Цена доставки диссертации от 500 рублей 

Поиск:

Каталог / ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКИЕ НАУКИ / Физика / Приборы и методы экспериментальной физики

Физические аспекты применения пучков протонов с энергией 50-250 МЭВ в медико-биологических исследованиях

Диссертация

Автор: Ломанов, Михаил Федорович

Заглавие: Физические аспекты применения пучков протонов с энергией 50-250 МЭВ в медико-биологических исследованиях

Справка об оригинале: Ломанов, Михаил Федорович. Физические аспекты применения пучков протонов с энергией 50-250 МЭВ в медико-биологических исследованиях : Дис. ... д-ра физико-математические науки : 01.04.01 Москва, 1984 c. :

Физическое описание: стр.

Выходные данные: Москва, 1984






Содержание:

ВВЩЕНИЕ
Глава
I СОСТОЯНИЕ И ЗАДАЧИ ФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ, СВЯЗАННЫХ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРОТОННЫХ ПУЧКОВ В МЕЩИЩШЕ
IIРадиационные поля различных излучений
12Передача энергии быстрых протонов атомам среды
13Задачи и экспериментальные методы дозиметрии полей локального облучения протонами
14Оптимальная энергия протонов
15Краткие выводы
Глава 2 ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ПРОТОНОВ И РАДИА-ЩОННЫЙ ЭФФЖТ
21 Кривая Брэгга и ее параметры
22Электронное равновесие в пучке протонов
23 Вклад вторичных электронов и эффекта Оже в процессы, протекающие под действием ионизирующих излучений
231Акты ионизации с большой передачей энергии атомному электрону
232Релятивистское возрастание радиационного эффекта
233Физическое моделирование радиационных процессов
234Соударения с большой передачей энергии
24 Радиационные процессы, зависящие от флюенса частиц
25 Краткие выводы
Глава 3 ЯДЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ,ГЕНЕРРЕРОВАВНОЕ ПРОТОНАШ
31Генерация вторичных излучений во внутри-дцерном каскаде
32Энерговыделение при распаде возбужденных я,цер ЗЗСво11?ше данные по дозовыгл вкладам вторичных частиц Н О
34Краткие вывода
Глава 4даЛЕНИЕ И ГЛУБОКОЕ РАСЩЕПЛЕНИЕ ЯДЕР ПРОТОНМШ В ОБЛАСТИ СРВДНИХ Э Н Е Р Ж
41Область максимума сечения глубокого расщепления
42 Состояние исследований по делению тяжелых ядер
43Измерение сечений деления тяжелых ядер протонами
44Зависимость делшлости ядер от параметра ^ /А
45Краткие выводы
Глава 5РАСЧЕТ И ФОРМИРОВАНИЕ ДОЗБЫХ ПОЛЕЙ
51Формирование энергетического спектра протонов
5211ростое описание энергетического спектра
53,Профиль пучка сложной конфигурации
54Формирование градиента поля на краю пучка
55Расчет жзодоз для конвергентного облучения напролет
56Краткие вывода
Глава 6МЕТ0ДЫ И ТЕХНИКА ИССЛЕДОВАНИЯ РАДИАЦИОННЫХ ПОЛЕь^ !
61Особенности физических измерений на протонном пучке
62Фантомные измерения с помощью ионизационной камеры
63Термолюминесцентный детектор (ТЛД) -
6,4Вторичные эффекты при измерении тока протонов
65_^Абсолютные измерения поглощенной дозы
65 1Калибровка интенсивности методом активащаг углерода
652Ферросульфатная дозиметрия
653Результаты сравнения методов дозиметрии
66 Твердотельный детектор смешанного излучения
67 Краткие вывода
Глава 7 ЭКСНЕШМТГАЛШОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАДИАЦИОННЫХ ПОЛЕМ
71Измерение дозных распределений "шфокого" пучка
72Вторичное излучение на широких пучках
73Измерение полей конвергентного облучения
74Сопоставление дозных полей для облучения внутричерепных мишеней
75, Краткие выводы

