Ускорители заряженных частиц и их использование в медицине.

⇐ ПредыдущаяСтр 8 из 8

Ускорителем называют устройство, в котором под действием электрических и магнитных полей формируется пучок заряженных частиц высокой энергии. Распространённым ускорителем является бетатрон. Бетатроны способны ускорять электроны до десятков МэВ.

Ускорители заряженных частиц применяют как средство лучевой терапии в двух основных направлениях. 1) Используют тормозное рентгеновское излучение, возникающее при торможении электронов (использование тормозного излучения оказывается более эффективным, чем гамма-терапия); 2) используют прямое действие ускоренных частиц: электронов и протонов. Электроны ускоряются бетатроном, а протонный пучок получают от других ускорителей. Заряженные частицы, в том числе и протоны, наибольшую ионизацию производят перед остановкой. Поэтому при попадании пучка протонов в биологический объект извне наибольшее воздействие будет оказано не на поверхностные слои, а на опухолевые ткани, которые расположены в глубине организма. В этом основная выгода применения заряженных частиц для лучевой терапии глубинных опухолей. Поверхностные слои в этом случае повреждаются минимально. Малое рассеяние протонов позволяет формировать узкие пучки и, таким образом, очень точно воздействовать на опухоль.

Ускорители применяют и в диагностике, где можно выделить так же 2 области: 1) ионная медицинская радиография (пробег тяжелых заряженных частиц (α -частицы, протоны) зависит от плотности вещества, поэтому если регистрировать поток частиц до и после прохождения объекта, то можно получить сведения о средней плотности вещества); 2) применение синхротронного излучения. Синхротронным излучением называют интенсивное ультрафиолетовое и мягкое рентгеновское излучение, которое испускают электроны, движущиеся по круговой орбите со скоростями, близкими к скорости света. Наиболее эффективным для облучения глубоколежащих опухолей являются ионы высоких энергий, т.к. в этом случае окружающая здоровая ткань получает небольшую долю радиации.

Дозиметрия- раздел ядерной физики, в котором рассматриваются физические величины, характеризующие распределение ионизирующего излучения и его взаимодействия с веществом. Эти физические величины называются дозиметрическими. Поглощенной дозой излучения (дозой излучения ) Д_п называется энергия ионизирующего излучения, поглощенная единицей массы облучаемой среды. Измеряется в системе СИ в Греях (Гр). 1 Гр равен энергии в 1Дж, поглощенной массой в один кг. На практике распространенной единицей Д_пдля излучений любых видов( α -, β -, γ - и т.д.) является рад: 1рад=0, 01 Дж/кг=100 эрг/г. Величина поглощенной дозы зависит от: вида излучения, свойств и геометрии источника излучения, времени облучения, вида облучаемого материала. Поглощенную энергию Δ E в некотором объеме, содержащем вещество массой m, можно представить в виде: Δ E=E_вх-E_вых+E₀, E_вх-энергия всех частиц, входящих в данный объём; E_вых-энергия всех частиц, выходящих из него; E₀-энергия всех частиц, испускаемых источником, находящимся внутри данного объёма (например, радионуклидами). Формирование дозы определяется физическими процессами, которые связаны с взаимодействием излучения с веществом. Для электромагнитного излучения (фотонного) Д_п зависит от атомного номера Z элементов вещества: чем выше Z, тем больше Д_п. Для нейтронов Д_п определяется ядерным составом вещества, поскольку они взаимодействуют с ядрами атомов. Зависит от энергии нейтронов. Для живой ткани Д_п формируется, в основном, в результате взаимодействия нейтронов с ядрами C, H, N, O. Для быстрых нейтронов (0, 5-10 Мэв), основным процессом, определяющим поглощенную дозу в живой ткани, является упругое рассеяние. Экспозиционная доза рентгеновского и γ -излучения Д_з представляет собой энергетическую характеристику излучения, оцениваемую по эффекту ионизации сухого атмосферного воздуха. Д_Эизмеряется непосредственно над облучаемым объектом. Единица Дэ-кулон на килограмм (Кл/кг). Дэ=1Кл/кг соответствует тому, что электроны и позитроны освобожденные в 1 кг атмосферного воздуха в первичных актах поглощения и рассеяния фотонов, образуют при полном торможении в воздухе ионы с суммарным зарядом 1 Кл. Внесистемная единица Дэ-рентген 1Р=2, 58*10^-4Кл/кг. Мощность экспозиционной дозы рентгеновского и γ -излучений: N_э= , измеряется в амперах на килограмм (А/кг). Зная атомный состав вещества, среднюю энергию ионизации и энергетический спектр излучения, по величине экспозиционной дозы можно рассчитать поглощенную дозу рентгеновского и γ -излучений: Дп=fДэ. Здесь Дп измеряется в радах, а Дэ в рентгенах.

