Радиочувствительность органов и тканей: определение, методы изменения радиочувствительности
Радиочувствительность — восприимчивость клеток, тканей, органов или организмов к воздействию ионизирующего излучения (для молекул используют терминрадиопоражаемость). Мерой радиочувствительности служит доза излучения, вызывающая определённый уровень гибели облучаемых объектов:
-для инактивации клеток — показатель D37 или D0 на кривой выживаемости;
-для организмов — доза, вызывающая гибель 50 % особей за определённый срок наблюдения (LD50) .
Использование радиопротекторов или радиосенсибилизаторов (в том числе, кислорода) модифицирует радиочувствительность здоровых или опухолевых клеток.
Количественной характеристикой любого радиомодифицирующего эффекта является «фактор изменения дозы» (ФИД), который рассчитывают как отношение равноэффективных доз облучения в присутствии и отсутствии радиомодифицирующего агента. При этом независимо от направления модифицирующего воздействия (то есть усиления или ослабления лучевого эффекта) берется отношение большей дозы к меньшей. В случае кислородного эффекта величину ФИД часто называют коэффициентом кислородного усиления (ККУ) (Oxygen Enhancement Ratio — OER).
При общем облучении животных отмечается ступенчатый характер их гибели в определенных диапазонах доз, вследствие выхода из строя определенных критических органов или систем, ответственных за выживание в этих дозовых диапазонах, что проявляется в виде трех основных радиационных синдромов — костномозгового, кишечного и церебрального.
Развитие радиационных синдромов определяется цитокинетическими параметрами соответствующих самообновляющихся клеточных систем — кроветворения, тонкого кишечника и центральной нервной системы (ЦНС).
Костный мозг и кишечник — типичные примеры активно обновляющихся радиочувствительных клеточных систем, а ЦНС — напротив, наименее делящихся (стационарных) радиорезистентных органов.
Радиочувствительность организма наиболее часто определяется поражением костного мозга, так как критической системой, ответственной за выживание при дозах до 10 Гр, является кроветворение. Критическим органом в следующем диапазоне от 10 до 100 Гр оказывается тонкий кишечник.
Клеточными детерминантами, определяющими степень радиационного поражения обеих критических самообновляющихся систем, являются стволовые клетки костного мозга и кишечника.
Развивающиеся в ближайшие сроки после облучения в определенных (пороговых) дозах клинически значимые лучевые реакции, связанные с клеточным опустошением активно пролиферирующих систем самообновлениия, объединяются термином детерминированные эффекты.
Временные, легко восполнимые клеточные утраты при меньших дозах, не вызывающие клинически значимых реакций организма, относятся к квазидетерминированным эффектам.
Тканевая радиочувствительность — понятие относительное. В радиорезистентных стационарных или слабо пролиферирующих органах и тканях под влиянием облучения возникают (сохраняются, консервируются) скрытые типичные радиационные повреждения, в частности, хромосомные аберрации, которые могут быть выявлены в условиях активации клеточного деления, например, в процессе посттравматический регенерации.
Лучевые поражения, развивающиеся в отдаленные сроки после облучения вследствие отмирания функциональных клеток слабо пролиферирующих тканей, таких как сосуды, кости и нервы, относятся к поздним детерминированным эффектам.
Органная радиочувствительность зависит от радиочувствительности тканей, которые этот орган образуют.
Критерии:
-масса органа уменьшается
-уменьшение функциональной активности (при острой лучевой болезни-мышечная слабость)
-опустошение органа специфическими клетками (при облучении лёгких 60Гр возникает пневмосклероз на месте опухоли).
Классификация органов по радиочувствительности.-самые радиочувствительные (лимфоидные органы, красный костный мозг, гонады, тонкий кишечник)
-средняя степень радиочувствительности (кожа, эндокринные железы)
-радиорезистентные (печень, почки, головной мозг)
10. Клинико-дозиметрическое планирование лучевой терапии. Методы дозиметрии ионизирующего излучения
главная клинико-дозиметрическая задача заключается в создании в теле больного наиболее благоприятного пространственного распределения намеченных поглощенных доз излучения как для всего курса лечения, так и для каждого отдельного сеанса облучения. Лучевой терапевт намечает необходимую дозу излучения для каждого новообразования. При этом он руководствуется радиобиологическими закономерностями, изложенными выше, и результатами осмотра больного.
. С целью оптимизации облучения рассчитывают максимально переносимую дозу(Д)ее определяют для любого ритма облучения по спец.формуле.для планирования лечения надо знать анатомию облучаемой области и структуру тканей в зоне лучевого воздействия. С помощью рентгенографии,сонографии или КТ точно устанавливают расположение опухоли в теле больного. Затем изготавливают схемы сечения тела на уровне «мишени»-топометрические схемы, т.е.проводят клиническую топометрию.На основе рентгенограмм в прямой и боковой проекциях можно построить поперечные (аксиальные), сагиттальные и фронтальные топометрические схемы.Поперечный срез делают на уровне центра опухоли, но при больших новообразованиях - на двух-трех уровнях. Для того чтобы воспроизвести размеры и контуры тела на избранном уровне, при рентгеноскопии на коже больного можно отметить положение центра опухоли в двух взаимно перпендикулярных проекциях, а затем посредством свинцовой ленты смоделировать периметр тела и на ленте пометить точки проекций.
Полученный чертеж переносят на бумагу. Созданы также специальные несложные
приборы, используемые с той же целью — механические контуромеры.
Однако лучшим способом тонометрии является изготовление компьютерных томограмм облучаемой области.Для специалиста,составляющего дозиметрический план, важно знать не только локализацию и объем опухоли, но и структуру тканей по всему сечению тела. Вы-числительный комплекс (КТ + ЭВМ) выдает трехмерную картину дозного поля и имитирует дозиметрический план лечения с суммарной погрешностью не более 5 %. Большим достоинством томограмм является отображение всех тканей, окружающих новообразование, в частности наиболее чувствительных к излучению органов — так называемых критических органов,Для головы и шеи критическими органами считают головной и спинной мозг, глаза, орган слуха, для груди — спинной мозг, легкие и сердце, для живота — почки и спинной мозг, для таза — мочевой пузырь и прямую кишку. Кроме того, для всех областей тела критическим органом является кожа. Для того чтобы составить представление о распределении поглощенных доз в облучаемой среде, на топометрические схемы наносят изодозные кривые и получают таким образом карту изодоз Изодозные линии соединяют точки с одинаковым значением поглощенной дозы. Обычно отмечают не абсолютные значения поглощенных доз (их, как известно, выражают
в грэях), а относительные — в процентах от максимальной поглощенной дозы, принимаемой за 100 %. В практике лучевой терапии дозное распределение считают приемлемым, если вся опухоль заключена в зоне 100—80 % изодозы, зона субклинического распространения опухоли и регионарного метастазирования находится в пределах 70-60 % изодозы, а здоровые ткани — не более 50—30 % изодозы.
В радиологических отделениях имеются атласы типовых дозиметрических планов для дистанционного, внутриполостного и сочетанного облучения. В атласах приведены стандартные изодозные карты, построенные по результатам измерений, проведенных в однородной тканеэквивалентной среде. В качестве подобной среды целесообразно использовать воду вследствие ее подобия мягким тканям человеческого тела. Однако стандартное дозное распределение всегда корректируют по приготовленной для пациен-
та изодозной карте, чтобы осуществить индивидуальный расчет, поскольку распределение доз в теле каждого больного отличается от фантомного в связи с различиями в анатомо-топографических соотношениях, плотности и размерах тканей, конфигурации опухоли и других индивидуальных особенностях.__ При составлении плана облучения инженер-физик основывается на первичной дозиметрической информации относительно излучения имеющихся в отделении радиотерапевтических аппаратов. Все эти аппараты всегда снабжены набором изодозных карт для типичных геометрическихусловии облучения. Для характеристики радиационного выхода источника
излучения используют понятие ≪экспозиционная доза≫.Под экспозиционной дозой излучения понимают количество энергии,поглощенной из данного пучка в единице массы воздуха.Системной единицей экспозиционной дозы является кулон на кило-
грамм (Кл ・ кг-'Λ а внесистемной — рентген (Р). 1 Р = 2,58 • 10" Кл • кг1.Ρ — доза излучения, при которой сопряженная корпускулярная эмиссия в 0,001293 г на 1 CMJ воздуха производит в воздухе ионы, несущие заряд водну электростатическую единицу количества электричества каждого знака.Производные единицы — миллирентген (мР) и микрорентген (мкР).Доза излучения, измеренная в течение определенного отрезка времени,называется мощностью экспозиционной дозы. Внесистемной единицей
этой величины является рентген в секунду (минуту, час). В системе СИ единицей мощности экспозиционной дозы является ампер на килограмм(А ・ к г ' / / Рс> = 2,5810-' Акг'.Сравнительный анализ изодозных карт различных радиотерапевтических аппаратов позволяет сделать ряд выводов, важных для планированияоблучений
Так, рентгеновское излучение низких и средних энергий, т.е. генерируемоепри анодном напряжении 30—200 кВ, обусловливает максимум поглощенной дозы на поверхности тела человека. Следовательно, сильнее всего облучается кожа. В глубине тканей доза непрерывно и значительно уменьшается. При анодном напряжении 40 кВ доза на глубине 3 см составляет всего 10 % от дозы на поверхности. При анодном напряжении 200 кВ излучение проникает, естественно, глубже. Однако и здесь наблюдается быстрое и
значительное уменьшение поглощенной дозы: на глубине 10 см остается всего 20 % от поверхностной дозы. При глубоко расположенной опухоли основная часть энергии поглощается не в ≪мишени≫, а в здоровых тканях.
