Линейный ускоритель
Содержание.
1. Методы лучевой терапии………………………………………………2
1.1 Классификация методов лучевой терапии……………………..2
2. Ускорители и изотопные установки в лучевой терапии………...4
2.1 Сравнительная характеристика ускорителей и изотопных установок….………………………………………………………….5
3. Линейный ускоритель……………………………………………………7
3.1 Принцип генерирования излучений высоких энергий………….7
3.2 Устройство линейного ускорителя……………………………..8
4. Влияние дозы при воздействии излучений высоких энергий……..11
4.1 Понятие дозы излучения……………………………………………11
4.2 Распределение дозы при воздействии излучений высоких энергий…………………………………………………………………12
5. Биологическое действие излучений высоких энергий……………..17
5.1 Функциональные и морфологические изменения в клетках, возникающие в результате воздействия излучений……………….17
6. Приложение………………………………………………………………..22
7. Список литературы……………………………………………………...26
1. Методы лучевой терапии.
Основным принципом лучевой терапии является создание достаточной дозы в области опухоли для полного подавления ее роста при одновременном щажении окружающих тканей.
В основу классификации методов лучевой терапии положено деление их по виду ионизирующего излучения (гамма-терапия, рентгенотерапия, электронная терапия). Целесообразно рассматривать методы лучевой терапии не только в зависимости от вида ионизирующего излучения, но и от способа его подведения к патологическому очагу.
1.1 Классификация методов лучевой терапии.
1. Дистанционные методы облучения – это такие методы лучевой терапии при которых источник находится на расстоянии от облучаемой поверхности.
1.1 Дистанционная гамма-терапия
1.1.1 Статическая: открытыми полями, через решетку, через свинцовый клиновидный фильтр, через свинцовые экранирующие блоки.
1.1.2 Подвижная: ротационная, маятниковая (секторная), тангенциальная или эксцентричная, ротационн-конвергентная, ротационная с управляемой скоростью.
1.2 Терапия тормозным излучением высокой энергии
1.2.1 Статическая: открытыми полями, через решетку, через свинцовый клиновидный фильтр, через свинцовые экранирующие блоки.
1.2.2 Подвижная: ротационная, маятниковая, тангенциальная, ротационная с управляемой скоростью.
1.3 Терапия быстрыми электронами
1.3.1 Статическая: открытыми полями, через свинцовую решетку, клиновидный фильтр, экранирующие блоки.
1.3.2Подвижная: ротационная, маятниковая, тангенциальная.
1.4 Рентгенотерапия
1.4.1Статическая: открытыми полями, через свинцовую решетку.
1.4.2Подвижная: ротационная, маятниковая, тангенциальная.
2. Контактные методы – это такие методы лучевой терапии, когда источник излучения во время лечения находится в непосредственной близости от опухоли или в ее ткани.
2.1 внутриполостной;
2.2 внутритканевый;
2.3 радиохирургический;
2.4 аппликационный;
2.5 близкофокусная рентгенотерапия;
2.6 метод избирательного накопления изотопов;
3.Сочетанные методы лучевой терапии – сочетание одного из методов дистанционного или контактного облучения.
4. Комбинированные методы лечения злокачественных опухолей
4.1 лучевая терапия и хирургическое лечение;
4.2 лучевая терапия и химиотерапия.
Большой арсенал методов лучевой терапии позволяет индивидуализировать лечение и применять тот или иной способ облучения в зависимости от общего состояния больного, локализации, глубины залегания и распространенности опухолевого процесса.
2.Ускорители и изотопные установки в лучевой терапии.
Используемые в практике лучевой терапии сверхвысоковольтные и изотопные установки, начиная с 1945 г. претерпели коренные изменения. Вскоре после 1951 г., когда впервые появились установки с источником Со60, они начали применяться во многих лечебных центрах. Конструкция этих установок непрерывно совершенствовалась, и в настоящее время создано много различных типов изотопных установок, которые в значительной мере могут заменить используемую ранее терапевтическую аппаратуру.