Биологическое действие различных видов ионизирующих излучений на организм обусловлено ионизацией и возбуждением атомов и молекул биологической среды. На процесс ионизации излучение растрачивает свою энергию. В результате взаимодействия излучений с биологической средой живому организму передается определенная величина энергии. Поэтому действие на организм излучения находится в прямой зависимости от количества переданной энергии.

Для измерения количества энергии введено понятие «доза излучения» – величина энергии, переданная объекту.

Существует несколько видов дозы излучения:

Физическая или экспозиционная доза (D

Поглощенная доза (П

Эквивалентная доза (Н

Коэффициент качества излучения k является регламентированной величиной относительной биологической эффективности г), устанавливаемой специальными комиссиями и предназначенной для контроля радиационной опасности. Имеются таблицы коэффициентов качества для разных типов излучения в зависимости от среднего значения линейного поглощения энергии.

Эквивалентная доза (Н). Понятие введено в связи с тем, что разные виды ионизирующих излучений представляют различную биологическую опасность для органов или тканей живого организма.

Биологическое действие одинаковых поглощенных доз различных видов излучений неодинаково. Это связано с удельной ионизацией излучения и различной чувствительностью разных тканей организма к облучению.

Чем выше удельная ионизация, тем выше коэффициент относительной биологической эффективности (ОБЭ) или коэффициент качества (КК). Он показывает во сколько биологический эффект данного вида излучения сильнее, чем от образцового при равенстве поглощенных доз в биологическом объекте (в качестве образцового берут рентгеновское с энергией 200 КэВ).

Н = П х ОБЭ

Единицей эквивалентной дозы в системе СИ является зиверт (Зв). Один зиверт соответствует поглощенной дозе в 1 Дж/кг. Внесистемной единицей является бэр (биологический эквивалент рентгена). 1 бэр = 0, 01 Зв.

Радиация по своей природе вредна для жизни. Малые дозы облучения могут " запустить" не до конца еще установленную цепь событий, приводящую к раку или к генетическим повреждениям. При больших дозах радиация может разрушать клетки, повреждать ткани органов и явиться причиной скорой гибели организма.Ионизирующие излучения любого вида не имеют избирательного действия, т. е. они влияют на все ткани и системы организма без исключения. Величина поглощенной энергии радиоактивного излучения, при которой наступает заметный биологический эффект, незначительна. Невелико и число ионизированных молекул в биологических тканях даже при смертельных дозах.Наши органы чувств не улавливают ионизирующего излучения, т. е. мы не ощущаем изменения свойств окружающей среды в момент излучения ни по температуре, ни по шуму, свету, давлению, запаху, цвету и т. д. Человек не получает сигнала бедствия от организма, поэтому возможно облучение в больших дозах. Установлено, что любое воздействие ионизирующего излучения небезразлично для организма.Процессы взаимодействия ИИ с веществом клетки, в результате которого образуются ионизированные и возбужденные атомы и молекулы, являются первым этапом развития лучевого поражения. И свободные электроны, и ионизированные атомы, и молекулы не могут долго пребывать в таком состоянии и в течение следующих десяти миллиардных долей секунды участвуют в сложной цепи реакций, в результате которых образуются новые молекулы, включая и такие чрезвычайно реакционно-способные, как " свободные радикалы" (Н⁺; ОН^-; НО₂ - пероксид).В течение следующих миллионных долей секунды образовавшиеся свободные радикалы реагируют как друг с другом, так и с дру-гими молекулами, и через цепочку реакций, еще не изученных до конца, могут вызвать химическую модификацию важных в биологическом отношении молекул, необходимых для нормального функционирования клетки.Биохимические изменения могут произойти как через несколько секунд, так и через десятилетия после облучения и явиться причиной немедленной гибели клеток или таких изменений в них, которые могут привести к злокачественным новообразованиям.

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 6 78