Сравнение биологическолго действия пучков протонов и ионов при радиационном лечении. Марк Кац ИТЭФ, Москва. - презентация

1 Сравнение биологического действия пучков протонов и ионов при радиационном лечении. Марк Кац ИТЭФ, Москва

2 Цель радиационной терапии – в объеме мишени создать биологическую дозу для подавления клеток рака, и минимально облучить при этом здоровые клетки.

3

4

5 Известно, что для лечения желательно применять пучки ионов, а не более доступные пучки протонов. У ионов в 20 раз выше dE/dx, они наносят сразу такие повреждения клетке, которые не восстановятся. Поэтому только пучки ионов могут бороться с радиорезистентными опухолями. У ионов острее пик Брегга. Ионы меньше рассеиваются в теле. Ионы можно фокусировать в мишени точнее, чем протоны. У ионов более высокая биологическая эффективность.

6 В этой работе сделана попытка сравнить действие пучков протонов и ионов при облучении одинаковых мишеней по коэффициенту полезного действия

7 При помощи программы TRIM можно рассчитать как в зависимости от начальной энергии Е теряет свою энергию в теле (в воде) одиночный протон или ион углерода. dE/dx =f(R). Пучок имеет убывание из-за ядерных взаимодействий, из-за многократного рассеяния, из-за статистического разброса в величинах пробега. Форма распределения физической дозы зависит от пробега. Каждому значению пробега R соответствуют начальная энергия E, dE/dx, ОБЭ, конечные неопределенности в поперечных (от рассеяния) и продольной координат. Кривые для протонов и ионов похожи, но на 30 см в теле протон теряет 230МэВ, а ион 4800МэВ, т.е. у иона ОБЭ в 20 раз больше. Для достижения одинаковой биологической дозы число протонов должно быть примерно в 20 раз больше, чем ионов.

8 Мишень – цилиндр с диаметром и размером вдоль пучка d на глубине L от поверхности тела. Рассматриваю только оптимальный способ распределения дозы в объеме мишени – сканирование на каждую глубину тонким пучком. (Никаких фильтров до пациента!) При этом эффективные поперечные размеры пучка равны размерам мишени.

9 Обычно распределение дозы по глубине физики измеряют не так. Используют для упрощения опыта широкий пучок и маленький детектор, или узкий пучок и широкий детектор. Именно сканирование узким пучком дает суммарно поперечные размеры эффективного пучка равными размерам мишени. При этом надо учитывать рассеяние частиц в теле за пределы мишени.

10 МэВ/нуклон МеВ D=dE/dx=f(R) BD=D*RBE RBE=F(dE/dx) – в ПИКЕ!

11 На результат облучения нелинейно влияет произведение физической дозы dE/dx на относительную биологическую эффективность (ОБЭ=RBE) Если ОБЭ=const, то его влияния на форму распределения биологической дозы нет. Распределение в глубину биологической дозы более тем острое, чем сильнее зависит ОБЭ от dE/dx! Для протонов эта зависимость слабая.

12 Биологическая доза действует на разные клетки не линейно и по разному

13 Биологическая доза BD– произведение dE/dx (ЛПЭ) на относительную биологическую эффективность этого облучения ОБЭ. Величина ОБЭ сильно зависит от от dE/dx [МеВ/мм], от типа клеток, от облучаемого органа, от способа измерения, от величины разовой дозы…. Для оценки величин ОБЭ в зависимости от dE/dx была использована кривая, изображенная на рис.1. По х – логарифмический масштаб!

14

15 Надо облучить объем мишени РАВНОМЕРНО по БИОЛОГИЧЕСКОЙ ДОЗЕ с точностью (3-5)% независимо от остроты пика. Но малой глубине пик такой острый, что его полезно искусственно уширять тонким гребенчатым фильтром. Но большой глубине надо учитывать уширение пика из-за страгглинга – статистической неопределенности в пробегах частиц с одинаковой начальной энергией.

16 Кривые распределения дозы dE/dx и BD в зависимости от исходной энергии (пробега) с учетом рассеяния, стат. разброса в пробегах (straggling) и ядерных взаимодействий Протоны ( dE/dx по программе TRIM в воде ) Ионы углерода ( dE/dx по программе TRIM в воде, BD=(dE/dx) RBE )

17 Примеры распределения дозы в теле при нескольких размерах мишени d и ее глубины L при сканировании n раз с одного направления с расстояния 2.5 м и 40 м протонами. d=1cм L=1 см, n=8, K=0.75, L=3 см, n=4, K=0.6 L=7 см, n=3, K=0.55 L=27cm, n=2, K=0.65 d=2cm L=1cm, n=8, K=0.85 L=3cm, n=6, K=0.75 L=6cm, n=4, K=0.7 L=26cm, n=2, K=0.7 d=4 см L=1 см, n=16, K=0.9 L=3cm, n=8, K=0.8 L=12cm, n=4, K=0.7 L=24cm, n=3, K=0.75 d=8cm L=1 см, n=20, K=0.95 L=3cm, n=12, K=0.9 L=8 см, n=8, K=0.85 L=20cm, n=6, K=0.85 d=16cm L=1cm, n=32, K=1.0 L=3cm, n=12, K=0.95 L=12cm, n=8, K=1.0