Много сведений из области ядерной физики дали эксперименты по бомбардировке ядер атомов частицами большой энергии. Известно, что средняя энергия связи на частицу в ядре равна примерно 8 Мэв. Силы, связывающие протоны с протонами, нейтроны с нейтронами и протоны с нейтронами, ''упакованными'' в ядрах, очень велики и в настоящее время еще не достаточно изучены. Имеются данные, указывающие на то, что ядерные силы отчасти сходны с обменными силами водородной связи, где один электрон взаимодействует с двумя положительными зарядами. Аналогичным образом силы связи между частицами внутри ядер могут быть обусловлены взаимодействием мезона с двумя частицами. До последнего времени источником мезонов являлись только космические лучи, поэтому изучение мезонов связано с большими экспериментальными трудностями. Успехи в изучении ядерных сил позволили создать установки, генерирующие интенсивные пучки мезонов; в настоящее время получена возможность ускорять частицы до энергий более 30000 Мэв. Эти установки чрезвычайно дороги в строительстве и эксплуатации; некоторые из них, созданные вначале для решения задач ядерной физики, стали ценными в лучевой терапии.
2.1 Сравнительная характеристика ускорителей и изотопных установок.
Таблица 1. : Установки для получения излучений и частиц большой энергии, применяющиеся в лучевой терапии.
|
Тип установки |
Генерируемые частицы |
Метод ускорения и область использования |
|
Бетатрон |
Электроны |
Электроны ускоряются на круговой орбите при помощи изменяющегося магнитного поля и удерживаются на орбите возрастающим магнитным полем. Установки, дающие электроны с энергией от 15 до 25 Мэв, используются в лучевой терапии. |
|
Синхротрон |
Электроны, протоны |
Частицы удерживаются на круговой орбите с помощью нарастающего магнитного поля и ускоряются при помощи ВЧ - резонансного промежутка. Синхротроны, ускоряющие электроны до энергий 25…70 Мэв, используются в лучевой терапии. |
|
Линейный ускоритель |
Электроны |
Электроны ускоряются на строго прямолинейном пути с помощью движущейся ВЧ радиоволны. Установки, дающие электроны с энергией от 2 до 45 Мэв, используются в лучевой терапии. |
|
Электростатический генератор |
Электрон, протоны, a-частицы, дейтроны |
Высокое напряжение поддерживается путем перенесения электрических зарядов от потенциала земли до высокого конечного напряжения с помощью быстро движущейся изоляционной ленты. Генераторы, дающие электроны с энергией 2…4 Мэв, используются в лучевой терапии. |
|
Резонансный трансформатор |
Электроны |
Высокое напряжение получается вследствие использования настроенного контура, состоящего из емкости и индуктивности. Установки, дающие электроны с энергией 2 Мэв, используются в лучевой терапии. |
|
Изотопные установки |
g-Лучи |
Со60 и Со137 обычно используются как источник g-лучей в лучевой терапии. |
Изотопные установки также включены в таблицу 1. В этих установках источником излучения является радиоактивный изотоп, испускающий проникающие g-лучи.
3.Линейный ускоритель.
В ускорителях для получения пучка частиц с энергиями, превышающими несколько Мэв, используют принцип многократного ускорения.
3.1 Принцип генерирования излучений высоких энергий.
Реальный прогресс в ускорении частиц наступил с применением высокочастотных генераторов, которые позволили осуществлять ускорение частиц переменным электрическим током. Принцип работы подобного ускорителя изображен на рис.1
Рис.1 Схема линейного ускорителя.
В хорошо откачанной ускорительной камере последовательно вдоль ее оси располагаются цилиндрические полые электроды. Нечетные электроды (1, 3, 5 и т.д.) соединены с одним полюсом высокочастотного генератора, четные электроды - с другим. Размеры электродов, зазоры между ними и частота высокочастотного генератора подобраны таким образом, что частицы на любом участке между соседними электродами оказываются в ускоряющем электрическом поле. Например, частица, получив ускорение на участке между электродами 1 и 2, пройдя электрод 2, попадет на участок, на котором к этому времени также действует ускоряющее поле в направление электрода 3. Для того чтобы частицы во всех зазорах оказывались в режиме ускорения, они должны двигаться в такт с изменением электрического поля. Поэтому при постоянном напряжении и частоте высокочастотного генератора длины следующих друг за другом цилиндрических электродов (т.е. участков на которых ускорение не происходит) относятся как квадратные корни последовательного ряда чисел. Требование к последовательному увеличению длины цилиндрических электродов связано с сохранением синфазного ускорения частиц по мере увеличения их кинетической энергии. Кинетическая энергия частицы с зарядом Z , прошедшей разность потенциалов U , равна где v-скорость частицы.
3.2 Устройство линейного ускорителя.
Линейные ускорители можно использовать для ускорения заряженных частиц всех видов. Особые трудности до сих пор возникали при ускорении электронов, так как для этого требовалась очень длинная ускорительная камера и релятивистский прирост массы сказывается уже при относительно малых энергиях. Поэтому в современных линейных ускорителях отказались от конструкций с цилиндрическими электродами и перешли к резонансным ускорителям с бегущей волной. При достаточно высокой частоте генератора, а следовательно, малой длине волны (l£5r, где r-внутренний диаметр ускорительной камеры ) в ускорительной камере возбуждается высокочастотное электрическое поле с бегущей волной. Вектор электрического поля направлен параллельно оси камеры, а магнитные силовые линии образуют концентрические окружности. Для уменьшения фазовой скорости бегущей волны ускорительная камера разделяется дисками с концентрическими отверстиями. Пространство между двумя соседними дисками представляет собой объемный резонатор. Таким образом, фазовая скорость снижается в зависимости от емкости и индуктивности резонаторов. Фазовая скорость бегущей волны везде должна быть равной скорости электронов, которые все время должны находиться вблизи бегущей волны и двигаться в такт с ней.
В ускорителях электронов, во избежания рассеяния частиц, в процессе работы должен поддерживаться высокий вакуум. Хотя конструкция электронов уже обеспечивает фокусировку пучка, в большинстве современных ускорителей устанавливают дополнительные фокусирующие устройства типа электромагнитных линз, используемых в электронной оптике. В большинстве электронных ускорителей, предназначенных для медицинских целей, генерирование тормозного рентгеновского излучение осуществляется путем торможения потока ускоренных частиц о мишень из платины или другого тяжелого материала. Пучок ускоренных электронов можно вывести из ускорительной камеры через тонкое окно. Для лучевой терапии можно уже сегодня изготавливать линейные ускорители с энергией десятки Мэв сравнительно небольших размеров. Линейные ускорители генерируют поток частиц высокой плотности и поэтому позволяют получить значительные мощности дозы. Линейные ускорители в отличие от генератора Ван-де-Граафа генерируют импульсное излучение с большой скажностью, так как современные высокочастотные генераторы, питающие ускоритель, могут работать только в импульсном режиме.
В настоящее время для лучевой терапии используются линейные ускорители на энергии 4,6,8,15,и 45 Мэв.
Наибольшее распространение получил линейный ускоритель на 4 Мэв. Благодаря применению принципа бегущей волны ускоритель может быть создан столь небольшим , что головка для излучения может быть выполнена подвижной и для возможности ротационного облучения.
Установки на 8 и 15 Мэв имеют такую большую длину ускорительных камер, что они уже не могут выполняться подвижными.
В Приложении 1 приведены схемы и диаграммы к линейному ускорителю на 6 Мэв SL75-5 фирмы PHILIPS.
В конце пути ускорения электронный пучок с помощью магнитной оптики отклоняется на 90* и потом сбрасывается на мишень. Благодаря этому получается конический пучок рентгеновского излучения , который проходит перпендикулярно вниз . Магнитное отклонение теперь можно повернуть на угол 120 * по отношению к оси камеры ускорителя , так что пучок рентгеновского излучения может быть наклонен от 15* к вертикали до 15* к горизонтали . Для ограничения поля служит вставная диафрагма из вольфрамового сплава толщиной 8 см , которая обеспечивает установку прямоугольного поля облучения ступенями в пределах от 4 4 см до 20 20см.
В этом ускорители также предусмотрена возможность облучения качающимся полем путем комбинации вращения пучка рентгеновского излучения вокруг горизонтальной оси с одновременным горизонтальным и вертикальным перемещением стола , на котором располагается пациент.
В Станфордском университете был сконструирован линейный ускоритель с энергией электронов 20-45 Мэв, который также предназначался для медицинской электронной терапии. Аппарат был введен в действие Uhlmann с сотрудниками в 1954 г. Чикаго.
Аппарат предусматривал возможность облучения качающимся полем . По отношению к горизонтально расположенной камере ускорителя пучок электронов с помощью магнитной оптики сначала поворачивался на угол 45*вверх ,а потом на угол 135* вниз ,так что обеспечивалось вертикальное направление центрального пучка излучения. Одновременно со вторым отклонением достигалась дефокусировка электронного пучка, необходимая для облучения полей большого размера. Благодаря этому возможно облучение качающимся полем, во время которого общая магнитная отклоняющая система вращается вокруг оси камеры ускорителя. Этот ускоритель предусматривает облучение только электронами и находится в стадии испытаний.
4. Влияние дозы при воздействии излучений высокой энергии.
4.1 Понятие дозы излучения.
Для использования в практике лучевой терапии, исходя из физических определений, могут быть даны определения доз излучений, которые учитывают основные клинические условия. Так, под понятием входная доза понимают дозу излучений, измеренную в воздухе на определенном расстоянии между источником излучения и поверхностью тела. Особый клинический интерес представляют показания о величине дозы, которая проявляет свое действие в определенных участках тканей. Такая эффективная доза с физической точки зрения определяется как величина энергии, которая поглощается в определенном участке тела. Эффективная доза, измеренная на поверхности тела, называется поверхностной дозой, а измеренная в определенных слоях ткани —глубинной.
Величина поверхностной дозы определяется не только входной дозой, но также и рассеянным излучением, которое возникает в тканях. Величина поверхностной дозы зависит от природы излучений, их энергии и объема облучаемого участка тела. Объем облучаемого участка определяется величиной поля облучения и толщиной данного участка тела.
Для определения эффективной дозы в том или ином участке тела важно знать данные о пространственной, объемной и интегральной дозах, т. е. о суммарной величине энергии, поглощенной в определенном объеме тела. Терапевтическая эффективность излучений определяется в первую очередь очаговой дозой, т.е. эффективной дозой в патологическом очаге. Если ее сопоставить с дозой в облученном объеме тела, то можно получить величину относительной очаговой пространственной дозы.
Различия в распределении дозы при воздействии обычных рентгеновых лучей и излучений высокой энергии становятся особенно отчетливыми при учете относительных глубинных доз, т. е. отношения глубинной к максимальной или поверхностной дозе. При воздействии излучений высокой энергии, учитывая особенности распределения дозы, отношение глубинной к максимальной дозе выражают в виде относительной глубинной дозы. В противоположность этому при воздействии обычных рентгеновых лучей под относительной глубинной дозой чаще понимают отношение глубинной дозы к поверхностной. Сопоставление этих двух величин относительных доз вполне возможно, так как в случае применения обычных рентгеновых лучей поверхностная доза почти совпадает с максимальной.
4.2 Распределение дозы при воздействии излучений высокой энергии.
Особенности действия излучений высокой энергии в тканях определяются специфическим распределением дозы каждого вида излучений,. которое отличается от такового при воздействии обычных рентгеновых лучей. За исключением нейтронов, все другие виды излучений высокой энергии, в том числе протоны и дейтроны, характеризуются следующими особенностями распределения дозы: 1) увеличением относительной глубинной дозы; 2) уменьшением поверхностной дозы; 3) уменьшением; объемной дозы.
Увеличение относительной глубинной дозы для лучевой терапии имеет большое значение, так как патологический очаг, находящийся на большой глубине, благодаря этому может получить большую дозу излучений без одновременного увеличения поверхностной дозы. В то время как при воздействии обычных рентгеновых лучей максимум дозы лежит близко к поверхности тела и резко падает, в подлежащих тканях при применении излучении высокой энергии максимум дозы передвигается в глубину тканей; при этом отмечается значительно меньшая потеря величины дозы с глубиной
На рис. 2 показаны глубинные дозы различных видов излучении при обычных условиях облучения. В случае воздействия излучений высокой энергии и быстрых электронов (по сравнению с воздействием равных доз обычных рентгеновых лучей 200 кв.) в ткани на глубине 8 см отмечается чрезвычайно выгодное для лучевой терапии распределение доз. В частности, следует заметить, что уже при использовании современных установок для телегамматерапии - достигается значительное . увеличение глубинных доз и уменьшение неблагоприятного действия излучений на кожу, что способствовало быстрому распределению телегамматерапии.
Применение излучений высокой энергии по сравнению с телегамматерапией имеет еще одно преимущество, так как дает еще более выгодное распределение глубинных доз. Излучения высокой энергии особенно пригодны для лечения глубоко расположенных опухолей, так как в глубоких слоях тканей при воздействии этого вида излучений создается чрезвычайно высокая относительная глубинная доза. В противоположность этому быстрые электроны с энергией от 10 до 20 Мэв в связи с особенностями распределения дозы применяются для лучевой терапии при поверхностной локализации опухолей. Быстрое падение дозы в глубине тела, которое наблюдается при воздействии электронов, положительно сказывается на относительной пространственной дозе в очаге и приводит лишь к очень незначительному облучению подлежащих здоровых тканей.
А — 200 кв рентгеновское излучение, величина поля 200 см2, кожно.фокусное расстояние 50 см: Б — гамма.излучение Со60, величина поля 200 см2, кожно-фокусное расстояние 80 см (доза облучения кожи — около 150% дозы на опухоль); В—электроны 30 Мэв, величина поля 78,5 см2 (диаметр 100 мм), кожно-фокусное расстояние 100 см; Г— тормозное излучение 31 Мэв от бетатрона, величина поля произвольная кожно-фокусное расстояние 100 см.
При воздействии излучений высокой энергии вследствие незначительной эффективной поверхностной дозы на входном поле нет необходимости ограничивать облучения, чтобы щадить кожу, как это приходится делать в случае применения обычных рентгеновых лучей. На рис. 2 показано, что при воздействии излучений очень высокой энергии кожа на входном поле не подвергается пере облучению. Это же явление при облучении электронами наблюдается при диапазоне энергий от 3 до 20 Мэв. Причиной щажения кожи на входном поле является увеличение длины пробега ионизирующих частиц при возрастании их энергии. Например, если вторичные электроны с относительно малой энергией в 200 кэв вследствие своего небольшого пробега оказывают воздействие практически в тех участках, где происходит первичное поглощение квантов, то вторичные электроны высокой энергии имеют большую длину пробега. Такие вторичные электроны высокой энергии вызывают ионизацию не на месте первичного поглощения излучений, а вдоль всей траектории, причем плотность ионизации особенно велика в конце траектории. В связи с тем, что электроны движутся главным образом прямолинейно вдоль пучка излучений, место воздействия излучений перемещается в более глубокие слои тканей, соответственно длине пробега, определяемой величиной энергии электронов. Такая особенность действия излучении высокой энергии, называемая эффектом лавины (build up effect) или Переходным эффектом, приводит к перемещению максимума дозы в глубь тканей и поэтому величина дозы от поверхности в глубь ткани не падает, а повышается. Так, например, максимум дозы у-излучений от радиоактивного кобальта в тканях, эквивалентных по плотности воде, находится примерно на глубине 3—5 мм, а для излучений и электронов с энергией 15 Мэв—на глубине около 30. Величина и характер возрастания дозы при этом в значительной степени зависят от природы излучений, размера поля и расстояния источник — кожа.
Наряду с значением величины очаговой, глубинной и поверхностной доз, определяющими облучение кожи, при проведении лучевой терапии особый интерес представляет доза излучения, поглощенного всем телом, т. е. объемная или интегральная доза, и сопоставление ее с величиной очаговой дозы. Значения интегральных доз для отдельных видов излучений и пространственное распределение глубинных доз могут быть легко подсчитаны при учете распределения интенсивности излучений по изодозам. На рис. 3 показаны интегральные дозы разных видов излучений, отнесенные к равновеликим дозам на очаг, при расположении его на различной глубине; при этом для сравнения за единицу принято излучение радиоактивного кобальта. При сопоставлении значений интегральных доз разных видов излучений оказывается, что обычная рентгенотерапия непригодна для лечения глубоко расположенных опухолей, так как при увеличении глубины расположения опухоли интегральная доза очень резко возрастает и, следовательно, здоровые ткани при этом подвергаются интенсивному облучению. Для лечения опухолей, расположенных как поверхностно, так и на большой глубине, учитывая небольшие интегральные дозы, с успехом можно применять дистанционную гамма терапию. В противоположность этому рентгеновские излучения высоких энергий особенно пригодны для лечения глубоко расположенных опухолей, так как при таком лечении интегральная доза относительно низкая, поверхностная доза на входном поле очень мала, сохраняется узкий рабочий пучок излучения и не наблюдается существенного рассеяния излучений. В костной ткани при определенных уровнях энергий не происходит повышенного поглощения излучении.
