Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине кратко

Обновлено: 02.07.2024

Ускорителем называют устройство, в котором под действием электрических и магнитных полей формируется пучок заряженных частиц высокой энергии. Распространённым ускорителем является бетатрон. Бетатроны способны ускорять электроны до десятков МэВ.

Ускорители заряженных частиц применяют как средство лучевой терапии в двух основных направлениях. 1) Используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов (использование тормозного излучения оказывается более эффективным, чем гамма-терапия); 2) используют прямое действие ускоренных частиц: электронов и протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а протонный пучок получают от других ускорителей. Заряженные частицы, в том числе и протоны, наибольшую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попадании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухолевые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой терапии глубинных опухолей. Поверхностные слои в этом случае повреждаются минимально. Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пучки и, таким образом, очень точно воздействовать на опухоль.

Ускорители применяют и в диагностике, где можно выделить так же 2 области: 1) ионная медицинская радиография (пробег тяжелых заряженных частиц (α-частицы, протоны) зависит от плотности вещества, поэтому если регистрировать поток частиц до и после прохождения объекта, то можно получить сведения о средней плотности вещества); 2) применение синхротронного излучения. Синхротронным излучением называют интенсивное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близкими к скорости света. Наиболее эффективным для облучения глубоколежащих опухолей являются ионы высоких энергий, т.к. в этом случае окружающая здоровая ткань получает небольшую долю радиации.

Дозиметрия-раздел ядерной физики, в котором рассматриваются физические величины, характеризующие распределение ионизирующего излучения и его взаимодействия с веществом. Эти физические величины называются дозиметрическими. Поглощенной дозой излучения (дозой излучения ) Д_пназывается энергия ионизирующего излучения, поглощенная единицей массы облучаемой среды. Измеряется в системе СИ в Греях (Гр). 1 Гр равен энергии в 1Дж, поглощенной массой в один кг. На практике распространенной единицей Д_п для излучений любых видов(α-,β-,γ- и т.д.)является рад: 1рад=0,01 Дж/кг=100 эрг/г. Величина поглощенной дозы зависит от: вида излучения, свойств и геометрии источника излучения, времени облучения, вида облучаемого материала. Поглощенную энергию ΔE в некотором объеме, содержащем вещество массой m, можно представить в виде: ΔE=E_вх-E_вых+E₀, E_вх-энергия всех частиц, входящих в данный объём; E_вых-энергия всех частиц, выходящих из него; E₀-энергия всех частиц, испускаемых источником, находящимся внутри данного объёма (например, радионуклидами). Формирование дозы определяется физическими процессами, которые связаны с взаимодействием излучения с веществом. Для электромагнитного излучения (фотонного) Д_п зависит от атомного номера Z элементов вещества: чем выше Z, тем больше Д_п. Для нейтронов Д_п определяется ядерным составом вещества, поскольку они взаимодействуют с ядрами атомов. Зависит от энергии нейтронов. Для живой ткани Д_п формируется, в основном, в результате взаимодействия нейтронов с ядрами C,H,N,O. Для быстрых нейтронов (0,5-10 Мэв), основным процессом, определяющим поглощенную дозу в живой ткани, является упругое рассеяние. Экспозиционная доза рентгеновского и γ-излучения Д_зпредставляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха. Д_Э измеряется непосредственно над облучаемым объектом. Единица Дэ-кулон на килограмм (Кл/кг). Дэ=1Кл/кг соответствует тому, что электроны и позитроны освобожденные в 1 кг атмосферного воздуха в первичных актах поглощения и рассеяния фотонов, образуют при полном торможении в воздухе ионы с суммарным зарядом 1 Кл. Внесистемная единица Дэ-рентген 1Р=2,58*10 -4 Кл/кг. Мощность экспозиционной дозы рентгеновского и γ-излучений: N_э= , измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Зная атомный состав вещества, среднюю энергию ионизации и энергетический спектр излучения, по величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощенную дозу рентгеновского и γ-излучений: Дп=fДэ. Здесь Дп измеряется в радах, а Дэ в рентгенах.

Биологическое действие различных видов ионизирующих излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Поэтому действие на организм излучения находится в прямой зависимости от количества переданной энергии.

Существует несколько видов дозы излучения:

Физическая или экспозиционная доза (D

Поглощенная доза (П

Эквивалентная доза (Н

Коэффициент качества излучения k является регламентированной величиной относительной биологической эффективности г), устанавливаемой специальными комиссиями и предназначенной для контроля радиационной опасности. Имеются таблицы коэффициентов качества для разных типов излучения в зависимости от среднего значения линейного поглощения энергии.

Эквивалентная доза (Н). Понятие введено в связи с тем, что разные виды ионизирующих излучений представляют различную биологическую опасность для органов или тканей живого организма.

Биологическое действие одинаковых поглощенных доз различных видов излучений неодинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения и различной чувствительностью разных тканей организма к облучению.

Чем выше удельная ионизация, тем выше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества (КК). Он показывает во сколько биологический эффект данного вида излучения сильнее, чем от образцового при равенстве поглощенных доз в биологическом объекте (в качестве образцового берут рентгеновское с энергией 200 КэВ).

Н = П х ОБЭ

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг. Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 бэр = 0,01 Зв.

Радиация по своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут "запустить" не до конца еще установленную цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.Ионизирующие излучения любого вида не имеют избирательного действия, т. е. они влияют на все ткани и системы организма без исключения. Величина поглощенной энергии радиоактивного излучения, при которой наступает заметный биологический эффект, незначительна. Невелико и число ионизированных молекул в биологических тканях даже при смертельных дозах.Наши органы чувств не улавливают ионизирующего излучения, т. е. мы не ощущаем изменения свойств окружающей среды в момент излучения ни по температуре, ни по шуму, свету, давлению, запаху, цвету и т. д. Человек не получает сигнала бедствия от организма, поэтому возможно облучение в больших дозах. Установлено, что любое воздействие ионизирующего излучения небезразлично для организма.Процессы взаимодействия ИИ с веществом клетки, в результате которого образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, являются первым этапом развития лучевого поражения. И свободные электроны, и ионизированные атомы, и молекулы не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционно-способные, как "свободные радикалы" (Н + ;ОН - ;НО₂ - пероксид).В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с дру-гими молекулами, и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к злокачественным новообразованиям.

Современные возможности лучевой терапии - протоны, электроны, быстрые нейтроны, пионы

Протоны обеспечивают отличное физическое распределение дозы: она медленно возрастает с глубиной и резко достигает максимума в конце пути частиц, что называется пиком Брега. Этот острый пик позволяет подвести дозу очень точно и в ограниченную область.

Кроме преимущества в физическом дозном распределении протоны обладают свойствами, сходными с рентгеновскими лучами, и поэтому идеальны при определенных клинических ситуациях, например при лечении опухолей спинного мозга, меланомы глаза, — там, где точность подведения дозы чрезвычайно важна, чтобы избежать повреждения нормальных тканей.

Хотя метод эффективен в некоторых клинических случаях, стоимость лечения протонами на циклотроне или специальном линейном ускорителе высока, а эти аппараты имеются только в некоторых клиниках в Хьюстоне (шт. Техас), Лома Линда (шт. Калифорния), Блумингтоне (шт. Иллинойс), Бостоне (шт. Массачусетс).

Электроны в современной лучевой терапии

Большинство современных ускорителей продуцирует пучки электронов высокой энергии. Эти частицы быстро теряют энергию в процессе прохождения через ткань, взаимодействуя с ее атомами, и в результате их кинетическая энергия падает до нуля. Поэтому электроны в отличие от фотонов проникают на небольшую глубину, в зависимости от исходной энергии и вида облучаемой ткани.

Трансвагинальное облучение электронами применяют с гемостатической целью при обильном кровотечении из экзофитной опухоли шейки матки. Особенность распределения дозы в данном случае такова, что основная часть энергии, подведенной трансвагинально, поглощается опухолью. Во многих клиниках опухоли вульвы и пахово-бедренные лимфоузлы облучают электронами.

Ограничения к применению данного вида терапии обусловлены быстрой потерей энергии и связанной с этим неэффективностью лечения глубоко расположенных новообразований, а также строгой необходимостью расположения аппликатора очень близко к очагу. В связи с этим лечение электронами эффективно только при поверхностных поражениях.

Быстрые нейтроны в современной лучевой терапии

При взаимодействии нейтронов с тканью возникают протоны отдачи, а-частицы и другие ядерные частицы. Их потенциальная польза заключается в низком коэффициенте кислородного усиления, а следовательно, снижается резистентность гипоксических клеток, уменьшается избирательность к фазе клеточного цикла, ухудшается репарация сублетальных повреждений и возрастает эффективность при медленно делящихся опухолях.

Рандомизированные контролируемые исследования показали, что нейтронная терапия приводит к лучшему местному эффекту при облучении некоторых опухолей, но ее практическое применение ограничено высокой частотой осложнений, стоимостью циклотрона, ограниченной глубиной проникновения частиц, высокой дозой на поверхности в месте проникновения нейтронов, отсутствием отчетливых границ пучка и вариабельной модуляцией интенсивности.

Недавно возродился интерес к использованию данного вида лучевой терапии (ЛТ) при опухолях простаты и слюнных желез.

Отрицательные n-мезоны и другие тяжелые ионы в современной лучевой терапии

Отрицательные n-мезоны, или пионы, — это отрицательно заряженные частицы с массой в 273 раза меньше электрона. Они образуются в циклотроне или линейном ускорителе, когда протоны с энергией 400—800 МэВ бомбардируют бериллиевую мишень. Пионы появляются в пике Брега, вызванном активными протонами, нейтронами и а-частицами.

Предметом изучения были и другие тяжелые ионы, например неона, аргона и углерода, но оборудование для производства этих особых частиц дорогое и не везде доступно. Их использование ограничено только экспериментальным лечением. Подобно нейтронам, эти виды облучения имеют высокую биологическую эффективность и низкую зависимость от наличия кислорода.

Редактор: Искандер Милевски. Дата обновления публикации: 18.3.2021

Информация на сайте подлежит консультации лечащим врачом и не заменяет очной консультации с ним.
См. подробнее в пользовательском соглашении.

Из примерно 17 тысяч существующих сейчас ускорителей лишь около сотни используются в научных целях. Остальные — это компактные низкоэнергетические ускорители, половина из которых работает на благо медицины.

Например, пучки протонов определенной энергии позволяют с миллиметровой точностью выжигать глубокие опухоли без существенного воздействия на остальные ткани. При торможении в веществе протоны выделяют основную часть своей энергии на последних миллиметрах пути. Зная глубину залегания опухоли, можно так подобрать энергию пучка, чтобы эти последние миллиметры как раз попали внутрь опухоли.

Другое применение ускорителей в онкологии — нейтронная борозахватная терапия. В организм пациента вводится фармпрепарат с изотопом бора-10, который сильнее накапливается в клетках опухоли, чем в здоровых клетках. Ядра бора-10 обладают очень высокой вероятностью захватывать пролетающие мимо тепловые нейтроны, поэтому если пациента облучить нейтронным пучком, то нейтроны будут поглощаться преимущественно клетками опухоли и разрушать их. В этом состоит отличие этой методики от протонной терапии — ведь протоны выделают свою энергию одинаково и в больных, и здоровых клетках. Поэтому с помощью нейтронной терапии можно эффективно воздействовать на злокачественные образования, которые не локализованы в виде отдельной опухоли, а распределены по всему пораженному органу. Нейтронный ускоритель, призванный сделать эту терапию доступной и эффективной, разрабатывается сейчас в новосибирском Институте ядерной физики.

С помощью компактных низкоэнергетических ускорителей вырезают раковые опухоли и создают короткоживущие изотопы для точной и — благодаря сверхнизкой концентрации изотопа — безопасной диагностики заболеваний. А цифровые малодозные рентгеновские установки, использующиеся во многих зубных кабинетах, — это потомки детекторов фотонов, применявшихся на ускорителях.

На фото: установка протонной терапии рака (слева) и результат сканирования тела с помощью протонно-эмиссионной томографии

Ускорители применяют и для создания прямо в медицинском центре короткоживущих ядер-маркеров с периодом полураспада порядка часа. Сразу после синтеза они вводятся в организм, оседают в тканях и вскоре распадаются. Высокочувствительные детекторы регистрируют продукты распада и дают четкое изображение тканей. Благодаря сверхнизкой концентрации радиоизотопов такая диагностика заболеваний довольно безопасна. Основанная на этой идее позитронно-эмиссионная томография используется сейчас во многих клиниках мира.

азличаютлинейные ициклические ускорители. В линейных ускорителях частицы движутся по прямолинейной траектории, в циклических — по окружности или спирали.

Наиболее известным циклическим ускорителем является циклотрон (рис. 27.14), в котором под действием магнитного поля индукции , направленной перпендикулярно плоскости рисунка, заряженная частица движется по окружностям. Переменное электрическое поле между дуантами1ускоряет частицу. Согласно формуле (13.23), период Т вращения частицы не зависит от ее скорости и радиуса траектории, поэтому время прохождения частицей любой полуокружности в каждом дуанте одинаково. Оно соответствует половине периода колебаний электрического поля. Таким образом, магнитное поле обеспечивает вращение частицы по окружности, а электрическое поле — изменение ее кинетической энергии. Источник частиц 2 находится вблизи центра циклотрона, пучок ускоренных частиц 3 вылетает из циклотрона после ускорения.

