ИСТИНА

Целью проекта является выявление взаимосвязи между недоучетом дозы от нейтронов при проведении лучевой терапии тормозными гамма-квантами с энергией больше 10 МэВ и вторичным развитием злокачественных новообразований (ЗНО), а также установление прогностических факторов рецидивов ЗНО.

The emergence of new complex medical linear electron accelerators has made it possible to widely distribute and introduce high-tech radiation therapy in oncology institutions. Surely, such a complicated and dangerous treatment as radiotherapy, despite of its high efficiency in oncology, is open to many side effects. The main obstacle to reaching the level of optimal irradiation for target lesions is the risk of radiation damage to healthy tissues both on the beam path and in the tumor nidus. New technologies for patients irradiating realize a significant reduction of the absorbed dose from gamma quanta in normal tissues and critical organs surrounding the tumor nidus. However, any complex equipment requires the most careful monitoring of the quality of work, especially in conditions of its long-term use. During radiotherapy performing with bremsstrahlung gamma quanta with energies greater than 10 MeV, nuclear reactions with neutron emission take place on the brake target of a linear accelerator and structural materials. Because of the high radiobiological hazard of neutron radiation, their contribution to the total beam flux, even at a few percent, substantially increases the dose received by the patient. In recent years, a large number of foreign studies have appeared devoted to the problems of underestimation of the contribution of a dose from neutron radiation to the total dose received a patient during radiation therapy. In Russia, similar studies are almost not performed. At present the main requirement for radiotherapy and radiation protection of patients is the maximum possible dose reduction in normal tissues and organs surrounding the object of treatment. Therefore, studies of the dose from neutrons during the operation of a linear medical accelerator and an assessment of the possible effect of this factor to the recurrence of malignant neoplasms is an important and urgent task. For solving this problem, we propose to carry out investigations of neutron radiation produced during the operation of a medical accelerator in mode with a bremsstrahlung energy of gamma quanta over 10 MeV. The photoactivation methods using tantalum and cadmium targets and subsequent measurements on semiconductor spectrometers with detectors from ultrapure germanium will be used. For obtaining data of the (n, g)-reactions cross sections, it is necessary to obtain the neutron energy distribution. For these purposes, measurements of neutron spectra with stilbene single-crystal spectrometers are planned. The obtained data will be used to estimate the fluxes of gamma quanta and neutrons during the operation of medical accelerators of various manufacturers. Also, simultaneously with measurements of the neutron spectrum, the irradiation of aquatic phantoms at different distances from the irradiation field will be performed to control the dose from neutrons. From the obtained data, an additional contribution of the dose from neutrons to the dose received the patient during the radiation therapy will be calculated. The received dose will be evaluated. The statistical studies of the occurrence of relapses in a control group of patients receiving radiotherapy with the accelerators with an energy of inhibitory gamma quanta over 10 MeV are made. The research will be carried out in scientific cooperation with the State research center Burnasyan federal medical biophysical center of Federal medical biological agency, N.N.Blokhin Russian Cancer Research Center of the Ministry of Health of Russia and European Medical Center.

Проведение исследований нейтронного излучения, возникающего при работе медицинского ускорителя в режимах с энергией тормозного излучения гамма-квантов свыше 10 МэВ. В работе будут использованы фотоактивационные методы с использованием танталовых, кадмиевых мишеней и последующими измерениями на полупроводниковых спектрометрах с детекторами из сверхчистого германия. Для получения данных о сечениях (n,g) реакций необходимо получить распределение нейтронов по энергии. Для этих целей планируется проведение измерений спектров нейтронов с помощью стильбеновых однокристальных спектрометров с возможностью разделения энергетических спектров быстрых нейтронов от энергетических спектров гамма-квантов. Полученные данные будут использованы для расчета потоков гамма-квантов и нейтронов при работе медицинских ускорителей различных производителей. Также одновременно с измерениями спектра нейтронов для оценки дозы от нейтронов будут проводиться облучение водных фантомов на различных расстояниях от поля облучения. Из полученных данных будет рассчитан дополнительный вклад дозы от нейтронов в дозу, получаемую пациентом при лучевой терапии. Будет оценена полученная доза и произведены статистические исследования возникновения рецидивов у контрольной группы пациентов, получавших лучевую терапию с помощью ускорителей с энергией тормозных гамма-квантов свыше 10 МэВ.

Е.Н. Лыкова имеет большой стаж работы (более 9 лет) по специальности «медицинский физик»из них 4 года в должности заведующего лабораторией медицинской физики. Наработан большой экспериментальный материал, который будет использован в текущем проекте. Проведено лечение более 2500 пациентов. К.А. Уразова работает медицинским физиков более 4 лет в ННПЦН им. академика Н.Н. Бурденко. Проведено лечение более 1200 пациентов. Наработан значительный экспериментальный материал, который будет использован в текущем проекте. А.П.Черняев (д.ф.-м.н.), С.М.Варзарь (к.ф.-м.н.), А.В.Белоусов (к.ф.-м.н.), Г.А.Крусанов - тема исследований связана с исследованием и моделированием воздействий вторичных излучений на пациента при лучевой терапии. М.В.Желтоножская (к.т.н.) - специалист по гамма-, бета-спектрометрии, более 15 лет занималась спектрометрическими исследованиями. 6 авторских патентов и кандидатская диссертация посвящены разработке различных спектрометрических методов. В распоряжении авторского коллектива имеются лаборатории НИИЯФ МГУ имени М.В.Ломоносова необходимого класса для проведения работ с облученными мишенями. НИИЯФ МГУ обладает всеми необходимыми лицензиями и хранилищами для работы с источниками ионизирующего излучения.