Совершенно иная картина наблюдается при воздействии электронов. При проведении глубокой лучевой терапии при помощи электронов интегральная доза очень быстро возрастает, что особенно заметно при сопоставлении с воздействием тормозного излучения такой же энергии. Это возрастание интегральной дозы связано с тем, что при применении электронов с энергией до 30 Мэв, необходимых для осуществления глубокой лучевой терапии, доза позади очага снижается недостаточно круто. К тому же в результате рассеяния излучений происходит «паразитическое» облучение здоровых тканей, расположенных вокруг поля облучения. Оно относительно больше при использовании малых полей.
С точки зрения величины интегральной дозы лучевая терапия быстрыми электронами особенно целесообразна при поверхностно расположенных опухолях. Согласно измерениям Schitten-helm, по минимальным значениям интегральных доз электронное излучение имеет преимущества по сравнению с рентгеновыми лучами при расположении опухоли на глубине не более 6 см под поверхностью кожи, а оптимальная энергия электронов составляет не более 20 Мэв. Чрезвычайно низкая интегральная доза при облучении электронами небольшой энергии поверхностно расположенных опухолей обусловлена резко ограниченной глубиной проникновения электронов с такой энергией. Поэтому паразитического облучения здоровых тканей, расположенных за очагом, практически не наблюдается.
5. Биологическое действие излучений высоких энергий.
Такие сложные молекулы, как белки или нуклеиновые кислоты, в результате облучения подвергаются различным химическим или физико-химическим изменениям. Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), представляющие главную составную часть наследственного вещества высших организмов, имеют нитевидную форму в виде двойных спиралей. При облучении нити ДНК резко скручиваются, образуются водородные мостики между различными нитями ДНК, нарушается спиральное строение молекулы; особенно характерно разрушение двойных спиралей ДНК, скручивание или внутримолекулярная полимеризация (образование молекулярных сеток), раскрытие двойных спиралей, разветвление и т. п. Молекулярный вес, так же как и радиус спиралей ДНК, изменяется в зависимости от величины дозы облучения, а также в зависимости от мощности дозы излучения.
При облучении водных растворов даже чистых химических веществ могут наблюдаться чрезвычайно сложные процессы. В результате прямого и косвенного действия излучений на различные группы атомов и молекул и в таком простом случае совершенно недопустимо говорить о «механизме радиохимического действия».
Функции обмена веществ в живом организме являются результатом многих взаимосвязанных реакций. Во многих случаях вещества, участвующие в реакциях, настолько изменяются, что можно говорить об образовании нового вещества, которое находится в организмов состоянии подвижного равновесия. В результате прямого и косвенного воздействия излучений не только изменяются сами молекулы живого вещества, но в значительной степени меняется также скорость реакций, протекающих с участием ферментов, и наряду с этим нарушается и подвижное равновесие. Указанные явления наблюдаются в живых клетках и тканях. Развитие реакций может при одних и тех же ферментативных процессах происходить в двух возможных направлениях.
Первичные физические, физико-химические и химические эффекты излучений являются основой для понимания их биологического действия.
5.1 Функциональные и морфологические изменения в клетках, возникающие в результате воздействия излучений
Первичные физические и химические процессы, развивающиеся в дифференцированных биологических структурах при облучении, в основном сходны с действием излучений на неживое вещество. В настоящее время лишь в немногих случаях удается понять сущность действия излучений во всех его деталях. В еще большей мере это положение относится к тем последующим процессам, которые вызывают переход первичных лучевых проявлений в видимые биологические эффекты. Поэтому радиобиологи неизбежно вынуждены довольствоваться во многих случаях лишь описанием качественной и количественной стороны этих процессов.
