Синхротронное излучение: из рук физиков - в руки врачей

Угловое отклонение пучка на границе воздух-объект в приближении геометрической оптики равно da = (1 – )·c ga. (1) Изменение коэффициента преломления на границе органической ткани с воздухом задается формулой (1 – ) = 1.5·10–6l2, (2) где a - угол между пучком и преломляющей поверхностью, - показатель преломления, l - длина волны, выраженная в ангстремах. Величина рефракционного контраста определяется относительным локальным изменением интенсивности пучка, испытавшего отклонение на угол a. Для цилиндрического объекта наибольший контраст возникает на его краях, поэтому изображения кажутся объемными (см., например, рис.2). Подробный расчет контраста и дозы облучения для рефракционной интроскопии можно найти в .   Рис. 2. Изображение древесного листа, полученное методом рефракционной интроскопии. Для количественных оценок параметров маммографических диагностических аппаратов используются специально разработанные фантомы, которые представляют собой восковую пластину с различными включениями, имитирующими опухоли. На Курчатовском источнике СИ К.М.Подурец с сотрудниками выполнил эксперимент , используя сертифицированный фантом RM156, и показал, что использование рефракционного метода значительно повышает чувствительность метода и позволяет обнаруживать такие объекты, как микрокальцинаты, кальцинированные сосуды и опухоли в несколько раз меньшего размера, чем при стандартной, абсорбционной съемке (см. рис.3). Новый тип контраста в сочетании с высоким качеством пучка синхротронного излучения дает возможность не только повысить информативность изображений, но и значительно снизить дозовую нагрузку на пациента. Было также установлено, что если слегка пожертвовать информативностью изображений за счет уменьшения времени экспозиции, удается при стандартном уровне обнаружения признаков заболевания дополнительно снизить дозу облучения при обследовании. Рис. 3. Изображения фрагментов фантома, моделирующих микрокальцинаты (а), кальцинированный сосуд (б) и опухоль (в). Важная часть этой работы - разработка и создание детекторов нового типа для получения изображений, потому что обычная рентгеновская пленка неадекватна новым диагностическим методам. И дело здесь не только в том, что рентгеновская пленка создает некоторые неудобства в работе, связанные с проявкой и др. Для получения более качественных изображений, особенно трехмерных, необходимы более совершенные устройства, позволяющие сразу вводить информацию в компьютер и выполнять обработку данных. Поэтому специально для таких задач Н.К.Кононовым и др. в РНЦ КИ совместно с Институтом ядерных исследований (ИЯИ) РАН были разработаны детектирующие системы на основе ПЗС-матриц . Маммографические исследования с использованием синхротронного излучения ведутся на различных источниках СИ в разных странах, например в Триесте (Италия) и др., причем с помощью разных модификаций метода рефракционной интроскопии. Например, вместо двухкристалльной схемы применяют однокристалльную (без кристалла-анализатора). В этом случае изображение по методу поглощения получается при минимальном расстоянии между объектом и детектором, а рефракционное - при значительном удалении детектора от образца.

Это объясняется структурой электронной оболочки данного элемента (К-оболочка - самая нижняя оболочка, для возбуждения ее нужна максимальная энергия). Делая два снимка при двух энергиях пучка (чуть выше и чуть ниже К-края) и вычитая затем один из другого, мы получили изображения с высоким контрастом. Обычно в ангиографии в качестве контрастного вещества используется йод, у которого К-край рентгеновского излучения равен 33.17 кэВ. В последние годы разработан метод просвечивания с использованием гадолиния, у которого К-край соответствует более высокой энергии (50.24 МэВ), что повышает точность измерений. Использование СИ позволило упростить процедуру введения контрастного вещества и снизить количество этого препарата. В результате при введении контрастных веществ в очень небольших количествах с помощью обычного шприца получают качественное изображение артериальных сосудов. Напомним еще один важный момент: благодаря монохроматичности излучения СИ дозы облучения оказываются минимальными. На помощь терапевту Современные методы лучевой терапии для лечения онкологических заболеваний разнообразны, но все они имеют большой недостаток: под действием излучения оказываются не только раковые клетки, но и здоровые, из-за чего возникают негативные побочные явления. С этим недостатком борются разными способами, например, используя пучки ионизирующих частиц, которые производят ионизацию главным образом в конце трека (протоны). Но протонная терапия очень дорога, потому что требует создания протонных ускорителей достаточно высокой энергии. Принципиально новый терапевтический подход (микролучевая терапия) с использованием СИ был предложен в Брукхэвене около 10 лет тому назад и получил развитие на ESRF . Идея нового метода основана на использовании пучка специальной формы (в виде множества планарных, узких пучков - типа расчески). Экспериментально показано, что благодаря такой структуре пучка после облучения возможна регенерация здоровой ткани. Иначе говоря, микропоражения здоровой ткани исчезают благодаря быстрому воздействию крови, которая сама по себе  менее чувствительна к дозе облучения. Пораженные раком клетки при этом разрушаются и не восстанавливаются. Если к тому же свести пучки локально в место расположения опухоли, то терапевтический эффект еще более возрастет. В результате с помощью таких пучков можно эффективно повышать дозу облучения (в сотни и тысячи раз), не разрушая здоровые ткани. При этом лечению поддаются опухоли самых различных органов, включая головной мозг, который сейчас облучают в основном на кобальтовых пушках, вызывающих в отличие от микролучевой терапии более значительные негативные побочные явления. Синхротронное излучение оптимально подходит для использования в микролучевой терапии, потому что оно обладает высокой интенсивностью, достаточно высокой проникающей способностью и легко формируется с помощью коллиматоров. Модельные расчеты и экспериментальные исследования показали , что оптимальной структурой обладает пучок шириной в несколько сантиметров в виде расчески с “зубьями” шириной до 40 мкм при расстоянии между ними около 75 мкм.

Достоинство СИ заключается не только в высокой интенсивности, но и в том, что оно имеет малую угловую расходимость. Поэтому, кроме обычного метода поглощения, для получения изображений можно использовать рефракцию (преломление) или рассеяние фотонов на границах раздела сред. При этом оказывается, что рефракция более чувствительна к изменению плотности среды, чем поглощение. Благодаря этим уникальным параметрам использование СИ весьма эффективно в различных диагностических процедурах, например в ангиографии, маммографии, денситометрии, - то есть там, где требуется высокое качество снимков. В результате становится возможной диагностика онкологических заболеваний на ранней стадии их развития. Помимо диагностики, в медицине важное значение имеют терапевтические методы использования излучений, особенно при лечении онкологических заболеваний. Но не секрет, что обычные электронные или рентгеновские пушки поражают не только больные, но и здоровые ткани. Использование СИ, как будет показано ниже, может существенно помочь решению этой проблемы. В 2001 г. введен в строй первый в России специализированный источник СИ. Он находится в Российском научном центре “Курчатовский институт” (РНЦ КИ) и предназначен для исследований в области рентгеновского излучения с энергией до 30-40 кэВ. На его базе в 2004 г. под руководством члена-корреспондента РАН М.В.Ковальчука создан центр коллективного пользования - Курчатовский центр синхротронного излучения и нанотехнологий, в задачу которого входит проведение исследований на СИ по многим направлениям науки и технологии, в том числе и развитие медицинских приложений. Для того, чтобы получить синхротронное излучение в рентгеновском диапазоне, энергия электронов должна быть достаточно велика (несколько миллиардов электронвольт). Диаметр кольца в таком случае составляет сто и более метров. Например, на Курчатовском источнике СИ, который относится к источникам 2-го поколения, энергия электронов равна 2.5 ГэВ. В мире уже построены источники третьего поколения (Europea SY chro ro Radia io Facili y, ESRF, во Франции, Sрri g-8 в Японии), которые в несколько раз превосходят его по времени жизни пучка, по энергии и интенсивности, а также угловой расходимости. Деление на поколения достаточно условное, но по основным параметрам источники разных поколений различаются примерно на порядок. Например, у первых источников время жизни электронов в кольце составляло около часа, у второго поколения - 10 ч, у третьего приближается к 100 ч. Тематика работ по медицине с использованием СИ значительно шире, чем будет рассмотрено здесь. Сюда можно отнести разнообразные биологические исследования, расшифровку структуры белка, создание новых лекарственных препаратов и многое другое. Однако мы опускаем эти вопросы, сделав упор на применении СИ в практической медицине. Более того, сконцентрируемся на тех задачах, решению которых лучше всего соответствуют возможности первого в России специализированного синхротронного источника в РНЦ КИ. Лучи диагностируют Сразу после открытия К.Рентгеном Х-лучей (1895) началось их практическое использование в медицине, главным образом для получения изображений внутренних органов.

Сознательные выходы из тела

Физика нейтрино

Вена. Путеводитель

Пульсары

В защиту науки (Бюллетень 5)

Развитие математики в России в XVIII и XIX столетиях

Несчастный случай на производстве

Борис Семёнович Якоби

Хроника великого открытия: идеи и лица

Научный метод познания

Мышечные тесты

Принципы организации реабилитации больных с последствиями повреждений кисти

Химия жизни

О китайском искусстве целительства

Прохоров Александр Михайлович

С.Л. Франк "О смысле жизни"

Тютчев Федор Иванович

Как вызывать положительные чувства у других людей