Циклотрон способен ускорять протоны до 20—25 МэВ. Ограничение энергии ускоряемых частиц обусловлено релятивистской зависимостью в формуле (13.23) массы 1 ( 1 В настоящее время в физической литературе принято использовать релятивистскую зависимость импульса от скорости частицы. Здесь эти подробности не рассматриваются) от скорости, что приводит к увеличению периода вращения частицы с возрастанием ее скорости. В результате этого нарушится синхронность между движением частицы и изменением электрического поля. Электрическоеполе будет не ускорять, а замедлять частицы. В связи с этим в циклотроне нельзя ускорять электроны, так как они быстро достигают релятивистских скоростей.

Из этого затруднения можно найти выход, изменяя частоту электрического поля в соответствии с изменением периода вращения заряженной частицы. Такой ускоритель называютфазотроном (синхроциклотроном), он способен ускорять протоны до энергии ~ ГэВ.

Можно предположить и другое решение вопроса: по мере возрастания массы увеличивать индукцию магнитного поля. Как видно из формулы (13.23), в этом случае можно сохранить период вращения частицы неизменным. Ускоритель такого типа называют синхротроном.

Для ускорения тяжелых частиц до энергий порядка гигаэлектрон-вольт и выше используют синхрофазотрон, в котором изменяют и магнитное поле, и частоту электрического поля.

Довольно распространенным ускорителем электронов невысоких энергий является бетатрон. В отличие от других циклических ускорителей в нем электрическое поле не подается от внешних источников, а создается при изменении магнитного поля (явление электромагнитной индукции).

а рис. 27.15,а схематически показано, что при изменении магнитного поля электромагнита 1 возникает, согласно теории Максвелла, вихревое электрическое поле. В зазоре 2 магнита расположена вакуумная камера, в которой ускоряются электроны. Силовые линии электрического поля в виде концентрических окружностей проходят в плоскости, перпендикулярной плоскости рис. 27.15, а. На рис. 27.15, б изображена отдельная линия напряженности электрического поля, которая приближенно совпадает с траекторией электрона. На этом рисунке линии вектора в основном перпендикулярны плоскости чертежа, магнитная индукция возрастает.

Электрон удерживается на орбите магнитным полем (сила Лоренца) и ускоряется электрическим.

Бетатроны способны ускорять электроны до десятков мега-электрон-вольт. В настоящее время бетатроны используют главным образом в прикладных целях, в том числе и медицинских. Остановимся на медицинских приложениях ускорителей.

Ускорители заряженных частиц применяют как средство лучевой терапии в двух основных направлениях.

Во-первых, используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов, ускоренных бетатроном. Использование тормозного излучения оказывается более эффективным, чем гамма-терапия.

Во-вторых, используют прямое действие ускоренных частиц: электронов, протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а протонный пучок получают от других ускорителей. Как видно из рис. 27.3, заряженные частицы, в том числе и протоны, наибольшую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попадании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухолевые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой терапии глубинных опухолей. Поверхностные слои в этом случаеповреждаются минимально.

Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пучки и, таким образом, очень точно воздействовать на опухоль. Наряду с лечебным применением ускорителей в последние годы открылись возможности использования их в диагностике. Здесь можно указать две области.

Одна — ионная медицинская радиография. Суть метода заключается в следующем. Пробег тяжелых заряженных частиц (-частицы, протоны) зависит от плотности вещества. Поэтому если регистрировать поток частиц до и после прохождения объекта, томожно получить сведения о средней плотности вещества.

Таким образом, так же как и при рентгенографии, возможно различать структуры большей и меньшей плотности. Преимущество у этого метода перед рентгенографией — более низкая контрастность, что позволяет лучше различать структуру мягких тканей.

Другая область применения связана с синхротронным излучением.

Синхротронным излучением называют интенсивное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близкими к скорости света. Впервые это излучение как световоенаблюдалось на синхротронах, поэтому оно и называется синхротронным. Синхротронное излучение в целях диагностики применяют аналогично обычному рентгеновскому излучению. Одно из преимуществ синхротронного излучения перед рентгеновскимзаключается в возможности поглощения этого излучения преимущественно некоторыми элементами, например иодом, который может иметь повышенную концентрацию в тканях. Отсюда возникают условия для ранней диагностики злокачественных опухолей.

Отметим, что синхротронное излучение начинают также применять и в лучевой терапии.

Читайте также: