Лечение с високоенергийни частици

Автор: Илина Василева, сп. Българска наука, бр. 86, 2016 г.

В повечето случаи частиците с висока енергия като протони и електрони се свързват с експериментите, които се провеждат във физичните лаборатории, като например CERN (Европейската организация за ядрени изследвания). Изучаването на взаимодействията между тези частици посредством измервания с детекторите в CERN дава възможност да се тестват различни теории и разширява нашите познания за света.

Изучаването на взаимодействията между елементарните частици, както и взаимодействията между елементарните частици и материята, през която преминават, дава отговори не само на фундаментални въпроси, например от какво е направена Вселената, но и решава чисто практични проблеми. Много от технологиите разработени във физичните лаборатории, като детектори и алгоритми, се прилагат в различни области от живота.

Може би едни от най-важните приложения на тези знания и технологии са в областите медицина и биология. Приложенията са многобройни – медицински снимки с ядрено-магнитен резонанс, медицински снимки с рентгенови лъчи, лечение с йонизиращо лъчение (рентгенови лъчи, електрони, протони, йони) и др. Днес тези области се развиват много динамично и допринасят за по-доброто разбиране на причините за някои болести, както и тяхното лечение. Тази статия дава начални познания за лечението с йонизиращо лъчение и по-специално лечението с рентгенови лъчи и протони.


РЕКЛАМА:

***

Фиг. 1 Форма на разпределението на дозата при взаимодействието на снопове от електрони (electron), неутрони (neutron), рентгенови лъчи (X-ray), гама-лъчи (γ-ray), протони (proton) и въглеродни йони (carbon ion) с вода. [1]

Когато високоенергийни частици преминават през човешкото тяло, те йонизират материята (тъканта), през която преминават, като по този начин депозират енергия в нея. В зависимост от това какви са тези високоенергийни частици, тяхното взаимодействие с материята е различно. Това най-ясно личи от Фиг. 1, която показва разпределението на дозата (енергията, депозирана в материал с известна маса) в зависимост от разстоянието от повърхността на човешкото тяло. Фиг. 1 показва формата на разпределението на дозата за различни частици: електрони, неутрони, рентгенови лъчи, гама-лъчи, протони и въглеродни йони при тяхното взаимодействие с вода. Човешкото тяло съдържа около 70% вода, така че Фиг. 1 представя сравнително добро предположение на взаимодействието на тези частици в човешкото тяло.

От графиката се наблюдават следните особености:

  1. Неутралните частици (частиците без заряд) като рентгенови лъчи, гама-лъчи и неутрони имат висока начална доза, която постепенно намалява с разстоянието, но не изчезва напълно.
  2. Частиците със заряд като електрони, протони и въглеродни йони се характеризират с депозиране на енергия до определено разстояние. Това разстояние зависи от началната енергия на тези частици. Електроните имат висока начална доза, протоните и въглеродните йони имат ниска начална доза. Освен това протоните и йоните депозират почти цялата си енергия в края на това разстояние.

 

Основната цел на лечението с високоенергийни частици е да се разрушат туморните клетки като същевременно дозата в здравата тъкан остане минимална. Като се има предвид това както и формата на разпределение на дозите от Фиг. 1, могат да се направят следните изводи:

  1. Облъчването с електрони се използва за лечение на тумори, които се намират близо до повърхността на човешкото тяло, поради висока начална доза и спиране на електроните до определено разстояние.
  2. Облъчването с рентгенови лъчи, протони и въглеродни йони се използва за лечение на тумори, които се намират на известно разстояние от повърхността на човешкото тяло.

 

Фиг.2 Симулация с Geant4 [2] на взаимодействието на снопове рентгенови лъчи (a) и протони (б) с водата. Цветове: зелено (траектории на първични и вторични рентгенови лъчи), червено (траектории на вторични електрони), синьо (траектории на първични и вторични протони). [3]

Нека сравним две терапии: терапията с рентгенови лъчи и терапията с протони. Както рентгеновите лъчи, така и протоните могат да достигнат тумори, които се намират на разстояние от повърхността на човешкото тяло. За разлика от рентгеновите лъчи, протоните депозират по-малко енергия в здравата тъкан преди тумора (ниска начална доза, Фиг. 1) и не депозират енергия след тумора (протоните спират на определено разстояние, което зависи от тяхната начална енергия, Фиг. 1). Това е от голямо значение, тъй като означава, че по-малко здрава тъкан е засегната от облъчването с протони, което от своя страна води до намаляване на страничните ефекти от терапията.

Фиг. 2 показва симулация на снопове рентгенови лъчи и снопове протони, насочени към центъра на една от стените на куб пълен с вода. Чертите с различни цветове обозначават траекториите на частиците от снопа, както и траектории на частиците, които се образуват при взаимодействието на частиците от снопа с водата. В случай (a) това са траектории на рентгенови лъчи от снопа, вторични рентгенови лъчи и вторични електрони. В случай (б) това са траектории на протони от снопа и вторични протони. Фиг. 2 дава нагледна представа защо формата на разпределение на дозата във Фиг. 1 изглежда по този начин.

Фиг. 3 показва разпределението на дозата при облъчване на мозъка и гръбначния стълб с рентгенови лъчи (photon) и протони (proton). Фиг. 4 показва разпределението на дозата при облъчване на тумор в мозъка с протони (IMPT и 3D-PRT) и рентгенови лъчи (IMRT).

Фиг. 3 Разпределението на дозата при облъчване на мозъка и гръбначния стълб с рентгенови лъчи (photon) и протони (proton). При облъчването с рентгенови лъчи има допълнителна доза в здравата тъкан в предната част на тялото. [4]

Фиг. 4 Разпределението на дозата при облъчване на тумор в мозъка с протони (IMPT и 3D-PRT) и рентгенови лъчи (IMRT). При облъчването с рентгенови лъчи има допълнителна доза в здравата тъкан в областта на врата и мозъка. Дозата се измерва в единици [Gy]. [5]

Фиг. 3 и Фиг. 4 показват наличието на допълнителна доза в здравата тъкан при терапията с рентгенови лъчи. Протонната терапия дава подобрения в лечението на тумори, тъй като се намалява дозата в здравата тъкан. Това е особено важно, ако туморът се намира в мозъка или е близо до критичен орган, например сърцето. Облъчването с протони е предпочитан начин за лечение на тумори, особено при децата, тъй като се намалява облъчването на здравата тъкан, а с това се намалява рискът от поява на вторични ракови образувания на по-късен етап от живота.

За съжаление протонната терапия не е толкова разпространена, колкото терапията с рентгенови лъчи. Една от основните причини е скъпата апаратура. Най-голям е броят на центровете в САЩ и Япония. В Европа има центрове в Германия, Италия, Чехия, Швеция, Швейцария и Франция. На сайта http://www.ptcog.ch/ можете да прочетете повече за терапията с протони, йони и тежки заредени частици. На същия сайт има списък с протонните центрове в експлоатация, центрове които в момента се строят, както и центрове, които се плануват да се изградят в бъдеще.

 

[1] R. Amos, Lectures for Proton Therapy, UCL (2014)

[2] S. Agostinelli et al., „Geant4 – A simulation toolkit“, Nuclear Instruments and Methods A 506 (2003)

[3] Ilina Korn, http://www.hep.ucl.ac.uk/pbt/RadiotherapyWorkbook/index.php/Main_Page, UCL

[4] R.Zhang et al., „Comparison of risk of radiogenetic second cancer following photon and proton craniospinal irradiation for a pediatric medulloblastoma patient”, Phys.Med Biol (2013)

[5] N. Boehling et al., „Dosimetric comparison of three-dimensional conformal proton radiotherapy, intensity-modulated proton therapy, and intensity-modulated radiotherapy for treatment of pediatric craniopharyngiomas”, Int. J. Rad. Oncology Biol. Phys. (2012)


Европейска нощ на учените 2022 г.: