ПРОТОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Перейти к: навигация, поиск

ПРОТОННОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ — ионизирующее излучение, состоящее из тяжелых заряженных частиц — протонов. П. и. используют в физических и радиобиологических исследованиях, применяют для лучевой терапии, в диагностических целях, а также для производства радиоактивных нуклидов.

Протон — стабильная элементарная частица с положительным электрическим зарядом, равным заряду электрона, и массой, превышающей массу электрона примерно в 1840 раз. Поэтому протон относится к так наз. тяжелым частицам. Протоны вместе с нейтронами (см. Нейтронное излучение) образуют ядра атомов всех хим. элементов. В связи с этим их называют также нуклонами, т. е. ядерными частицами. Протон является ядром самого легкого и наиболее распространенного в природе изотопа водорода. В результате ионизации (см.) атом водорода, теряя свой единственный электрон, превращается в протон. Протоны имеются и в составе первичной компоненты космического излучения (см.).

Генерируют П. и., ионизируя водород, ускоряя и собирая с помощью электрических и магнитных полей образующиеся при этом протоны. В протонных ускорителях (см. Ускорители заряженных частиц) получают пучки протонов с энергиями от 50 до 1000 Мэв для мед. целей и от 15 до 70 Мэв — для производства радионуклидов.

Рис. 1. Схема медицинского протонного комплекса физического ускорителя: 1 — протонный ускоритель, 2 — выведенный протонный пучок, 3 — тормозитель, 4 — поворотный магнит, 5 — магнитные фокусирующие линзы, 6 — вакуумный тракт, 7 — аппаратура для формирования и измерения пучка, 8 — стенд для облучения больного, 9 — защитные барьеры; I — зона протонного ускорителя, II — физико-техническая зона, III — медико-биологическая зона.
Рис. 1. Схема медицинского протонного комплекса физического ускорителя: 1 — протонный ускоритель, 2 — выведенный протонный пучок, 3 — тормозитель, 4 — поворотный магнит, 5 — магнитные фокусирующие линзы, 6 — вакуумный тракт, 7 — аппаратура для формирования и измерения пучка, 8 — стенд для облучения больного, 9 — защитные барьеры; I — зона протонного ускорителя, II — физико-техническая зона, III — медико-биологическая зона.

Для мед.-биол, целей обычно используют протонные пучки, создаваемые на крупных физических ускорителях. Выведенный из ускорителя пучок протонов с помощью поворотных магнитов, изменяющих его направление, и магнитных линз очищают от посторонних частиц и квантов и по вакуумному тракту направляют в процедурное помещение, оборудованное юстировочной и контрольно-измерительной аппаратурой, специализированным мед. стендом и средствами автоматического управления облучением (рис. 1). В случае необходимости значительно снизить энергию выведенного из ускорителя пучка перед поворотным магнитом ставят тормозитель. С помощью поворотного магнита пучок протонов можно направлять по нескольким вакуумным трактам в различные процедурные помещения.- На выходе протонного тракта формируют узкий (с площадью поперечного сечения до нескольких квадратных сантиметров) или широкий (порядка 10— 102 см2) пучок в соответствии с формой и размерами подлежащей облучению мишени (см. Протонная терапия).

Проходя через вещество, протоны участвуют во всех видах элементарных взаимодействий. Они ионизируют молекулы и атомы, рассеиваются на ядрах. При достаточно высокой энергии протоны могут проникать внутрь ядер атомов и приводить к ядерным реакциям, в результате которых появляются вторичные частицы (нейтроны, альфа-частицы, фотоны и др.), а также искусственные радиоактивные нуклиды. При энергиях 102—103 Мэв протоны слабо рассеиваются и движутся почти прямолинейно, теряя свою энергию преимущественно на ионизацию. При облучении биол, тканей протонами с энергиями 200—1000 Мэв наведенная активность от ядерных взаимодействий невелика, и ее вклад в поглощенную дозу практически несуществен.

В отличие от фотонов рентгеновского и гамма-излучения, протоны имеют определенный пробег в данном веществе, зависящий от его плотности и элементного состава, а также от энергии П. и. В конце пробега потеря энергии (см. Линейная передача энергии) на ионизацию резко возрастает.

Это объясняется тем, что в начале пробега в веществе высокоэнергетические протоны теряют в элементарных актах ионизации энергию, очень малую по сравнению с имеющимся у них запасом. Поэтому их ионизационная способность меняется с глубиной незначительно до тех пор, пока суммарная потеря энергии не приведет к значительному уменьшению скорости частиц. Тогда повышается вероятность ионизации атомов, с к-рыми встречаются протоны на своем пути, и это приводит к резкому росту линейной потери энергии. Кривая распределения поглощенной энергии протонов по глубине имеет резкий максимум в конце пробега — кривая Брэгга (см. Ионизирующие излучения) . Для протонного пучка характерно незначительное боковое рассеяние.

Рис. 2. Кривая распределения поглощенной дозы вдоль оси параллельного протонного пучка с энергией 130 Мэв (кривая Брэгга) в воде: 1 — для моноэнергетического пучка; 2 — для пучка, сформированного с помощью гребенчатого фильтра. По оси абсцисс — пробег протонов в сантиметрах, по оси ординат — процентная поглощенная доза.
Рис. 2. Кривая распределения поглощенной дозы вдоль оси параллельного протонного пучка с энергией 130 Мэв (кривая Брэгга) в воде: 1 — для моноэнергетического пучка; 2 — для пучка, сформированного с помощью гребенчатого фильтра. По оси абсцисс — пробег протонов в сантиметрах, по оси ординат — процентная поглощенная доза.
Рис. 3. Схема ротационного сканирующего облучения протонным пучком опухоли пищевода: 1 — протонный пучок, 2 — основной коллиматор, 3 — чистовой коллиматор, 4 — тормозитель переменной толщины, 5 — гребенчатый фильтр, формирующий ширину пика Брэгга, 6 — внутриполостной детектор, введенный в пищевод, 7 — ротационный стенд; X, У, Z, а — направления, по которым автоматически перемещается кресло с больным по командам управляющей облучением электронно-вычислительной машины.
Рис. 3. Схема ротационного сканирующего облучения протонным пучком опухоли пищевода: 1 — протонный пучок, 2 — основной коллиматор, 3 — чистовой коллиматор, 4 — тормозитель переменной толщины, 5 — гребенчатый фильтр, формирующий ширину пика Брэгга, 6 — внутриполостной детектор, введенный в пищевод, 7 — ротационный стенд; X, У, Z, а — направления, по которым автоматически перемещается кресло с больным по командам управляющей облучением электронно-вычислительной машины.

Благодаря этим свойствам П. и., в облучаемом теле можно получать высокий градиент дозы в конце пробега и на границах поля облучения, что особенно выгодно для предохранения здоровых тканей, окружающих мишень, от лучевого повреждения. Зону пика Брэгга можно легко перемещать в теле больного по глубине для ее совмещения с подлежащей облучению мишенью. Этого достигают, изменяя энергию протонного пучка или толщину дополнительного тормозите ля, помещенного на пути пучка. С помощью специально подбираемых формирующих (так наз. гребенчатых) фильтров можно менять и форму кривой Брэгга, расширяя область ее максимума в соответствии с размером мишени (рис. 2). Изменяя положение больного во время облучения и регулируя толщину тормозите ля так, чтобы пик Брэгга все время оказывался в опухоли, обеспечивают более низкую поглощенную дозу в окружающих тканях. При облучении больших опухолей, кроме того, перемещают больного вдоль оси ротации, поочередно подставляя под пучок разные участки мишени. Управляют таким ротационно-сканирующим облучением (рис. 3) с помощью ЭВМ.

В узких пучках протонов пик Брэгга выражен слабо, поэтому их чаще используют в режиме облучения «напролет», когда пик Брэгга оказывается за пределами облучаемого тела.

Радиобиологически П. и. практически мало отличается от фотонных излучений. Значение относительной биологической эффективности (см.) П. и. высоких энергий, полученное в эксперименте по облучению различных объектов с использованием разных критериев, составляет 1— 1,2. При облучении аноксичных тканей действие протонов практически не отличается от действия фотонных излучений (см. Кислородный эффект).

В проектах мед.-биол, комплексов, создаваемых на базе реконструируемых и новых физических ускорителей, предусматривают вывод нескольких специализированных пучков протонов (горизонтальных, вертикальных) для радиобиол. исследований, лучевой терапии, а также для протонографических исследований в диагностических целях.

См. также Ионизирующие излучения.


Библиография: Гольдин Л.Л. и др. Применение тяжелых заряженных частиц в медицине, Усп. физ. наук, т. 110, в. 1, с. 77, 1973, библиогр.; Использование протонных пучков в лучевой терапии, Труды 1-го Международного семинара, в. 1—3, М., 1979; Munzenrider J. D., Shipley W. U. a. Ver-hey L. J. Future prospects of radiation therapy with protons, Sem. Oncol., v. 8, p. 110, 1981, bibliogr.; Raju M. R. Heavy particle radiotherapy, N. Y. a. o., 1980.

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е издание

Рекомендуемые статьи