Введение:
В последние годы использование протонов в лучевой терапии цриобретает все больший интерес. В целом ряде случаев были практически подтверждены преимущества протонного облучения перед другими методами лучевой терапии. Однако эти преимущества могут быть полностью использованы только после серьезной подготовительной работы - физической, радиобиологической и клинической.Целью настоящей работы является разработка физических основ использования протонных пучков в медицине и биологии. Работа включает в себя теоретическое и экспериментальное исследование методов создания и измерения протонных радиационных полей, изучение вторичных излучений, создаваемых протонными пучками в тканях, разработку методов дозиметрии протонных пучков, исследование ядерных реакций, вызываемых протонами, энергия которых лежит в интересующем нас диапазоне (от 5'О до 250 МэВ).Актуальность и практическое значение работы определяются потребностями медицины в новых методах лучевого лечения. Как мы уже отмечали, цротонное облучение имеет? ряд преимуществ перед облучением с помощью гамма-квантов и электронов, которое давно уже используется в клинике. Протоны обладают ясно выраженным пробегом (ткани, расположенные за пробегом, излучением не повреждаются). Глубину проникновения частиц легко регулировать, варьируя их энергию. Рассеяние протонов в тканях невелико. Тщательно - 6 коллимируя пучки, можно получить резкую боковую границу, разделяющую повреждаемые ткани от неповреждаемых. Наконец, пучки заряженных частиц хорошо фокусируются магнитными полями, что позволяет эффективно их использовать и упрощает защиту, поскольку подавляющая часть излучения сразу направляется в поражаемую область.Коллимация пучков осуществляется простывай средствами.Перечисленные особенности протонных пучков обусловили возможность их радиохирургического применения. Тонкие пучки диаметром в несколько миллиметров можно использовать для бескровного оперативного вмешательства в тех случаях, когда обычная хирургия представляется нежелательной, например, при подавлении функций гипофиза. Общее число больных, прошедших такое лечение, к настоящему времени превосходит 2000 человек. Радионейрохирургия успешно применяется в США (начиная с 50-х годов), в Швеции и в Советском Союзе.Применение протонов для непосредственного облучения злокачественных опухолей началось существенно позднее. Первые серьезные шаги в этом направлении были предприняты в СССР. До этого облучение онкологических больных проводилось в США и в Швеции, однако при этом речь шла только о единичных опытах, не позволивших сделать ясных выводов.В СССР первые два пучка протонов были выведены на фазотроне ЛЯП ОИЯИ в 1966 году и на протонном синхротроне ИТЭФ в 1967 году.(В ЙТЭФ применение протонных пучков для лечения онкологических больных было начато по инициативе академика й.Я.Померанчука).Лечение больных на базе этих ускорителей начал Всесоюзный онкологический научный центр АМН СССР (под руководством профессора А.И.1^дермана). В настоящее время на синзфотроне ИТЭФ работают также врачи из многих других лечебных учреждений, в том числе из - 7 Института нейрохирургии им.Бурденко, Института глазных болезней им.Гельмгольца, Института эндокринологии и химии гормонов, Рентгенорадиологического института. Облучение гипофиза проводится по поводу его опухоли или при гормонозависимых раках молочной предстательной железы. Облучаются опухоли внутри глаза, рак кожи,шейки матки и предстательной железы и ряд других новообразований.Использование протонного пучка в клинических целях потребовало проведения ряда физических исследований и разработок. Отмеченные выше особенности протонного облучения определяют новые требования к технике измерений. В частности, обычно при облучении фотонами и электронами уровни дозы ниже 10$ от дозы в центре очага не представляют интереса, так как весь курс облучения неизбежно дробится на мелкие фракции, и разовая доза, полученная здоров1ЫМи органами оказывается малой. При протонном облучении режим фракционирования выбирается более свободно благодаря тому, что удается создать резкую границу облучаемой зоны и ограничить облучение там, где это нежелательно. В связи с этим пространственное разрешение приборов и диапазон их чувствительности должны быть значительно увеличены.Необходимо отметить, что пучки протонных ускорителей не являются непрерывными, а иногда выводятся короткими импульсами с большими интервалами. Так, на синхротроне ИТЭФ длительность импульсов составляет около 100 не, а интервал между ними - 2,5 секунды. Техника измерений импульсного пучка резко отличается от традиционной техники, разработанной для постоянных источников гамш-излучения. Важную для клиники величину - поглощенную дозудо постановки этой работы не приходилось измерять на мощных импульсных пучках.Следует иметь в виду также, что измерения поглощенной дозы - 8 не дают достаточной для клиники информации без сведений о способности частиц производить радиационные эффекты. Биологическое действие излучений зависит от линейных передач энергии (ЛПЭ), и при ЛПЭ выше 10 кэВ/мкм различие между ожидаемым (по величине поглощенной дозы) и наблюдаемым биологическим эффектом становится очень существенным "^ /.К этому следует добавить, что широко применяемые для регистрации потоков и дозы частиц методы, как правило, обладают пониженной чэ^вствительностью к частицам с большими Ж Э . Неполный учет примеси этих частиц может заметно искажать результат измерения.