Основы радиационной биофизики - Кудряшов Ю.Б.
Скачать (прямая ссылка):
ная особенность действия жесткого электромагнитного излучения позволяет воздействовать на глубоко расположенные опухоли без чрезмерного повреждения кожи и промежуточной ткани. Существование такого максимума (рис. 1-14) объясняется тем, что в результате комптоновского взаимодействия фотонов высокой энергии и электронов атома последним передается значительная часть энергии фотона (чем выше энергия излучения, тем более вероятен перенос к электрону отдачи максимальной энергии, вплоть до 99,9% энергии кванта). Электроны таких высоких энергий (несколько тысяч кэВ) проникают в ткань на глубину в несколько сантиметров, образуя максимальное число ионизаций и возбуждений в конце пробега, когда скорость их значительно снижается.
Следовательно, электроны, высвобождаемые жвантами излучения на поверхности облучаемого объема, образуют максимальное
число ионов на глубине ткани в несколько сантиметров, т. е. они осуществляют перенос энергии излучения в глубь ткани. Так, например, у-лучи с энергией квантов 1 МэВ высвобождают в результате комптоновского взаимодействия электроны отдачи с максимальной энергией 817 кэВ и средней энергией 452,5 кэВ. При энергии 450 кэВ электрон теряет около 0,2 кэВ на 1 мкм пути и способен пройти путь в 1500 мкм от места своего образования. В среднем он образует 2 пары ионов на 1 мкм пути, однако ионизации распределены неравномерно, резко выраженный максимум наблюдается в конце трека (рис. 1-9). На рис. 1-13, Б показан характер ионизации вещества жестким рентгеновским излучением при общей поглощенной дозе 104 Гр.
2,5
2,0
* 1,5
А
as
•4
«>
X 1.0
и
о
а*
2 4 6 8 10 12 14 16 18 20
Глубина в тканн, г/с м2
Рис. I—15. Пространственное распределение поглощенной дозы для разных видов излучения (по Тобиасу и др., 1971). Все кривые проведены так, что относительная доза, равная 1,0, лежит в центре опухоли диаметром 4 см; уплощение и расширение пика Брэгга достигается установкой по ходу пучков специальных гребенчатых фильтров
Облучение нейтронами высоких энергий (10—15 МэВ) приводит к пространственному распределению ионов в поглощающей ткани, которое сходно с картиной ионизации жестким у-излучени-ем. Отличие состоит в том, что энергия нейтрона переносится не к электронам, а к ядрам отдачи, т. е. к тяжелым ускоренным частицам, несущим положительный заряд. Наибольшее количество энергии переносится протонами отдачи, т. е. ускоренными ядрами водорода. Так, при облучении тканей нейтронами с энергией 14 МэВ 25% поглощенной дозы на глубине 15 см создают тяжелые ядра отдачи с ЛПЭ выше 50 кэВ/мкм и 70% — протоны отдачи с ЛПЭ=16 кэВ/мкм1. В рассматриваемом случае
4 См.: Яумоиенко С. П. и др. Бйологические основы лучевой терапии опухолей. М., Медицина, 1976.
Протоны Пимезоны Протоны-. Нормальная ткань ' ^ОлУ*РЛ%
на значительной глубине ткани высвободились тяжелые заряженные частицы с высокой плотностью ионизации — протоны с ЛПЭ= = 16 кэВ/мкм имеют длину пробега около 70 мкм и образуют в среднем 218 пар ионов на 1 мкм пути, однако максимальное ионизирующее действие, .как уже говорилось, наблюдается в конце трека частицы, когда скорость ее значительно снижается. Таким образом, в результате облучения тканей нейтронами высоких энергий в редкорасположенных микрообъемах возникают короткие треки с высокой плотностью ионизации. Это служит причиной значительно более высокого, чем для рентгеновского и у*из' лучения, значения ОБЭ нейтронов высоких энергий.
Подбирая соответствующий тип излучения и варьируя энергию ионизирующих частиц, можно добиться оптимального распределения поглощенной дозы, в частности благоприятного соотношения между степенью поражения нормальных тканей и опухолей, залегающих на значительной глубине, что показано на рис. 1-15.
* * *
Наиболее существенной особенностью ионизирующих излучений, «ак следует из самого названия этой группы высокоэнергетических электромагнитных и корпускулярных излучений, является их способность тгрямо или косвенно приводить к одному результату — возникновению ионизированных атомов и молекул.
Всего 10~13 с занимает первая, или физическая, стадия действия ионизирующего излучения на биологические системы. За эго время энергия поглощенных живой тканью фотонов или заряженных частиц полностью растрачивается на ионизацию атомов и молекул.
Процесс «размена энергии» излучения на этой начальной стадии можно условно разделить на два этапа. Вначале происходит акт первичной ионизации, при котором связанному электрону различными способами сообщается запас энергии, достаточный для того, чтобы он с некоторой скоростью v покинул пределы атома. Возникают положительно заряженный ион и свободный электрон с запасом кинетической энергии EK—l/2mev2. Свободный электрон проходит в ткани определенное расстояние, осуществляя вдоль своего трека акты вторичной ионизации. На этом этапе происходит дальнейшая передача энергии излучения веществу. Растратив запас кинетической энергии на ионизацию и возбуждение, свободный электрон замедляет движение, захватывается нейтральным атомом с образованием отрицательного иона. В результате этих процессов энергия ионизирующей частицы израсходовалась на образование пары ионов (положительно заряженный ион А+ и отрицательный — А-):