К тому же из-за низкой энергии фотонов возникает много лучей рассеяния, также
поглощаемых в здоровых тканях. Большое количество рентгеновского излучения поглощается в костной ткани, что может привести к повреждению кости и хряща. В связи с изложенным рентгенотерапевтические установки используют только для облучения поверхностно лежащих новообразований.
Гамма-установки, заряженные 60Со, испускают почти однородный пучок фотонов сравнительно большой энергии (1,17 и 1,33 МэВ). Максимум поглощения сдвигается на 0,5 см вглубь, в результате чего уменьшается облучение кожи. На глубине 10 см остается не менее 50 % поверхностной дозы Следовательно, относительные глубинные дозы выше, чем при использовании рентгенотерапевтических установок. К тому же поглощениеВ свою очередь значительные преимущества перед гамма-излучением имеет тормозное излучение высокой энергии. В частности, при энергии фотонов 25 МэВ максимум поглощенной дозы находится на глубине 4—6 см от поверхности тела больного. Ткани, расположенные перед этим уровнем, получают не более половины максимальной дозы. Однако у тормозного излучения есть недостаток — сравнительно медленное уменьшение дозы после достижения ее максимума (см. рис. IV.4). Это означает, что сильно облучаются ткани за опухолью.
Линейные ускорители производят также пучки электронов высокой энергии. В этом случае максимум поглощенной дозы определяется на глубине 1—3 см, после чего доза быстро снижается и на глубине 10 см ткани практически не облучаются. Это оптимально для неглубоко расположенных новообразований. Однако для облучения опухолей, залегающих в глубине тела, особыми достоинствами обладают пучки тяжелых заряжен-
ных частиц (протонов, альфа-частиц, отрицательных пи-мезонов — пио-
нов).
Протоны высокой энергии до момента ≪остановки≫ в тканях двигаются практически прямолинейно. Попадая в ткани, они постепенно замедляют ход, причем линейная потеря энергии (ЛПЭ) возрастает, достигая максимума в конце пробега). Если пучок состоит из протонов примерно одинаковой энергии, то длина пробега у них сходна и максимум по-
глощения энергии создается в конце пути. Этот ≪острый≫ максимум называют пиком Брэгга. Поскольку протоны мало рассеиваются в тканях, то облучение можно проводить очень тонким пучком, которым удается избирательно разрушать внутри тела человека участки объемом менее 1 см3 (на-пример, опухоль гипофиза).
Ориентируясь на намеченную поглощенную дозу и выбранный вид излучения, инженер-физик наносит на топометрическую схему сечения тела расчетные данные — процентные глубинные дозы в ≪мишени≫ и окружающих тканях и органах. По сравнению с стандартными картами изодоз из атласов ему приходится вносить ряд поправок: на объем ≪мишени≫ и ее конфигурацию, кривизну поверхности тела в данной области, неоднород-
ность тканей. В частности, необходимо учитывать наличие скоплений воздуха (например, в легочной ткани, гортани), костных массивов и т.д.
Ответственным моментом является выбор направления пучков излучения, числа и величины входных полей. Лишь при небольших поверхностных образованиях удается добиться необходимой поглощенной дозы через одно поле (с помощью излучения лазера или низковольтной рентгенотерапии). Некоторые небольшие опухоли целесообразно лечить с помощью размещенных над ними аппликаторов с набором радиоактивных препаратов.
Однако в большинстве случаев лучевую терапию осуществляют путем облучении ≪мишени≫ с нескольких полей. Иногда выбирают поля сложной конфигурации (≪фигурные≫). В связи с этим инженеру-физику приходится выполнять ряд расчетов,
выбирая оптимальное направление пучков излучения,расстояние от источника до поверхности тела, вспомогательные устройства, формирующие необходимое сечение пучка.Значительным шагом вперед в дозиметрическом планировании явилось
создание программ для ЭВМ, которые позволяют на основании клинического задания, адаптированного к конкретному пациенту, определить оптимальные условия облучения. ЭВМ дает возможность установить минимум полей облучения и наиболее выгодную ориентацию их. При комбинации ЭВМ с компьютерным томографом расчет дозиметрического плана выполняют за доли секунды. Более того, инженер-физик или лучевой терапевт может с помощью светового ≪карандаша≫ взаимодействовать с ЭВМ, сопоставляя различные варианты облучения._гамма-излучения мало различается в мягких и костной тканях.