Живые существа на воздействие излучений реагируют различно, причем развитие лучевых реакций во многом зависит от дозы излучений. Поэтому целесообразно различать: 1) воздействие малых доз, примерно до 10 рад; 2) воздействие средних доз, обычно применяемых с терапевтическими целями, которые граничат 'своим верхним пределом с воздействием высоких доз. При воздействии излучении различают реакции, возникающие немедленно, ранние реакции, а также поздние (отдаленные) проявления. Конечный результат облучения часто во многом зависит от мощности дозы, различных условий облучения и особенно от природы излучений. Это относится также к области применения излучений в клинической практике с лечебными целями. На основе изучения радиобиологических реакций простейших организмов можно более глубоко понять все те сложные взаимоотношения, которые возникают в организме человека в результате облучения. Особый интерес в этом отношении представляют лучевые реакции, развивающиеся в одноклеточных организмах. Однако следует иметь в виду, что при изучении одноклеточных организмов исключаются те сложные взаимоотношения, которые обусловлены нервной регуляцией между отдельными органами и системами.
Для количественной оценки действия разных видов излучений практическое значение имеет понятие об относительной биологической эффективности (ОБЭ). Одно из определений ОБЭ, которое более целесообразно применять в этом разделе, заключается в следующем: под относительной биологической эффективностью одного вида излучений к другому понимают соотношение величины дозы второго вида излучений к первому, которые необходимы для получения одинакового биологического действия.
Согласно другому определению, под ОБЭ понимают соотношение радиационных эффектов (измеренных в определенных единицах), которые возникают в организме в результате воздействия одинаковых доз излучений первого и второго вида.
В результате облучения могут наблюдаться следующие основные виды клеточных реакций: угнетение деления, разные типы хромосомных аберраций и различные летальные эффекты.
Угнетение клеточного деления относится к функциональным неспецифическим клеточным нарушениям, носит временный, обратимый характер и может наблюдаться как у одноклеточных организмов, так и у клеток, составляющих ткани высших организмов. Как правило, угнетение клеточного деления является результатом воздействия малых доз излучения. При воздействии больших доз клеточное деление полностью прекращается и приводит к бесплодию.
В результате облучения очень большого количества однотипных клеток установлено, что при воздействии разных видов излучений длительность обратимого угнетения клеточного деления и процент клеток, у которых деление полностью прекратилось, возрастают по мере увеличения дозы излучения. С увеличением дозы излучений все большее число клеток теряет способность к размножению или по крайней мере у них временно прекращается процесс деления. Одним из показателей нарушения этой способности клеток к размножению как у одноклеточных, так и у клеток тканей высших организмов является возникновение гигантских форм клеток.
Функции обмена веществ у клеток всей популяции, которые полностью стали стерильными, вначале могут быть в значительной степени сохранены. Такие клетки во многих отношениях еще не отличаются от необлученных. Например, облученные бактериофаги фагоцитируют бактерий, как и обычно; следовательно, бактериофаги в таких случаях могут служить еще нормальным хозяином. Лишь при очень высоких дозах облучения, порядка 10^5—10^6 рад, в результате внезапно наступающих тяжелых нарушений обмена наступает быстрая гибель как одноклеточных организмов, так и клеток высших организмов.
Некоторые радиационно-биохимические изменения появляются уже после воздействия относительно малых доз, другие изменения наступают лишь в результате воздействия средних или высоких доз излучений. Среди нарушений обмена веществ, возникающих при воздействии ионизирующих излучений, на первое место следует поставить нарушение самого радиочувствительного субстрата—нуклеиновых кислот. Лучевые поражения в виде угнетения синтеза нуклеиновых кислот нельзя рассматривать как непосредственную причину угнетения клеточного деления или разрыва хромосом, которые могут привести к их грубым морфологическим нарушениям, определяемым при митозах после облучения. Нарушения других видов обмена, например углеводного, дают право говорить об его очень низкой радио чувствительности. Изменения углеводного обмена после облучения, в частности угнетение анаэробного гликолиза, становятся заметными, как правило, лишь после воздействия в дозах порядка 5000—20000 р.; нарушение клеточного дыхания обычно наблюдается в результате воздействия еще больших доз—от 20000 до 100000 р.
