Лечение рака ионизирующим излучением

Введение

Внешняя лучевая терапия (ВЛТ) – это форма лучевой терапии, использующая высокоэнергетический коллимированный пучок ионизирующего излучения из источника вне тела для прицельного уничтожения раковых клеток. Пучок лучевой терапии состоит из частиц, движущихся в согласованном направлении; каждый пучок лучевой терапии содержит один тип частиц, предназначенный для лечения, хотя большинство пучков содержат некоторое количество примесей других типов частиц. Пучки лучевой терапии классифицируются по типу частиц, которые они предназначены для доставки, таким как фотоны (в виде рентгеновских или гамма-лучей), электроны и тяжелые ионы; рентгеновские и электронные пучки являются наиболее широко используемыми источниками для внешней лучевой терапии. Ортовольтажные ("поверхностные") рентгеновские лучи используются для лечения рака кожи и поверхностно расположенных структур. Мегавольтажные рентгеновские лучи применяются для лечения глубоко расположенных опухолей (например, мочевого пузыря, кишечника, предстательной железы, легких или головного мозга), в то время как мегавольтажные электронные пучки обычно используются для лечения поверхностных поражений, простирающихся на глубину около 5 см. Небольшое число центров проводят экспериментальные и пилотные программы с использованием пучков более тяжелых частиц, особенно протонов, благодаря быстрому уменьшению поглощенной дозы ниже глубины цели. Телетерапия является наиболее распространенной формой лучевой терапии. Пациент сидит или лежит на кушетке, и внешний источник ионизирующего излучения направляется на определенную область тела. В отличие от брахитерапии (радиотерапия с закрытым источником) и терапии с негерметичными источниками, где источник излучения находится внутри тела, внешняя лучевая терапия направляет излучение на опухоль извне.

Источники и свойства рентгеновских лучей

Рентгеновское излучение Bremsstrahlung создается путем бомбардировки энергичными катодными лучами (электронами) на мишень из материала с высоким атомным номером, например, вольфрама. Мишень действует как своего рода преобразователь, преобразующий часть кинетической энергии электронов в энергичные фотоны. Киловольтные рентгеновские лучи обычно производятся с использованием рентгеновской трубки, в которой электроны проходят через вакуум от горячего катода к холодному аноду, который также служит мишенью. Однако, производство мегавольтных рентгеновских лучей таким способом непрактично; вместо этого, для получения рентгеновских лучей такой энергии чаще всего используется линейный ускоритель. Рентгеновское излучение при мегавольтах более направлено вперед, а при киловольтах – более в стороны. Следовательно, киловальтовые рентгеновские лучи обычно производятся с использованием отражающей мишени, в которой излучение испускается обратно с поверхности мишени, в то время как мегавольтные рентгеновские лучи обычно производятся с проходящей мишенью, в которой рентгеновские лучи испускаются со стороны, противоположной направлению падения электронов. Отражающие мишени демонстрируют эффект пятки и могут использовать вращающийся анод для улучшения теплоотвода. Комптоновское рассеяние является доминирующим взаимодействием между мегавольтовым пучком и пациентом, в то время как фотоэлектрический эффект преобладает при энергиях кэВ. Кроме того, комптоновское рассеяние гораздо меньше зависит от атомного номера, чем фотоэлектрический эффект; в то время как киловальтовые пучки усиливают различия между мышцами и костями при медицинской визуализации, мегавольтовые пучки подавляют эти различия, что выгодно для телетерапии. Производство пар и фотонейтронов возрастает при более высоких энергиях, становясь значительным только при энергиях порядка 1 МэВ. Энергия рентгеновских лучей в диапазоне кэВ описывается электрическим напряжением, используемым для их генерации. Например, пучок 100 кВp создается напряжением 100 кВ, приложенным к рентгеновской трубке, и будет иметь максимальную энергию фотона 100 кэВ. Однако на спектр пучка могут влиять и другие факторы, такие как форма напряжения и внешняя фильтрация рентгеновского излучения. Эти факторы отражаются в слое полуценного ослабления (HVL), измеряемом в воздухе в условиях "хорошей геометрии". Типичная поверхностная энергия рентгеновского излучения может составлять 100 кВp при 3 мм Al – "100 киловольт, приложенных к рентгеновской трубке с измеренным слоем полуценного ослабления 3 мм алюминия". Слой полуценного ослабления для ортовольтовых пучков обычно измеряется с использованием меди; типичная энергия ортовольтового излучения составляет 250 кВp при 2 мм Cu. Для рентгеновских лучей в диапазоне МэВ для производства пучка не используется фактическое напряжение той же величины. Пучок 6 МВ содержит фотоны с энергией не более 1 МэВ, а не 6 МэВ; энергия такого пучка обычно характеризуется измерением отношения интенсивности пучка на разных глубинах в среде. Киловальтовые пучки не демонстрируют эффекта накопления и, следовательно, откладывают максимальную дозу на поверхности, то есть d = 0 или D = 100%. Напротив, мегавольтовые пучки демонстрируют эффект накопления; они откладывают максимальную дозу на некоторой глубине под поверхностью, то есть d > 0. Глубина максимальной дозы определяется пробегом электронов, высвобождаемых в направлении, противоположном направлению пучка, во время комптоновского рассеяния. На глубинах, превышающих d, профиль дозы всех рентгеновских пучков уменьшается примерно экспоненциально с глубиной. Хотя фактические значения d зависят от различных факторов, приведены следующие типичные эталонные значения. + Типичная глубина d Напряжение (МВ) < 1 4 6 9 10 14 20 24 25 34 d (см) 0 1 1.5 1.9 2.3 2.7 3.5 3.9 3.8 4.7

Bremsstrahlung X rays are produced by bombarding energetic cathode rays (electrons) onto a target made of a material with high atomic number, such as tungsten. The target acts as a sort of transducer, converting part of the electrons' kinetic energy into energetic photons. Kilovoltage X rays are typically produced using an X ray tube, in which electrons travel through a vacuum from a hot cathode to a cold anode, which also acts as the target. However, it is impractical to produce megavoltage X rays using this method; instead, a linear accelerator is most commonly used to produce X rays of such energy. X ray emission is more forward directed at megavoltage energies and more laterally directed at kilovoltage energies. Consequently, kilovoltage X rays tend to be produced using a reflection type target, in which the radiation is emitted back from the target's surface, while megavoltage X rays tend to be produced with a transmission target in which the X rays are emitted on the side opposite that of electron incidence. Reflection type targets exhibit the heel effect and can use a rotating anode to aid in heat dissipation. Compton scattering is the dominant interaction between a megavoltage beam and the patient, while the photoelectric effect dominates at keV energies. Additionally, Compton scattering is much less dependent on atomic number than the photoelectric effect; while kilovoltage beams enhance the distinction between muscle and bone in medical imaging, megavoltage beams suppress that distinction to the advantage of teletherapy. Pair production and photoneutron production increase at higher energies, only becoming significant at energies on the order of 1 MeV. X ray energy in the keV range is described by the electrical voltage used to produce it. For instance, a 100 kVp beam is produced by a 100 kV voltage applied to an X ray tube and will have a maximum photon energy of 100 keV. However, the beam's spectrum can be affected by other factors as well, such as the voltage waveform and external X ray filtration. These factors are reflected in the beam's half value layer (HVL), measured in air under conditions of "good geometry". A typical superficial X ray energy might be 100 kVp per 3 mmAl – "100 kilovolts applied to the X ray tube with a measured half value layer of 3 millimeters of aluminum". The half value layer for orthovoltage beams is more typically measured using copper; a typical orthovoltage energy is 250 kVp per 2 mmCu. For X rays in the MeV range, an actual voltage of the same magnitude is not used in production of the beam. A 6 MV beam contains photons of no more than 1 MeV, rather than 6 MeV; the energy of such a beam is instead generally characterized by measuring the ratio of the beam's intensity at varying depths in a medium. Kilovoltage beams do not exhibit a build up effect and thus deposit their maximum dose at the surface, i. e. d = 0 or D = 100%. Conversely, megavoltage beams do exhibit the buildup effect deposit; they deposit their maximum dose at some depth below the surface, i. e. d > 0. The depth of dose maximum is governed by the range of the electrons liberated upstream during Compton scattering. At depths beyond d, the dose profile of all X ray beams decreases roughly exponentially with depth. Though actual values of d are influenced by various factors, the following are representative benchmark values. + Representative d Voltage (MV) < 1 4 6 9 10 14 20 24 25 34 d (cm) 0 1 1.5 1.9 2.3 2.7 3.5 3.9 3.8 4.7

Электроны

Рентгеновские лучи создаются при бомбардировке электронами материала с высоким атомным номером. Если мишень удалена (и ток пучка уменьшен), получается высокоэнергетический электронный пучок. Электронные пучки полезны для лечения поверхностных поражений, поскольку максимальное отложение дозы происходит вблизи поверхности и затем быстро уменьшается с глубиной, сохраняя подлежащие ткани. Электронные пучки обычно имеют номинальную энергию в диапазоне 4–20 МэВ, что соответствует глубине лечения примерно 1–5 см (в тканях, эквивалентных воде). Энергии выше 18 МэВ используются редко. Хотя мишень для рентгеновского излучения удаляется в электронном режиме, пучок необходимо рассеивать с помощью наборов тонких рассеивающих фольг для достижения плоских и симметричных профилей дозы в облучаемой ткани. Многие линейные ускорители могут производить как электроны, так и рентгеновские лучи.

