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

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

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

Биологическая доза действует на разные клетки не линейно и по разному

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!

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.

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 )

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

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

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

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.

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)

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.

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

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

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

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.

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.

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.

Спасибо за внимание!