Физика ионизирующего излучения Ионизирующее излучение излучение

Физика ионизирующего излучения

Ионизирующее излучение – излучение, которое при взаимодействии с веществом вызывает его ионизацию, т. е. образование зарядов разных знаков. Энергия ионизации – энергия, достаточная для отрыва электрона с внешней оболочки атома

Виды ионизирующего излучения

Фотонное (квантовое) излучение – электромагнитная волна определенной частоты. Не имеет заряда и массы, но имеет энергию. Электромагнитное излучение испускается в виде отдельных порций энергии (квантов), величина которых связана с частотой излучения выражением: E = hω E – энергия h – постоянная Планка E = h/λ λ = 1/ ω λ – длина волны

Спектр электромагнитного излучения

Корпускулярное излучение – поток ускоренных частиц Линейная потеря энергии Линейная плотность ионизации

Радиоактивность Радиоактивный распад — спонтанное изменение состава нестабильных атомных ядер (заряда Z, массового числа A) путём испускания элементарных частиц или ядерных фрагментов Процесс радиоактивного распада также называют радиоактивностью, а соответствующие элементы радиоактивными. Радиоактивными называют вещества, содержащие радиоактивные ядра.

Атом. Химический элемент. , где: X – обозначение химического элемента Z – заряд ядра A – массовое число

Изотопы – разновидности химического элемента, имеющие одинаковый заряд ядра, но разную массу

Естественная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, встречающихся в природе. Радиоактивны все химические элементы с порядковым номером, большим 82 (начиная с висмута), и некоторые более лёгкие элементы Искусственная радиоактивность — самопроизвольный распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие ядерные реакции.

Основные типы ядерных превращений Альфа-распад Бета-распад Электронный бета-распад Позитронный бета-распад Электронный захват Изомерный переход Спонтанное деление

α-распад – самопроизвольный распад атомного ядра на дочернее ядро и α-частицу (ядро атома 4 He). Бета-минус-распад - радиоактивный распад, сопровождающийся испусканием из ядра электрона и антинейтрино. Бета-плюс-распад - ядро испускает позитрон и нейтрино. При этом заряд ядра уменьшается на единицу. .

Альфа-распад

Альфа-частицы • Ядра гелия (2 нейтрона и 2 протона); энергия = 4 -8 Me. V; • Высокая линейная потеря энергии (<10 cm in air; 60µm in tissue); • Высокая линейная плотность ионизации (QF=20) (4 K-9 K пар ионов тканях); • Малая глубина проникновения.

Бета-распад

Бета частицы • Электроны или позитроны, с высокой скоростью вылетающие из ядра; заряд -1; масса 0. 00055 AMU; энергия = от Ke. V до 5 Me. V; • Низкая линейная плотность ионизации (QF=1) (6 -8 пар ионов/µm в тканях);

Активность – число распадов в единицу времени Период полураспада - время, в течение которого количество радиоактивных атомов уменьшается в 2 раза. Закон радиоактивного распада (Содди, Резерфорд, 1903 г. ) Число распадов за интервал времени в произвольном веществе пропорционально числу имеющихся в образце атомов.

Проникающая способность радиоактивного излучения

Единицы активности Кюри (Ci) = 3. 7 х1010 распадов в секунду Беккерель (Bq) = 1 распад в секунду Банановый эквивалент — понятие, применяемое для характеристики активности радиоактивного источника путём сравнения с активностью калия 40, содержащегося среди других изотопов калия в обычном банане.

Источники (радионуклиды), используемые в медицинских целях) Изотоп Тип Период Энергия пучка излучения полураспада Цезий-137 (137 Cs) γ-ray 30. 17 years 0. 662 Me. V Кобальт-60 (60 Co) γ-rays 5. 26 years 1. 17, 1. 33 Me. V Иридий-192 (192 Ir) γ-rays 74. 0 days 0. 38 Me. V (mean) Йод-125 (125 I) X-rays 59. 6 days 27. 4, 31. 4 and 35. 5 ke. V Палладий-103 (103 Pd) X-ray 17. 0 days 21 ke. V (mean) Рутений-105 (106 Ru) β-particles 1. 02 years 3. 54 Me. V

Гамма-излучение • Фотонное (электромагнитная волна) излучение • Источники – гамма-излучение, формирующееся при радиоактивном распаде и тормозное излучение рентгеновской трубки и линейных ускорителей

Тормозное излучение — электромагнитное излучение, испускаемое заряженной частицей при её рассеянии (торможении) в электрическом поле ядра атома.

Глубинно-дозное распределение в зависимости от вида излучения

На рисунке изображена ионизирующая способность электронов с энергией 5, 10 и 20 Мэ. В и, для сравнения, γ -излучения изотопа Со 60 и рентгеновского излучения, получаемого на трубке при напряжении 200 к. В.

Экспозиционная доза Единицей измерения в системе СИ является «Кулон на кг" (Кл/кг), что соответствует образованию в 1 кг воздуха такого количества ионов, суммарный заряд которых равен 1 Кл (каждого знака). Внесистемной единицей измерения является Рентген (1 Р = 2, 58 х 10 -4 Кл/кг ).

Поглощенная доза Поглощённая доза - энергия ионизирующего излучения, поглощённая облучаемым веществом и часто рассчитанная на единицу его массы. Измеряется в единицах энергии, которая выделяется в веществе (поглощается веществом) при прохождении через него ионизирующего излучения. Грей (Гр) - единица поглощённой дозы в системе единиц СИ. Соответствует энергии излучения в 1 Дж, поглощённой 1 кг вещества.

Эффект Комптона (Комптон-эффект) — явление изменения длины волны электромагнитного излучения вследствие рассеивания его электронами.

Фотоэффе кт — это испускание электронов веществом под действием света (и, вообще говоря, любого электромагнитного излучения).

Образование электронпозитронных пар • Рождение электрон-позитронных пар при взаимодействии гамма-кванта с электромагнитным полем ядра (в сущности, с виртуальным фотоном) является преобладающим процессом потери энергии гамма-квантов в веществе при энергиях выше 3 Мэ. В (при более низких энергиях действуют в основном комптоновское рассеяние и фотоэффект, при энергиях ниже Ep=1, 022 Мэ. В рождение пар вообще отсутствует).

Схема основных актов взаимодействия корпускулярных излучений с атомами веществ в тканях организма. Электроны, β-частицы α-частицы, протоны

Взаимодействие быстрого нейтрона с атомом водорода облучаемого материала

Все методы регистрации и количественного определения поглощенной энергии называются дозиметрией. Доза – величина энергии, поглощенной в единице массы облучаемого вещества. Для планирования и управления процессом лучевого лечения врача интересует, прежде всего, энергия, поглощенная в объекте и ее пространственное распределение, т. е. дозное поле. Дозное поле – пространственное распределение энергии излучения в облучаемой среде. Изодозные кривые – линии, соединяющие на эскизе облучаемого объекта все точки с одинаковым значением поглощенной дозы.

Ионизация может быть по двум путям: А + γ-излучение = ē + А+ электрон выбивается из атома излучением ē + В = Вэлектрон присоединяется к атому. Учитывая, что тело человека на 70% состоит из воды, в организме образуются молекулярные ионы Н 2 О+ и Н 2 О-, они очень нестойкие и распадаются с образованием гидроксильных и водородных ионов: Н 2 О+ Н+ + ОН Н 2 О- Н + ОН-, которые вступают в химические реакции ОН + ОН = Н 2 О 2 ОН + ОН = Н 2 О + О* (атомарный кислород).

Схематичная последовательность реакций при взаимодействии излучения с веществом:

Стадии лучевого поражения (Переслегин И. А. , Саркисян Ю. Х 1973) Время 10 -12 секунд Уровень поражения Физическое взаимодействие, поглощение энергии, ионизация и возбуждение молекул 10 -9 секунд Первичные радиохимические реакции, образование радикалов 10 -3 секунд Изменение молекул, нарушение биохимии клеток Секунды - минуты Минуты - часы Часы - минуты Сутки - месяцы Поражение структур клеток, ДНК Нарушение морфологии клеток, их гибель Нарушение функции органа, морфологические изменения в системах Гибель организма, лучевая болезнь, лучевые реакции Отдалённые Годы соматические сопротивляемости продолжительности последствия: организма, жизни, дистрофические изменения тканей развитие понижение сокращение опухолей,

Закон Бергонье -Трибондо (1906) чувствительность тканей к излучению прямо пропорциональна митотической активности и обратно пропорциональна дифференцировки ткани.

Под радиочувствительностью опухоли принято понимать уменьшение её размера под воздействием облучения. По этой характеристике выделяют радиочувствительные и радиорезистентные опухоли.

Классификация опухолей по признаку радиочувствительности (ВОЗ, 1967): 1. Опухоли, которые могут иметь высокую радиочувствительность: – – 2. Опухоли, которые могут иметь умеренную радиочувствительность: – – 3. плоскоклеточный рак; аденокарцинома молочной железы, прямой кишки, тела матки Опухоли, которые могут иметь низкую радиочувствительность: – – 4. семинома; лимфоцирная лимфома; другие лимфомы, лейкоз, миелома; ЛГМ ретикулярная саркомы, соединительнотканные саркомы (остео-, хондро-, миксо-, фибро-, нейро-, липо-) аденокарциномы ЖКТ опухоли почек, печени, поджелудочной железы глиома Меланома

Факторы, определяющие радиочувствительность 1. Морфология и патогенез. 2. Синхронность клеточного цикла. 3. Кислородный эффект. 4. Гетерогенность клеточных популяций в опухоли. 5. Количество хромосом и ДНК. 6. Радиосенсибилизация.

Митотический цикл М — митоз, G 1 — предсинтетический период, S — период синтеза ДНК, G 2 — постсинтетический период. G 0 — фаза покоя — клетка может переходить в нее либо после завершения синтеза ДНК, либо по окончании митоза; в фазе покоя клетка находится до тех пор, пока некоторый стимул не побудит ее снова вступить в цикл соответственно в G 1 или G 2 — фазе

К факторам, обусловливающим эту эффективность можно отнести: • наличие предшествующего облучения; • объём облучаемых тканей; • вид излучения; • время облучения;

Биологический эффект излучения зависит от: 1 поглощенной дозы излучения – зависимость прямая: с нарастанием дозы усиливается эффект 2 распределение во времени - возможны следующие варианты фракционирования: - классическое фракционирование: облучение каждый день, всего за 1 неделю 4 -6 сеансов; гипофракционирование: менее 4 сеансов за 1 неделю; гиперфракционирование (динамическое фракционирование): 2 и более сеанса за 1 день; расщеплённый курс облучения: обычно два укороченных курса нормального фракционирования с перерывом в 1 -2 недели на отдых.

• • • • В настоящее время в клинической практике находят применение: Ритмы облучения: одномоментное облучение непрерывное облучение (внутритканевая и аппликационная терапия) дробное или фракционное облучение а. мелкие фракции 0, 9 -2 Гр. , среднее фракционирование 2 -4 Гр. , в. крупное фракционирование 4 -6 Гр. Способы облучения: 1. Дистанционное - ротационное - секторное - касательное 2. Контактное: - аппликационное - внутриполостное - внутритканевое 3. Сочетанная лучевая терапия

• Терапевтический интервал обусловлен тем, что ткань опухоли, более чувствительная к действию радиации, подвергается разрушению при воздействии таких доз излучения, которые еще не вызывают тяжелых повреждений окружающих опухоль здоровых тканей. • Т. е. в лечении больных мы используем толерантные дозы. • Толерантной (переносимой) дозой называют дозу при которой частота поздних осложнений не превышает 5%. • Разные ткани обладают различной толерантностью к облучению, зависит от режимов и объема облучения, также определен эмпирически – фактор ВДФ. • В противоположность излечению опухолей, здесь действует обратный закон: чем больше объем тканей подвергается облучению, тем меньшая доза способна вызвать осложнения.

• • • • Лучевая терапия, проводимая преимущественно с радикальной целью (радикальное лечение): рак молочной железы; рак полости рта, губы, глотки, гортани (голова и шея); рак женских половых органов; рак кожи; лимфомы; первичные опухоли мозга; рак предстательной железы; нерезектабелные саркомы. Лучевая терапия проводимая преимущественно с паллиативной целью: метастазы в костях и головном мозге; хронические кровотечения; рак пищевода (дисфагия); рак лёгкого;

Диаграмма «доза-эффект-осложнения» лучевой терапии

Схематическое изображение различных объёмов, подлежащих учёту при лучевой терапии • • большой объём опухоли (БОО) то есть то что включает в себя видимую опухоль клинический объём опухоли (клинический объём мишени КОМ), то есть объём в котором учтен инвазивный рост опухоли. планируемый объём мишени (ПОМ) это объём включающий в себя клинический объём опухоли с поправкой на смещение больного относительно пучков облучения, вариации объёма и формы. объём облучения - это объём в котором проводится облучение с учётом толерантности окружающих тканей.

• Планирование облучения включает в себя следующие этапы: • специальное рентгенологическое или другое исследование для определения истинных форм и размеров патологического очага, его топографоанатомического положения, путей лимфоотока, взаимоотношения с другими органами, глубины расположения в теле больного; • составление топографоанатомической схемы поперечного сечения тела на уровне максимального размера опухоли в масштабе 1: 1; • разметка проекции опухоли на коже больного, формирование полей облучения и определение центрации пучка излучения; • -контроль точности планирования и воспроизведения условий облучения

• • К контактным относятся следующие методы облучения: внутриполостной; внутритканевой; радиохирургический; аппликационный; избирательного накопления изотопов; близкофокусная рентгентерапия. Контактные методы характеризуются резким падением величины дозы на ближайшем от источника облучения расстоянии. Поэтому объём облучаемых тканей не может превышать 1, 5 -2. 0 см. Это обстоятельство заставляет сочетать этот метод с дистанционными способами облучения.

• Внутриполостные методы облучения. • При ряде злокачественных новообразований (рак прямой кишки, рак шейки матки, рак эндометрия и других полостных органов) источник излучения можно подвести непосредственно в полость органа. Такой метод принято называть внутриполостным. Он может быть применён как самостоятельно, так и в сочетании с дистанционным облучением или оперативным методом лечения. Самостоятельно внутриполостной метод применяют для лечения опухолей, которые не проникают за пределы слизистой оболочки и обладают небольшими размерами (0, 5 -1, 0 см). • Источником излучения является, как правило γ-излучение.

• Внутритканевые методы терапии • Способ лучевой терапии при котором радиоактивное вещество во время лечения находится внутри ткани опухоли. • Внутритканевая терапия показана при хорошо отграниченных, небольших по объёму опухолях, расположенных в доступном для манипуляций месте. Перспективно использование внутритканевой терапии в подвижных органах: нижняя губа, мужские и женские половые органы, язык, молочная железа. • В качестве источника излучения используются изотопы Co 60, Ra-226, Cs 137, I 125. Внутритканевая лучевая терапия может проводиться при использовании изотопов в виде игл, проволоки или гранул.

• Аппликационый метод облучения. • При расположении опухоли на поверхности слизистых оболочек, возможна лучевая терапия поверхностно расположенным источником, расположенным непосредственно на поверхности или в некотором отдалении.

• Близкофокусная рентгентерапия. • К близкофокусной рентгенотерапии с 1959 года по рекомендации МАГАТЭ относятся все методы лучевой дистанционной терапии с расстоянием источник - поверхность менее 10 см. Чаще всего показанием для этого вида лучевой терапии является опухоли кожи и видимых слизистых оболочек (рак, базалиомы).

• Метод избирательного накопления изотопов в тканях. • При ряде заболеваний опухоль обладает способностью избирательного накопления в ткани определённые химические элементы, в том числе и радиоактивные изотопы. В настоящее время применяется изотопы йода (I - 131) для лечения метастазов рака щитовидной железы.

Дистанционные методы лучевой терапии • Дистанционной терапией по решению МАГАТЭ от 1959 года относят такие виды лучевой терапии, при которых расстояние РИП (расстояние источник-поверхность) более 10 см. • Выделяют следующие виды дистанционной лучевой терапии злокачественных новообразований (по И. А. Переслегину и Ю. Х. Саркисяну): • 1. Дистанционная γ-терапия. • А. Статическая Б. Подвижная • Терапия тормозным излучением высокой энергии А. Статическая Б. Подвижная • Терапия быстрыми электронами А. Статическая Б. Подвижная • Рентгенотерапия • А. Статическая Б. Подвижная

• • • Дистанционная γ - терапия. Главными условиями к источнику для проведения у терапии является следующие: источник должен обладать высокой энергией γ квантов, иметь большой период полураспада (годы), его получение не должно быть связано со значительными материальными затратами. Основным источником для γ терапии является Со-60 (аппарат ЛУЧ). Размер источника 2 x 2 см что удобно для транспортировки изотопа. Активность установки с СО-60 теряет 1, 1% в месяц, что обусловливает необходимость пересчёта доз 1 раз в 3 месяца. Источник находится внутри головки аппарата, не требуется дорогостоящей аппаратуры и больших энергозатрат, т. к. источник излучает постоянно - работать на аппарате возможно в несколько смен. Аппараты, головка которых неподвижна позволяет осуществлять статическую терапию, те аппараты, у которых штатив подвижен позволяет осуществлять подвижное облучение (секторное, маятникообразное, ротационное, тангенциальное).

• Терапия тормозным излучением высокой энергии. • При использовании «быстрых» электронов энергией 10 -40 Мэв увеличивается относительная глубинная доза при уменьшении поверхностной. Получить такое излучение можно при разгоне электронов в линейном или циклическом ускорителе, затем направив их на мишень из платины или золота. В результате торможения возникает γ излучение, которое принято называть тормозным. В нашей стране наиболее широко представлены аппараты фирмы Philips и их отечественные аналоги СЛ-75 -5, ЛУЭР 20 Мэв.

• Терапия быстрыми электронами высокой энергии. • Возможно облучение разогнанными электронами непосредственно опухоли без сброса на тормозящую мишень. Проникающая способность «быстрых» электронов невелика, но при прохождении через ткань облучаемого объекта происходит рассеяние электронов, пропорционально глубине. Это обстоятельство делает мало применяемым этот вид излучения при глубоко расположенных опухолях, но широко применяется при поверхностно расположенных опухолях (кожа, губа), а также для проведения лучевой терапии в послеоперационом периоде на область рубца.

Относительная биологическая эффективность разных видов ионизирующих излучений Вид излучения ОБЭ Рентгеновское и тормозное излучение 1 Гамма-излучение 1 Бета-частицы, электроны1 Альфа-частицы 10 Медленные нейтроны 3 Быстрые нейтроны 10 * Тяжелые ионы и ядра отдачи 10 *