Przeczytaj
Warto przeczytać
Przełomowe odkrycia końca XIX wieku w niedługim czasie odmieniły nie tylko fizykę, ale także medycynę. Oczywistym zastosowaniem promieniowania rentgenowskiego okazało się prześwietlanie ciała pacjenta, aby bezinwazyjnie uzyskać informacje o wnętrzu jego ciała, ale na tym nie koniec. Obrażenia powstałe na rękach pierwszych radiologów wykonujących dużą ilość badań bez stosowania odpowiednich osłon radiacyjnych pokazały, że promieniowanie jonizujące może mieć niszczący wpływ na żywe tkanki. Szybko wysnuto wniosek, że skoro promieniowanie może niszczyć prawidłowe tkanki, to zapewne może niszczyć również tkanki patologiczne, jak nowotwory. Już w 1896 roku w Chicago w USA użyto promieniowania z lampy rentgenowskiej do prób leczenia pacjentów onkologicznych.
Dwa lata później Maria Skłodowska‑Curie i Piotr Curie ogłosili odkrycie dwóch nowych pierwiastków, radu i polonu – pierwszych znanych substancji promieniotwórczych (dziś wiemy, że były to izotopy tych pierwiastków, rad Ra‑226 i polon Po‑209). Z tego okresu pochodzi eksperyment jednego z badaczy, który zabandażował sobie dłoń, umieszczając na skórze źródło radu, a gdy po kilku dniach zdjął bandaż, zobaczył ranę przypominającą oparzenie w miejscu, gdzie skóra miała kontakt z radioizotopem. Analogicznie jak przy lampach rentgenowskich jasne stało się, że radioizotopy mogą być także wykorzystywane do niszczenia niepożądanych tkanek.
Już w 1901 roku potwierdzono te przypuszczenia eksperymentalnie. Lekarz‑dermatolog przykładał pożyczone od naukowców źródło radu do liszajówliszajów, zmian skórnych pacjentów, obserwując ustępowanie choroby. W kolejnych latach testowano nowe terapie – jedna z pacjentek cierpiała na nowotworowego guza na plecach, przyłożono zatem do niego aplikator zawierający rad. Zmiana nowotworowa ustąpiła, ale na plecach tak wyleczonej kobiety pozostała głęboka blizna po „oparzeniu” popromiennym. Koncepcja radioterapii onkologicznej okazała się zatem skuteczna, ale sam proces napromieniania wymagał dopracowania, aby zapewnić odpowiedni rozkład dawki w ciele pacjenta. Celem radioterapii jest nie tylko dostarczenie terapeutycznej dawki promieniowania jonizującego do objętości nowotworu, ale także minimalizowanie dawki otrzymywanej przez prawidłowe tkanki naokoło patologicznej zmiany.
Aby osiągnąć cel otrzymania optymalnego rozkładu dawki stworzono wiele technik radioterapeutycznych. Już na początku wieku korzystano z różnych sposobów aplikowania pacjentom promieniowania pochodzącego od radu, np. z pewnej odległości napromieniano pacjentów promieniowaniem gamma, do zmian skórnych przykładano źródło zamknięte w tubie, na choroby płuc wdychano „emanację radu” (dziś wiemy, że jest to radon, gazowy produkt rozpadu radu), a nawet spożywano sole radu, przeznaczone do spożycia. Dziś techniki te dzielimy na podgrupy, właśnie ze względu na umiejscowienie źródła promieniowania względem ciała pacjenta: teleradioterapię, brachyterapię i terapię izotopową.
Teleradioterapia
W teleradioterapii źródło promieniowania znajduje się poza ciałem pacjenta, w pewnej odległości, np. 100 cm. Pierwotnie do takich napromienień stosowano lampy rentgenowskie lub źródła izotopowe emitujące przenikliwe promieniowanie gamma, umieszczone w odpowiednich obudowach zawierających przesłonę umożliwiających zakrycie lub odsłonięcie wylotu wiązki – źródła Ra‑226, Cs‑137 lub Co‑60, nazywane są odpowiednio bombą radową, bombą cezową i bombą kobaltową. Dziś źródła radioizotopowe zostały wyparte przez akceleratoryakceleratory liniowe, produkujące wiązkę wysokoenergetycznych elektronów lub promieniowania rentgenowskiego.
Zasadę działania akceleratorów można poznać w filmie Ministerstwa Nauki i Szkolnictwa Wyższego: https://youtu.be/jxxvIGNs8dE.