Адронная терапия

Адронная терапия подразумевает терапевтическое использование протонов, нейтронов и более тяжелых ионов (полностью ионизированных атомных ядер). Из них протонотерапия является наиболее распространенной, однако по сравнению с другими видами лучевой терапии она все еще встречается редко, так как требует крупногабаритного и дорогостоящего оборудования. Гантри (устройство, вращающееся вокруг пациента) представляет собой многоэтажное сооружение, а стоимость системы протонотерапии может достигать (по данным на 2009 год) 150 миллионов долларов США.

Коллиматор с несколькими листами

Современные линейные ускорители оснащены многолистными коллиматорами (МЛК), которые могут перемещаться в поле излучения во время вращения гонтовки ускорителя и блокировать поле по мере необходимости, в зависимости от положения гонтовки. Эта технология предоставляет планировщикам лучевой терапии большую гибкость в защите органов, подверженных риску (OARS), при этом обеспечивая доставку предписанной дозы в целевые органы. Типичный многолистный коллиматор состоит из двух наборов, содержащих от 40 до 160 листов, каждый из которых имеет толщину около 5–10 мм и длину в несколько сантиметров в двух других измерениях. Каждый лист МЛК выровнен параллельно полю излучения и может перемещаться независимо, блокируя часть поля и адаптируя его к форме опухоли (путем регулировки положения листов), тем самым минимизируя объем здоровой ткани, подвергающейся облучению. На более старых линейных ускорителях без МЛК это необходимо выполнять вручную, используя несколько блоков, изготовленных вручную.

Радиационная терапия с модуляцией интенсивности

Интенсивно-модулированная лучевая терапия (IMRT) – это современная методика лучевой терапии, используемая для минимизации объема нормальной ткани, подвергающейся облучению в поле лечения. В некоторых системах модуляция интенсивности достигается перемещением пластин многолистового коллиматора (MLC) в процессе лечения, что позволяет сформировать поле излучения с неоднородной (т.е. модулированной) интенсивностью. С помощью IMRT врачи-радиоонкологи могут разделить пучок излучения на множество лучиков и изменять интенсивность каждого лучика, а также часто дополнительно ограничить дозу облучения, получаемую здоровыми тканями вблизи опухоли. Клинический опыт показывает, что это иногда позволяет безопасно увеличить дозу облучения, направленную на опухоль, что потенциально повышает вероятность успешного лечения.

Терапия объемно-модулированной дуги

Волюметрически модулированная дуговая терапия (VMAT) является развитием ИМРТ, характеризующимся вращением линейного ускорителя вокруг пациента. Это означает, что облучение может поступать к пациенту не только с небольшого числа фиксированных углов, а под множеством углов. Это может быть полезно для лечения некоторых областей, где целевая область окружена рядом органов, позволяя проводить целенаправленное лечение, не подвергая близлежащие органы повышенному уровню радиации.

Без фильтра для сглаживания

Интенсивность рентгеновского излучения, генерируемого в мегавольтажном линейном ускорителе, значительно выше в центре пучка по сравнению с его краями. Для компенсации этого центрального пика используется выравнивающий фильтр. Выравнивающий фильтр имеет коническую форму для компенсации направленного импульса падающих электронов (и обычно изготавливается из металла, такого как вольфрам); после прохождения рентгеновского пучка через выравнивающий фильтр, он приобретает более однородный профиль. Это упрощает планирование лечения, хотя и существенно снижает интенсивность пучка. Благодаря увеличению вычислительной мощности и разработке более эффективных алгоритмов планирования лечения, потребность в упрощенных методах планирования, таких как "прямое планирование", при котором планировщик напрямую задает линейному ускорителю параметры проведения предписанного лечения, снижается. Это привело к росту интереса к лечению без выравнивающего фильтра (FFF). Показано, что лечение FFF характеризуется повышенной максимальной дозовой скоростью, что позволяет сократить время лечения и уменьшить влияние движений пациента на точность доставки дозы. Это делает FFF особенно перспективным направлением в стереотаксической терапии. Например, при лечении рака молочной железы сокращение времени лечения может уменьшить движения пациента и снизить влияние дыхательных движений.

Образ-направленная лучевая терапия

Изображенно-контролируемая лучевая терапия (IGRT) дополняет лучевую терапию с помощью визуализации для повышения точности локализации опухоли, тем самым уменьшая объем здоровой ткани в поле облучения. Для того чтобы пациенты могли воспользоваться преимуществами сложных методов лечения, таких как ИМРТ или адронная терапия, требуется точность позиционирования пациента с погрешностью не более 0,5 мм. Поэтому методы, такие как верификация положения пациента (PPVS) на основе стереоскопической цифровой киловольтовой визуализации и оценка выравнивания на основе конусно-лучевой компьютерной томографии (КТ), проводимой непосредственно перед облучением, расширяют спектр современных подходов IGRT.