Медицинские линейные ускорители

Медицинские линейные ускорители

Описание оборудования

Медицинские линейные ускорители – это  наиболее важная  часть оборудования в современном отделении радиотерапии.  Рисунок 11 показывает схему устройства линейного ускорителя.

Принципиальная схема высокоэнергетического медицинского линейного ускорителя

В медицинских линейных ускорителях электроны ускоряются с использованием микроволн, произведенных магнетроном или клистроном.  Это делает возможным ускорение электронов до более высоких энергий, чем при электростатическом ускорении. Электроны ускоряются в линейном волноводе до 2.5 м длинной. Наиболее часто пучок электронов затем изгибается в направлении пациента с использованием отклоняющего магнита. В дополнение к изменению направления, отклоняющий магнит обеспечивает эффективную энергетическую фильтрацию. После отклоняющего магнита  пучок электронов  фиксируется на специальной мишени, чтобы произвести пучек рентгеновского излучения или пучок электронов достаточного поперечного сечения для лечения пациента.

Для получения рентгеновского излучения, пучок электронов поражает мишень  и образуется высокоэнергетическое тормозное рентгеновское излучение, который поле этого проходит через выравнивающий фильтр.  Далее пучок часто коллимируется с использованием набор из двух прямоугольных (ортогональных) коллиматоров, которые формируют стандартное прямоугольное поле до 40 x 40 см2 в месте расположения пациента. Рисунок 12 иллюстрирует этот принцип.

Поперечное сечение медицинского линейного ускорителя для генерации высокоэнергетического рентгеновского излучения

Источник света включен в облучательную голову, чтобы образовывать  поле света, которое совпадает с полем излучения. Это позволяет оператору установить поле излучения на пациенте и проверить, что его положение правильное.

Большое разнообразие модифицирующих устройств доступно на линейных ускорителях. Этот ассортимент от конусообразного фильтра (характеристики которого плавно/ступенчато меняются от конца к концу) до створчатых коллиматоров, которые делают возможным более точную настройку лечебного поля для каждого отдельного пациента.   Для каждого пациента настройка поля проводится для каждого пучка излучения и сеанс лечения состоит из облучения обычно в двух или более лечебных полях.

Если мишень не помещена в пучок ускоренных электронов, высокоэнергетические (или мегавольтные) электроны могут сами использоваться для лечения. Большинство линейных ускорителей используют рассеивающую фольгу, чтобы расширить пучок электронов. Затем проводится коллимирование пучка излучения до строгого размера и формы, требуемой для пациента.  Эти корректирующие устройства располагают как можно ближе к пациенту, чтобы обеспечить наибольшую четкость пучка. Это требуется для электронов (в отличие от мегавольтного рентгеновского излучения) из-за их взаимодействия с воздухом, которое приводит к  расширению пучка и возрастанию полутени.

Пучки электронов также могут быть образованы путем использования переменного магнитного поля, чтобы пропускать маленький пучок электронов из линейного ускорителя через пациента в сканирующем режиме. Не смотря на то, что эти процедура часто имеет хорошие результаты, она усложняет  дозиметрию и при возрастает опасность радиационных аварий.  Если сканирующий механизм неисправен, маленький очень интенсивный пучок излучения может практически прожечь дырки в коже пациента.

Голова линейного ускорителя  включает две ионизационные камеры, через которые проходят пучки фотонов или электронов. Эти камеры контролируют флюенс излучения. Флюенс непосредственно связан с дозой, полученной пациентом, и  показания камер используются для корректировки пучка излучения после того, как заранее установленные показания зафиксированы камерой. Также, величина облучения, проведенного при лечении,  часто указывается в блоках текущего контроля. Процедура связывания блоков текущего контроля с поглощенной дозой в воде называется калибровкой.  Линейные ускорители могут быть откалиброваны различными способами, но существенно, чтобы все операторы понимали и осознавали необходимость калибровки.  Например, многие линейные ускорители откалиброваны, чтобы формировать дозу в  1 Гр для 100 блоков текущего контроля  на номинальном расстоянии для лечения (обычно в изоцентре) на глубине максимальной дозы в водном фантоме с использованием  поля 10 x 10 см2.

В дополнение к линейному ускорителю, оборудование включает специальную лечебную кушетку (для поддержки пациента), которая обеспечивает жесткую опору и фиксацию положения тела пациентов. В общем, она делает возможными все степени движения (продольное, поперченное, вертикальное и вращение), чтобы обеспечить оптимальные установки для пациента. Пространственная точность примерно несколько миллизиверт (или меньше) является очень важной, чтобы оптимизировать процесс отпуска дозы и ее воспроизводимость в течение курса радиотерапии, который может состоять из 30 или более ежедневных сеансов.

Линейный      ускоритель и кушетка делают возможными вращательные движения вокруг определенного центра, изоцентра.  Также обычно пространственное расположение помечается лучами установленных лазеров, которые указывают на изоцентр с всех сторон и даже с потолка.  Эта лазерная система используется для размещения пациентов в положение лечения. Пациент часто фиксируется в этом положении в неподвижном состоянии с использованием пластика, изменяющего форму при нагревании, блоки фиксации и/или лент. Каждый сеанс лечения доза (обычно порядка 2 Гр) отпускается  в нескольких полях лечения в течение 10 минут.  Следовательно, очень важно, чтобы  положение пациента было неизменным.

2.5.2      Мероприятия важные для обеспечения радиационной безопасности

Стандартная радиотерапия внешним пучком требует размещения пациента с использованием  внешних ориентиров. Это могут быть или костные структуры пациента, или некоторые внешние маркеры, расположенные на поверхности. Последний может быть установлен на коже как татуировка или пометки, нарисованные на неподвижном оборудовании. Такая установка занимает приблизительно 5 – 10 минут и она  определяет качество лечения, которое последует.

Если лечение не будет повторяться, контроль играет очень важную роль в качестве радиотерапии.  Две различные вещи могут регулярно контролироваться во время лечения:

1.         Положение пациента относительно поля лечения. Это наиболее часто делается с использованием рентгеновских снимков. Кассеты с пленкой помещаются на выходе пучка излучения и показывают поле лечения.  Поскольку контраст структур внутри пациента низкий из-за использования мегавольтного излучения,  часто нужно выполнить двойное облучение для получения снимков. Это делается путем открывания коллиматоров после отпуска лечебной дозы.  При этом делается секундное облучение, для получения рентгеновского изображения которое может далее использоваться как для уточнения положения пациента так и в других медицинских целях.

2.         Доза, отпущенная пациенту, может контролироваться in vivo дозиметрией.  Маленькие детекторы излучения, такие как термолюминесцентные дозиметры (ТЛД) или полупроводниковые детекторы, располагаются на пациенте во время лечения и контролируют дозу, отпущенную во время лечения.  Это может быть сделано или как контроль отпускной дозы в центре поля излучения вообще или для случайно выбранных пациентов или может использоваться для измерений в месте, где трудно оценить дозу. Последний вариант может использоваться для измерения  дозы в критических органах, таких как глаза или мошонка (запись дозы, как контроль в случае судебного процесса), чтобы определить дозу там, где ее трудно предсказать.

Также с линейными ускорителями, выполняются несколько специальных процедур, которые могут требовать особенного внимания с точки зрения радиационной безопасности:

  • Конформная радиотерапия является попыткой достичь наилучшего совпадения объема лечения (области отпуска дозы) с реальным объемом мишени, щадя, таким образом, насколько можно больше окружающие нормальные ткани. Это логическое совершенствование традиционной радиотерапии, использующее современные диагностические и лечебные методики отпуска дозы часто в динамическом режиме.  В целом подходы по обеспечению радиационной безопасности при конформной радиотерапии совпадают с используемыми в традиционных видах терапий.
  • Стереотаксическая радиохирургия использует относительно маленькие поля излучения (< 4 cм в диаметре), которые наиболее часто используют для лечения повреждений  в голове. Пространственная точность обеспечивается путем использования внешней системы отсчета, которая привязана к пациенту во время диагностических процедур  и терапии. Это позволяет  локализировать воздействие на внутричерепное повреждение с  точностью  не менее 1 мм. При многих обстоятельствах, легкие повреждения, такие как артериально-венознозные нарушения, лечатся воздействием, составляющим некую долю высокой дозы. Поскольку доза, используемая при этом, может превышать 10 Гр, это представляет опасность для нормальных тканей мозга. Поэтому перед реальным лечением необходимо гарантия  качества облучения обеспечиваемая тщательным тестированием  и техническим состоянием линейного ускорителя.
  • Терапия во время операции поставляет из себя использование излучения во время хирургического вмешательства. Это делает возможным отпуск доз облучения непосредственно в объем мишени, когда нормальные ткани, окружающие ее, не будут подвергаться облучению.  В этом виде лечения обычно используются электроны, поскольку они имеют хорошо определяемый пробег к ткани. Проблемы с терапией во время операции главным образом связаны с обеспечением стерильной обстановки и соответствующего обращения с обезболенным пациентом.  В большинстве случаев пациент должен быть перемещен из операционной в помещение  линейного ускорителя.  Проблемы с радиационной безопасностью могут возникнуть в случае, если пациента нельзя оставить  для лечения одного на протяжении нескольких минут.  Даже если используются электроны,   только при исключительных обстоятельствах кто-то может оставаться с пациентом в комнате.