.4.Соотношение между TAR и РDD…………………. 147

4.5.Переход от PDD(SSD1) к PDD(SSD2),

используя TAR……………………………………… 148

5.1.Определение SAR…………………………………... 149

5.2.Расчет дозы для нерегулярных полей.

Метод Кларксона……………………………………. 150

6.Система дозиметрических расчетов для мегавольтных пучков……………………………..... 151

6.1.Основная концепция………………………………. 151

6.2.Основные понятия ………………………………… 152

7.Расчет мониторных единиц………………………… 165

7.1.Общая методология……………………………... 165

7.2.Процедура калибровки…………………………….. 166

7.3.Расчет мониторных единиц для

прямоугольных полей на стандартном расстоянии.....……………………….………………. 168

5

7.4.Расчет дозы (мониторных единиц) при облучении на постоянном SSD прямоугольными

полями………………………………………………. 169

7.5.Расчет дозы (мониторных единиц) при

облучении изоцентрическими пучками, создающими прямоугольные поля……………….. 174

7.6.Расчет дозы для модифицированных пучков……. 179

8.Нерегулярные поля…………………………………. 186

8.1.Расчет дозы для нерегулярных полей……….. 186

8.2.Изменение SSD (РИП) внутри поля………………. 186

9.Простые практические методы расчета глубинных распределений…………………………. 188

9.1.Нерегулярные поля………………………………… 188

9.2.Точка расчета вне оси……………………………… 189

9.3.Точка расчета вне поля…………………………..... 189

9.4.Точка расчета под блоком…………………………. 190

10.Приближенные аналитические модели для расчета поглощенной дозы………………………. 190

10.1.Модели для расчета распределения поглощенной дозы на оси пучков……………….. 191

10.2.Модель для расчета дозового профиля………….. 193

Контрольные вопросы……………………………….. 194

Список литературы…………………………………..... 195

Глава 3. Изодозовые распределения………………….... 198

1.Изодозовые кривые………………………………..... 198

1.1.Изодозовая карта…………………………………… 198

1.2.Измерение изодозовых кривых…………………… 200

2.Параметры изодозовых кривых…………………..... 201

2.1.Качество пучка……………………………………… 201

2.2.Размер поля, эффект пенумбры…………………… 201

2.3.Коллимация и сглаживающий фильтр……………. 201

2.4.Размер поля…………………………………………. 202

3.Клиновидные фильтры……………………………... 203

3.1.Фактор пропускания клина……………………….. 203

6

3.2.Система клиньев………………………………….... 205

3.3.Влияние на качество пучка……………………….. 205

3.4.Расчет клиновидных фильтров……………………. 205

3.5.Использование клиновидных фильтров………….. 206

4.Облучение несколькими полями…………………... 210

4.1.Параллельные противоположные поля………….. 210

4.2.Многопольное облучение…………………………. 215

5.Облучение в наклонной плоскости………………... 219

6.Изоцентрическое облучение………………………… 220

6.1.Сравнение изоцентрического метода облучения

сметодом постоянного SSD……………………...... 220

6.2.Статические пучки…………………………………. 222

6.3.Ротационное облучение……………………………. 223

7.Облучение с клиньями………………………………. 225

8.Дозовая спецификация для терапии внешними пучками………………………………………………. 228

8.1.Спецификация объемов……………………………. 228

8.2.Органы риска……………………………………...... 230

8.3.Рекомендации для регистрации дозы……………… 230

8.4.Движение внутренних органов……………………. 231

8.5.Дополнение рекомендаций МКРЕ 50……………… 233

8.6.Выводы и будущие тенденции…………………...... 234

9.Гистограммы «доза-объем»……………………....... 236

9.1.Прямая ГДО………………………………………… 237

9.2.Кумулятивная (интегральная) ГДО……………...... 237

Контрольные вопросы……………………………….. 239

Список литературы…………………………………....... 240

Глава 4. Данные пациента, поправки,

позиционирование……………………………………... 242

1. Введение……………………………………………… 242

2. Классификация рака…………………………………. 243

3.Планирование лучевого лечения……………………. 246

3.1.Принятие решения…………………………………. 246

3.2.Процесс планирования лучевого лечения………… 246

7

4.Получение данных о пациенте……………………… 247

4.1.Введение…………………………………………….. 247

4.2.Контур тела………………………………………….. 248

6.2.Метод отношения ткань-воздух (или ткань-максимум)……………………………… 261

6.3.Метод сдвига изодоз……………………………...... 262

7.Поправки на негомогенность ткани..…………….. 264

7.1.Общее рассмотрение……………………………...... 264

7.2.Метод TAR………………………………………....... 265

