Абсолютная дозиметрия медицинского протонного пучка ИТЭФ на основе активационного метода

Идея использования пучков ускоренных протонов в медицинских целях впервые была высказана Р. Вильсоном в 1946 г. [1], а менее чем через 10 лет, в 1954 г., она получила свое практическое воплощение в работах по облучению гипофиза, выполненных в Калифорнийском университете в Беркли (США) [2]. В числе первых исследователей проблемы были и советские ученые, благодаря усилиям которых протонная терапия в СССР сделала свои первые шаги в 1968;69 гг. В действие были введены медицинские протонные пучки в Объединенном институте ядерных проблем (ОИЯИ, г. Дубна) и в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ, Москва) [3, 4]. В настоящее время (по данным на середину 1999 года) в 10 странах мира действуют 18 центров (в том числе три — на базе специализированных ускорителей), в которых проводится протонное лечение различных видов заболеваний, а курсы протонной терапии по данным на июль 1999 года [5] прошло более 24 ООО человек.

Целью лучевой терапии, как и всякого другого терапевтического вмешательства, является оказание лечебного воздействия на очаг патологии в организме человека. В идеальной ситуации лучевая терапия должна оказать максимальное терапевтическое воздействие на патологически измененные ткани (мишень) в организме пациента, не причиняя никакого вреда окружающим здоровым тканям. Однако на практике достижение этих идеальных условий не представляется возможным, и окружающие здоровые ткани неизбежно подвергаются некоторому лучевому воздействию. Для достижения высокого процента излечения патологического очага лучевым терапевтам приходится работать вблизи верхней границы толерантности здоровых тканей, когда доза, подводимая к мишени, уже дает желаемый терапевтический эффект, а уровни дозы на здоровые ткани еще не приводят к их повреждению (т. н. терапевтический интервал). Этот интервал достаточно узок, и отсюда с неизбежностью вытекает необходимость достаточно точного измерения дозы, подводимой к очагу патологии и к окружающим здоровым тканям.

Актуальность работы.

Развитие протонной лучевой терапии (ПЛТ) и ускоренный рост за последние годы числа центров ПЛТ во многих странах мира выдвигают на первый план задачу обобщения и распространения опыта, накопленного в протонной терапии. Применительно к клинической дозиметрии это прежде всего означает унификацию подходов и методов определения абсолютной величины поглощенной дозы. До начала данной работы суммарная погрешность абсолютной дозиметрии медицинского пучка ИТЭФ оценивалась примерно в ± 8%. На определенном этапе развития протонной лучевой терапии такая погрешность могла считаться приемлемой. Однако ужесточение требований к гарантии качества ПЛТ и совершенствование методов клинической дозиметрии определили необходимость и возможность снижения относительной погрешности измерения поглощенной дозы до уровня ± 5%. Указанная точность абсолютной дозиметрии обоснована, например, в рекомендациях, опубликованных Скандинавской ассоциацией медицинских физиков (КАСР) [6] и предъявляемых к дозиметрическому обеспечению радиотерапевтических установок. Задача повышения точности клинической дозиметрии протонных пучков стала особенно актуальной после разработки и опубликования международных рекомендаций [7, 8, 9], в которых максимально допустимым считается пятипроцентное расхождение между измерениями поглощенной дозы в разных центрах ПЛТ. Обеспечение пятипроцентной точности представляет собой качественно новый уровень решения задачи по определению поглощенной дозы, поскольку требует проведения комплексного анализа параметров, определяющих погрешности избранного метода дозиметрии. Столь высокая точность необходима для успешного применения протонных пучков в медицине, а также для достоверного сравнительного научного анализа экспериментальных данных, в том числе клинических результатов, полученных в различных центрах ПЛТ, Таким образом, погрешность определения абсолютной величины поглощенной дозы в каждом из центров не должна превышать ±5%.

Цель работы.

Цель работы заключалась в проведении анализа возможностей активационного метода абсолютной дозиметрии медицинского пучка ИТЭФ, а также в разработке и реализации мер, которые помогли бы снизить погрешность этого метода абсолютной дозиметрии медицинского пучка ИТЭФ до величины, не превышающей ± 5%.

При выполнении поставленной задачи с учетом своеобразных параметров медицинского пучка ИТЭФ были проанализированы особенности активационного и некоторых других методов определения абсолютной величины поглощенной дозы. Сравнение возможностей рассмотренных методов позволило придти к выводу о том, что, не отказываясь от активационного метода как эталонного для медицинского пучка ИТЭФ, можно существенно снизить его погрешность и добиться выполнения требований международных рекомендаций по обеспечению точности измерения поглощенной дозы. В ходе выполнения диссертационной работы был решен ряд вопросов теоретического и экспериментального характера.