Цитостатический эффект облучения относится к функциональным лучевым реакциям; он зависит от природы излучений, следовательно, от линейной потери энергии (ЛПЭ). В прямой зависимости от величины ЛПЭ находится изменение относительной биологической эффективности. Эти соотношения, очевидно, можно связать с «эффектом насыщения», который наблюдается при радиохимических реакциях. При прямом действии обычных рентгеновых лучей, а в определенных случаях и при косвенном, отмечается аналогичное уменьшение выхода некоторых радиохимических реакций по сравнению с воздействием таких видов ионизирующих излучений, как нейтроны, или а-частицы, характеризующиеся высокой плотностью ионизации.
В противоположность этому при воздействии излучения с очень низкой величиной ЛПЭ (у-излучение, быстрые электроны) нередко проявляется другой феномен: появляется зависимость относительной биологической эффективности от величины дозы излучения. Это имеет место также при действии одной частицы, проходящей через радиочувствительные структуры, при сравнении с эффектом многих частиц, производящих меньшую плотность ионизации («аккумуляция попаданий»). Таким образом, при определенных значениях ЛПЭ обнаруживается менее выраженная зависимость максимума цитостатического эффекта от величины дозы излучений (Gray и др.).
При воздействии малых доз излучении наблюдается угнетение клеточного деления. При больших дозах клетки окончательно теряют способность к размножению. Временное угнетение митозов и полная стерильность не могут быть обусловлены единым механизмом, несмотря на то, что оба эти явления на первый взгляд могут показаться вполне родственными.
Величины ОБЭ могут резко отличаться даже по отношению к одним и тем же биологическим объектам, если биологическую эффективность рассматривать по отношению к различным лучевым реакциям. Относительная биологическая эффективность меняется от объекта к объекту и в некоторых случаях, например при воздействии на определенные виды клеток в культурах тканей, при малой ЛПЭ существенно зависит от мощности дозы.
От качества излучений, кроме функциональных изменений, зависят также определенные виды лучевых хромосомных аберраций. В клеточных популяциях с митотическим делением клеток после облучения сначала отмечается кратковременное увеличение частоты митозов, а затем падение до определенной минимальной величины. Alberti и Politzer назвали такое явление «первичным эффектом излучений». Вслед за этим число делящихся клеток снова увеличивается при условии, что величина дозы излучений была не очень велика и не все клетки потеряли способность к размножению. Минимальное число митозов и время их появления зависят от величины дозы излучений. В случае облучения, раковых клеток, когда применяются обычные для лучевой терапии дозы, минимальное число митозов большей частью наблюдается через несколько часов Затем следует медленное повышение их числа, что определяется как «вторичный эффект излучений» .
Для первичного и вторичного эффекта излучений характерны определенные типы хромосомных изменений. При первичном эффекте в клетках, еще сохраняющих митотическую активность, обнаруживаются преимущественно следующие типы хромосомных изменений: пикноз ядра, псевдоамитозы и склеивание хромосом, а также агглютинация хроматина.
В противоположность этому при вторичном эффекте наблюдаются главным образом структурные изменения хромосом. Хромосомные аберрации вторичного эффекта морфологически проявляются в клетках преимущественно в виде образования фрагментов и хромосомных мостиков.
Механизм хромосомных изменений при первичном и вторичном эффекте различен. Хромосомные изменения, типичные для первичного эффекта, возникают главным образом в тех клетках, которые во время облучения имели митотическую активность и находились в стадии метафаза. У определенного числа этих клеток наблюдаются митозы, частота которых снижается в результате облучения. У других митотически делящихся клеток, достигших или прошедших стадию метафазы, митозы продолжаются, но в более замедленном темпе.
6. Приложение
Схемы, рисунки и диаграммы к линейному ускорителю на 6 Мэв SL75-5 фирмы PHILIPS 7. Список литературы.
1. Х. Джонс Физика радиологии - М.: Атомиздат, 1965.-348 с.
2. Лучевая терапия с помощью излучений высокой энергии / под ред. И. Беккера, Г. Шуберта. – М.: Медицина, 1964. – 624 с.
3. И.А. Переслегин, Ю.Х. Саркисян Клиническая радиология – М.: Медицина, 1973. – 456 с.
4. Схемы и диаграммы к линейному ускорителю SL75-5 фирмы Philips