Такие частицы генерируются протонами в коллимирующих устройствах и в самой облучаемой мишени. С увеличением объема мишени до одного литра и более доза от этих частиц может представлять опасность для радиочувствительных органов больного и их вклад требует тщательного изучения.Для определения состава и спектра излучений можно использовать ядерные фотоэмульсии, однако из-за трудоемкости измерения с ними производятся сравнительно редко. Для определения дозы нейтронов удобны простые в обработке твердотельные трековые детекторы.Подобные детекторы можно снабжать делящимися ядерными мишенями, после чего они становятся чувствительными и к протонам. Однако, для их разработки недостает .данных по сечениям реакций деления под действием протонов, что составляет отдельную проблему.Возвращаясь к зависимости действия излучения от Ш Э , отметим, что в литературе часто встречается утверждение об одинаковом биологическом действии протонов и гамма-лучей. Это действительно так, если говорить об отсутствии качественных различий в действии этих излучений. К началу настоящей работы количественная сторона вопроса была недостаточно выяснена, что приписывалось - 9 низкой точности биологического эксперимента. Однако наблюдаемые расхождения частично объясняются и физическими причинами: несовершенством измерения поглощенной дозы, нарушением электронного равновесия в пучке, неучтенной примесью вторичных излучений.Поэтому одной из задач диссертации является определение поправок, входящих в поглощенную дозу.Перечисленные вопросы определяли содержание настоящей работы. В диссертации излагается значительная часть физических исследований, которые проводились автором в связи с использованием ускорителя Й Т Ш для радиобиологии и медицины. Целый ряд вопросов радиационной физики протонов связан с изучением их электромагнитных и ядерных взаимодействий. Целесообразно рассмотреть каждый вид взаимодействий отдельно, чем и определяется план настоящей работы.Зпектромагнитные взаимодействия определяют основную часть распределения поглощенной энергии, которое можно рассматривать на двух уровнях - микроскопическом (от размера трека частицы до размера клетки) и на непосредственно наблюдаемом, макроскопическом уровне. Для протонов и других быстрых частиц особое значение приобретают их взаимодействия с внутренними оболочками атомов, входящих в состав тканей. Помимо прямого выбивания вторичных электронов с этих оболочек, значительную роль играют безрадиационные оже-переходы.Ядерные взаимодействия протонов вносят меньший вклад в поглощенную дозу, чем электромагнитные, но зато продукты ядерных взаимодействий создают более сильные радиационные аффекты, которые также должны учитываться, Научная новизна проведенных исследований состоит в следующем. Получены существенно новые результаты в физике взаимодейст- 10 ВИЙ протонов с атомами и ядрами ж в технике формирования радиационных полей. Б частности, для взаимодействий частиц с атомами рассмотрены релятивистские эффекты, возникающие при ионизации внутренних оболочек протонами, впервые выяснена определяющая роль дельта- и оже-электронов для радиационных процессов, происходящих при облучении быстрыми протонами биологических сред.Изучены поправки к дозе, связанные с генерацией протонами ядерных излучений. Результат, полученный для пучков, применяемых в терапевтических целях, отличается от известного в радиационнозащитной дозиметрии для облучения мишеней со значительно большими объемами тем, что преобладающий вклад в дозу вносят не частицы, генерированные во внутриядерном каскаде, как во втором случае, а продукты распада остаточных ядер на послекаскадной стадии.Разработаны способы формирования и измерения дозных полей на пучках протонов. Для формирования энергетического спектра протонов применен специальный гребенчатый фильтр. Универсальным методом измерения дозных распределений протонов и сопутствующего им нейтронного фона явился твердотельный трековый детектор.Обе эти разработки зарегистрированы как изобретения.Для обоснования этих разработок проведено два цикла физических исследований. В первом, посвященном изучению структуры радиационных полей, выполнены эксперименты в широко варьируемых условиях, и на основе полученных данных найдены простые аналитические?)писания для формы кривых Брэгга и для дозных распределений в полях, образованных коллиматорами с апертурой сложной конфигурации (многоугольник, система колец и т.п.), а также для сложения конвергентных полей.Проведен также анализ аналогичной зависимости для реакций глубокого расщепления ядер, подученной Рудстамом путем аппроксимации экспериментальных данных'•^^/. Выведенная им формула для энергии, соответствующей максимуму функции возбуждения, заменена новой для энергий протонов 100-250 МэВ. Результаты анализа реакций деления и глубокого расщепления ядер позволяют выбирать оптимальные области энергий для использования ядерных реакций в прикладных целях, включая их применение для создания детекторов смешанного излучения ядерных частиц.Практически весь материал, изложенный в диссертации, нашел применение в качестве физического обоснования для использования пучков протонов в лучевой терапии, а также в предклинических биологических исследованиях. Перед началом изложения перечисленных вопросов, определивших содержание работы, будет проведен краткий обзор и анализ литературного материала. - 12