К работам, посвященным теоретическим аспектам, можно отнести решение двух задач. Первая касается разработки математических моделей, описывающих регистрацию Реактивности на созданной в отделе медицинской физики ИТЭФ установке «Позитрон», и анализа возможностей модернизации конструкции этой установки. Вторая задача может быть сформулирована как анализ погрешностей активационного метода определения поглощенной дозы применительно к параметрам медицинского пучка ИТЭФ.

К экспериментальным работам можно отнести следующие:

— измерение сечения мониторной ядерной реакции 12С (р, рп) пС;

— определение числа ядер углерода 12С в материале активационных мишеней;

— исследование влияния сопутствующих реакций и, в частности, реакции 12С (р, р2п)10С;

— проверка достигнутой точности определения поглощенной дозы методами сравнительной дозиметрии с участием ряда отечественных и зарубежных центров.

Следует сказать несколько слов о логике изложения предлагаемого материала. Характер поставленной задачи предопределил последовательность этапов выполнения работы и структуру изложения материала. Активационный метод, используемый в ИТЭФ для определения поглощенной дозы, не является общепринятым среди других действующих центров ПЛТ. Поэтому прежде, чем анализировать его точностные возможности, имеет смысл обосновать выбор этого метода в качестве эталонного для медицинского пучка ИТЭФ. Достоинства метода Ру-совпадений, используемого для измерения Реактивности радионуклидов, иногда переоцениваются, а присущей методу погрешности измерений не уделяется должного внимания. В настоящей работе проанализированы как принципиальные возможности метода Ру-совпадений, так и погрешности измерения активности при практическом воплощении этого метода в установке «Позитрон». Предварительные результаты, полученные на этой установке, созданной в отделе медицинской физики ИТЭФ, послужили отправной точкой для развития математической модели регистрации Реактивности позитронных источников. Стремление снизить погрешность активационного метода заставило рассмотреть вопросы, связанные как с уточнением данных о сечении мониторной ядерной реакции 12С (р, рп) пС в диапазоне энергий протонов 95 — 200 МэВ, так и с уточнением химического состава активационных мишеней и наличием сопутствующих (мешающих) ядерных реакций, способных исказить результаты измерений. Основной целью работы являлось снижение погрешности абсолютной дозиметрии медицинского пучка ИТЭФ на базе активационного метода до величины не более ± 5%. Следует отметить, что здесь и далее в тексте работы, если это не оговаривается особо, величины погрешностей указываются для уровня доверительной вероятности а-0,68 (одно стандартное отклонение). В качестве независимого способа проверки результатов проведенной работы были избраны методы сравнительной дозиметрии.

Объем и структура диссертации.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав и заключения. В силу разнородного характера экспериментальных работ, хотя и подчиненных общей цели.

Заключение

.

Диссертационная работа, посвященная анализу возможностей активационного метода определения абсолютной величины поглощенной дозы протонного пучка, была выполнена в отделе медицинской физики ИТЭФ. Получены следующие основные результаты:

— проведен сравнительный анализ основных методов абсолютной дозиметрии и с учетом параметров медицинского протонного пучка ИТЭФ обоснован выбор активационного метода в качестве эталонного для этого пучка;

— обоснован выбор мониторной реакции и разработан метод определения поглощенной дозы высокоинтенсивного импульсного моноэнергетического пучка на основе измерений его флюенса;

— проведен анализ источников погрешностей определения флюенса и поглощенной дозы активационным методом;

— создана математическая модель регистрации реактивности по методам Руи Руу-совпадений для источников ПС и 22№;

— разработана методика калибровки рабочих дозиметров для измерения поглощенной дозы в моноэнергетических и полихроматических пучках;

— уточнено сечение мониторной реакции в диапазоне энергий прогонов 95 — 200 МэВ;

— уточнен химический состав углеродосодержащих мишеней и с погрешностью.

12 1% определена концентрация атомов углерода С в мишенях;

— рассмотрен вопрос о сопутствующих ядерных реакциях при облучении углеродосодержащих мишеней протонным пучком с энергией 95 — 200 МэВ, определено их влияние на точность измерений и экспериментально определен состав короткоживущих продуктов этих реакций;

— методами сравнительной дозиметрии проверена точность активационного метода определения дозы на медицинском пучке ИТЭФ и показано, что погрешность метода составляет ± 3,8%;

— проанализирован метод тройных (Руу) совпадений, открывающий возможность для дальнейшего повышения точности активационного метода.