18 Примеры распределения дозы и биологической дозы в теле при нескольких размерах мишени d и ее глубины L при сканировании n раз с одного направления с расстояния 2.5 м и 40 м ионами углерода (без хвостов от фрагментации). d=1cm L=1 см, n=7, K=0.55 L=3 см, n=5, K=0.45 L=7cm, n=3, K=0.35 L=27cm, n=2, K=0.35 d=2cm L=1cm, n=12, K=0.65 L=3 см, n=8, K=0.5 L=7cm, n=5, K=0.45 L=27cm, n=2, K=0.5 d=4cm L=1cm, n=20, K=0.75 L=3cm, n=12, K=0.65 L=7cm, n=8, K=0.55 L=25cm, n=4, K=0.6 d=8cm L=1cm, n=30, K=0.85 L=3cm, n=20, K=0.8 L=7cm, n=12, K=0.75 L=21cm, n=6, K=0.8 d=16cm L=1cm, n=30, K=0.95 L=7cm, 16, 0.95 L=13cm, n=12, K=1.0

19 Оценка биологического эффекта BE =(dE/dx)*RBE на плато К по сравнению с BE=1.0 в мишени при облучении с одного направления протонами и ионами углерода Диаметр и глубина мишени d cm Протоны К Ионы углерода К

20 Дозы до мишени не маленькие! Для уменьшения их влияния облучение проводят по частям (по фракциям) много дней, при этом здоровые ткани восстанавливаются несколько быстрее раковых, и этот эффект накапливается. Для уменьшения числа фракций облучать надо с разных направлений. При облучении гамма источник облучения всегда вращается вокруг лежащего пациента. Обычно для вращения пучков протонов и ионов применяют ГАНТРИ- установки. Без возможности облучать с нескольких выбранных направлений преимущество протонной терапии не всегда велико.

21

22 Мишень облучается любыми пучками до одинаковой биологической дозы, протонами – за счет интенсивности. Нас интересует распределение биологической дозы! Цель облучения – минимальное облучение здоровых тканей – или максимальная доля биологической дозы выделенная пучком именно в объеме мишени. (КПД = MAX)

23 Были получены оценки (с точностью около 15%) коэффициентов полезного действия пучков протонов M(P) и ионов M(C) и их отношения Н при облучении одинаковых мишеней с разными размерами d и с разной глубиной L.

24 L см d см M(P) M(C) H M(P) M(C) H M(P) M(C) H M(P) M(C) H M(P) M(C) H M(P) M(C) H

25 Однако для многих мишеней качество облучения протонами или ионами обличается слабо, до 10%. Из таблицы видно, что пучок ионов всегда облучает здоровые ткани меньше, чем пучок протонов. Это преимущество существенно для глубоких мишеней (L 4 см) с небольшими размерами (d 4 см). Такие выводы можно ожидать: Первое: чем больше мишень – тем ближе биологическая доза на плато до мишени к дозе в мишени и разница в применении пучка ионов вместо пучка протонов уменьшается. Второе: чем меньше глубина мишени, тем меньше объем здоровых тканей, которые облучаются, тем ближе результаты облучения протонами и ионами. Третье: чем больше глубина мишени, тем сильнее сказывается облучение здоровых тканей сбоку от мишени протонами из-за многократного кулоновского рассеяния

26 Какие мишени (d, L) полезно облучать ионами – виднее врачам. Глазные мишени лучше облучать протонами, нет хвоста дозы за пиком Брегга.

27 На базе оцененных КПД я пытался сравнить эффективность разного оборудования – горизонтального пучка, плоской системы с ограничением поворотов 45 градусов и Гантри – с любыми поворотами. Вычислить это можно для любых мишеней, но это бессмысленно, ибо выбор оптимальных направлений облучения зависит в основном не от максимального КПД для гомогенного тела, а от свойств тела – через какие органы пропускать пучок не желательно.

28 Гантри – идеальный прибор (пациент неподвижен, для облучения доступны любые направления), но все Гантри громоздкие, сложные и дорогие, особенно для ионов. Гантри – тормоз для внедрения оптимальной лучевой терапии. Плоская система – компромиссное решение (стол с пациентом смещается на направление облучения, для облучения доступны не все направления ). Но плоские системы принципиально компактнее, проще и дешевле.

29

30 Если использовать три процедурные комнаты расположенные на разной высоте и снабженные плоскими системами, то для облучения в пределах цикла лечения (10-30 дней) доступны любые направления, и производительность центра облучения возрастает в 2-3 раза. Внедрение плоских систем – единственный путь к массовой терапии пучками протонов и ионов.

31 Спасибо за внимание!