7.3.Степенной закон TAR……………………………… 266

7.4.Метод вычитания пучка…………………………… 267

7.5.Обобщение на многослойную среду……………… 268

7.6.Эквивалентное TAR (ETAR)……………………….. 271

7.7.Метод сдвига изодоз……………………………….. 272

7.8.Типичные значения поправочных факторов………272

8.Метод дифференциального отношения рассеяние-

воздух (DSAR)……………………………………….. 273

8.1.Поправка на нерегулярность контуров…………… 274

8.2.Поправка на учет негомогенностей……………….. 275

9.Поглощенная доза внутри негомогенности……….. 277

9.1.Кость………………………………………………… 277

9.2.Граница раздела кость-ткань. Мягкая ткань в кости………………………………………………… 280

9.3.Мягкая ткань, окружающая кость………………….281

9.4.Легочная ткань……………………………………… 282

9.5.Воздушная полость………………………………… 283

10.Тканевая компенсация…………………………….. 284 10.1. Расчет компенсаторов……………………….. 284

11.Расчет дозовых распределений в условиях нарушения электронного равновесия……………...286

11.1.Проблема нарушения электронного равнове-

8

сия………………………………………………………. 286

11.2.Метод базовых функций………………………….. 287

11.3.Полуэмпирический метод…………………………294

11.4.Нарушение электронного равновесия

воздушными полостями…………………………… 297

12.Перемещение пациента и органов………………… 300

12.1.Общее описание проблемы геометрической вариации…………………………………………… 301

12.2.Метод коррекции позиции……………………….. 304

12.3.Движение органов………………………………… 308

13.Позиционирование и иммобилизация

пациентов…………………………………………. 309

Контрольные вопросы……………………………….. 316 Список литературы…………………………………... 318

Глава 5. Определение формы поля и дозы на кожу. Разделение полей…………………………………… 322

1.Введение………………………………………………322

2.Блокирование поля………………………………….. 322

2.1.Толщина блока……………………………………… 323

2.2.Создание формы поля……………………………… 324

2.3.Независимые коллимационные пластины………. 324

2.4.Многолепестковый коллиматор (МЛК)…………... 325

3.Кожная доза………………………………………….. 327

3.1.Электронное загрязнение фотонных пучков……... 327

3.2.Уменьшение кожной дозы как функция

энергии фотонов…………………………………… 328

3.3.Эффект расстояния «поглотитель-кожа»…………. 328

3.4.Эффект размера поля………………………………. 330

3.5.Электронные фильтры…………………………… 331

3.6.Влияние на кожную дозу косого падения пучка…. 333

4.Разделение смежных полей…………………………. 334

4.1.Геометрическое разделение……………………….. 335

4.2.Дозиметрическое разделение……………………… 341

4.3.Сопряжение ортогональных полей………………... 341

4.4.Общие правила сопряжения полей………………... 344

9

Контрольные вопросы……………………………….. 345 Список литературы…………………………………….. 346

Глава 6. Трехмерное дозиметрическое планирование дистанционной гамма-терапии……………………. 348

1. Особенности 2-, 2.5- и 3-мерного дозиметрического планирования………………….. 348

2.Классификация алгоритмов расчета дозы, применяемых в 3-МДП………………………………350

3.Геометрия элементарных источников и их ядра….. 351

3.1.Дифференциальный тонкий луч (ДТЛ)…………… 353

3.2.Тонкий луч (ТЛ)……………………………………. 354

3.3.Конечный тонкий луч (КТЛ)……………………… 356

3.4.Основные приближения модельных алгоритмов… 358

4.Метод дифференциального тонкого луча…………. 359

4.1.Общая постановка………………………………….. 359

4.2.Аналитическая аппроксимация ядра ДТЛ в воде…362

4.3.Аналитическая аппроксимация ядра ДТЛ в гетерогенной среде………………………………… 363

4.4.Алгоритм «Разложение на конусы»………………. 364

5.Метод тонкого луча…………………………………. 371

5.1.Общая постановка………………………………….. 371

5.2.Аналитическая аппроксимация ядра тонкого луча в воде…………………………………………... 373

5.3. Алгоритм тонкого луча на основе аналитической аппроксимации ядра ТЛ…………………………… 375

6.Метод конечного тонкого луча (КТЛ)……………... 383

6.1.Алгоритм расчета дозы на основе метода КТЛ….. 383

6.2.Учет изменения SSD……………………………….. 387

6.3.Метод конечного тонкого луча, основанный на экспериментальных дозовых распределениях…389

6.4.Определение полной дозы…………………………. 393

6.5.Учет негомогенностей………………………………395

Контрольные вопросы…………………………………. 395 Список литературы…………………………………….. 397

10