В результате проведенных исследований получены данные о потоках нейтронов и тормозных фотонов при работе линейных медицинских ускорителей Varian Trilogy, Varian Clinac 2100, Varian 2300, Elekta Synergy при энергиях пучка от 15 до 20 МэВ. Для реализации проекта разработана методика определения потоков нейтронов активационными мишенями из естественного тантала и методика измерения спектров вторичных нейтронов сферическим детектором Боннера с использованием детектирующих мишеней из естественного тантала. Предложен алгоритм восстановления спектра измеряемого потока нейтронов и для его реализации адаптирован комплекс программного обеспечения. В результате установлена средняя энергия нейтронов, образующихся в головке медицинского линейного ускорителя Varian Trilogy, которая составила 0,89 ± 0,02 МэВ. На основе полученных данных был определен вклад в дозу, получаемую пациентом от вторичных нейтронов, которая может составлять от 0,25% до 70% величины полной очаговой дозы под пучком в зависимости от энергии пучка и типа ускорителя. Проведено исследование историй болезней различных возрастных категорий (1932-1977 гг.) пациентов. Из них 16 пациентов - прошедших лучевую терапию только с энергией 20 МэВ и 19 пациентов с комбинированной лучевой терапией с энергиями 6 МэВ и 20 МэВ. Локализация облучения - малый таз. Установлено, что у 4 пациентов впоследствии был диагностирован вторичный рак в области малого таза. Также было проведено сравнение с историй болезней 186 пациентов, которые получали терапию только с энергией 6 МэВ. Рецидив наблюдался только у 2 пациентов. Произведенные оценки подтверждают, что потоки вторичных нейтронов приводят к появлению дополнительной дозы при проведении облучения пациентов на линейном ускорителе электронов. Доза от вторичных частиц может представлять риск для здоровых тканей и способствовать вторичному развитию злокачественных новообразований. Также наши исследования крови облученных пациентов показали, что наряду с проблемой недоучета в итоговую дозу, получаемую пациентом при проведении высокоэнергетической лучевой терапии дозы от нейтронного излучения, существует актуальная проблема недоучета дозы от позитронного излучения. При проведении 20 МэВ лучевой терапии в результате фотоядерных реакций происходит активация некоторых макроэлементов в теле человека, часть из которых является позитрон-излучающими: кислород (62% от массы тела человека), углерод (21%), азот (3%), фосфор (1%), калий (0.25%) и хлор (0.15%). Общий объем крови в теле человека составляет ~5 л, тогда как активированный объем крови в сосудах, попадающих в плоскость пучка при проведении лучевой терапии, может быть оценен как не менее 200-300 мл, в зависимости от места локализации злокачественного образования. Позитроны, образующиеся при радиоактивном распаде активированных макроэлементов, тормозятся в теле человека, как и высокоэнергетические электроны, главным образом, через ионизационные потери, тем самым увеличивая дозу. Кроме того, после уменьшения энергии позитронов до 0 происходит двухквантовая аннигиляция на свободных электронах с испусканием двух гамма-квантов с энергией 511 кэВ. Активированные позитрон-излучающие радионуклиды в крови пациентов, в основном, являются чистыми бета-излучателями и не имеют выходов гамма-квантов, кроме аннигиляционных, поэтому основные исследования проводились по аннигиляционному выходу 511 кэВ. Для разделения активностей исследуемых нуклидов по периоду полураспада измерения образцов крови, облученных в условиях, приближенных к клиническим, проводились на двух сцинтилляционных спектрометрах и полупроводниковом HPGe спектрометре Canberra с разными временными интервалами. Также был разработан бета-спектрометр для прямых измерений активности позитрон-излучающих нуклидов в облученных образцах крови. Полученные результаты демонстрируют заметную активацию позитрон-излучающих нуклидов в крови пациента в процессе высокоэнергетической лучевой терапии. С учетом полного времени кругооборота крови по большому и малому кругам кровообращения (которое в норме составляет 17-25 с в зависимости от состояния сердечно-сосудистой системы пациента, уровня стресса и других факторов), даже за один акт приема лучевой терапии (~2-3 мин) происходит многократное облучение критических органов человека активностью самого короткоживущего из перечисленных изотопов, кислорода-15, с периодом полураспада 2 мин. Таким образом в результате реализации проекта: - разработаны практические, технические и клинические рекомендации по использованию линейных медицинских ускорителей с энергией пучка больше 15 МэВ в лучевой терапии. - разработана методика определения потоков нейтронов активационными мишенями из естественного тантала и методика измерения спектров вторичных нейтронов сферическим детектором Боннера с использованием детектирующих мишеней из естественного тантала. - разработан бета-спектрометр для прямых измерений активности бета-излучающих нуклидов в различных образцах.