Szczególnym przykładem teleradioterapii jest terapia z wykorzystaniem wiązki protonów, zamiast wiązki promieniowania rentgenowskiego. Zaletą stosowania protonów jest ich szczególnych charakter oddziaływania z materią, wynikający z posiadania ładunku elektrycznego i dużej masy (w porównaniu do masy elektronu). Przekłada się to na rozkład dawki w ciele pacjenta, która osiąga maksimum na pewnej określonej głębokości, nie penetrując ciała dalej, w przeciwieństwie do wiązki promieniowania gamma przechodzącej przez pacjenta na wylot.
W procesie radioterapii zadaniem fizyka medycznego jest wykonanie tak zwanego planu leczenia, czyli zaplanowanie takiego układu wiązek promieniowania (energii, kątów, czasu napromieniania, przesłon etc), aby dostarczyć do guza dawkę promieniowania przepisaną przez lekarza‑radioterapeutę. Jednocześnie nie wolno przekroczyć dawek granicznych na okoliczne, prawidłowe narządy. Wykonanie planu leczenia to skomplikowana procedura wspomagana komputerowo. Fizycy korzystając z tzw. Systemu Planowania Leczenia symulują rozkład dawki w ciele pacjenta przy konkretnym układzie wiązek. Wielkość dawki w danym punkcie wizualizowana jest poprzez „kolorowanie” obrazu, przypisując czerwienie i pomarańcze obszarom o wysokiej dawce, a kolory fioletowe obszarom o niskiej dawce. Przykładowo – lewa część rysunku rysunek 5a prezentuje układ trzech wiązek terapeutycznych, przecinających się w gruczole krokowym. Jest to przykład rutynowej radioterapii, którą łatwo zaplanować – niestety bywają dużo bardziej skomplikowane przypadki, w szczególności nowotwory głowy i szyi, jak na rysunku 5b. W tym wypadku potrzebnych było kilkanaście wiązek o modulowanej intensywności.
Wpływ na ostateczny rozkład dawek wewnątrz ciała pacjenta ma również rodzaj zastosowanego promieniowania - na rysunku 6 widoczny jest efekt przy wykorzystaniu wiązki promieniowania rentgenowskiego oraz wiązki protonowej. Ze względu na różne mechanizmy oddziaływania z materią promieniowania fotonowego (efekt fotoelektryczny, efekt Comptona, kreacja par) i promieniowania protonowego (zderzenia, oddziaływania kulombowskiej), różny jest ich zasięg w ciele pacjenta. Generalnie mówiąc, wiązki fotonowe przechodzą przez całe ciało pacjenta, deponując swoją energię blisko miejsca wejścia w ciało, a następnie coraz bardziej słabnąc, natomiast wiązka protonowa ma skończony zasięg. Deponuje większość swojej energii na pewnej głębokości, zależnej od energii, co pozwala na otrzymanie planu leczenia bez „dawki wyjściowej”.
Brachyterapia
W brachyterapii źródło promieniowania pozostaje w kontakcie z ciałem pacjenta. Radioizotop pozostaje w szczelnym zamknięciu, a emitowane przez niego promieniowanie beta minus lub niskoenergetyczne promieniowanie gamma napromienia wyłącznie najbliższe tkanki. Terapia ta szczególnie nadaje się do leczenia miejsc, do których istnieje łatwy dostęp, jak powierzchnia skóry. Możliwe jest również umieszczenie źródeł w aplikatorach w jamach ciała, jak jama ustna, pochwa czy odbyt oraz chirurgiczne wprowadzenie aplikatorów do wnętrza ciała, przebijając powłoki skórne piersi czy krocza – tak można leczyć nowotwory prostaty, szyjki macicy, piersi, pęcherza, języka etc.
W większości stosuje się igły lub ziarna zawierające iryd Ir‑192 lub ruten Rn‑106. W zależności od intensywności promieniowania wyróżnia się techniki o niskiej aktywności, ale długotrwałej ekspozycji, jak zaszycie w ciele pacjenta tzw. „ziaren” zawierających izotopy, jak również napromienienia wykonywane w szpitalu z użyciem większych mocy dawek.
Terapia izotopowa
W terapii izotopowej radioizotop podawany jest do wnętrza ciała pacjenta. Sposób aplikacji może być dowolny, może przyjąć on formę doustną, dożylną, wziewną, w zależności od potrzeb. Wprowadzony do organizmu radionuklid jest metabolizowany przez organizm tak jak jego stabilny izotop, przykładowo podaje się pastylkę zawierającą promieniotwórczy jod I‑131, który podąża w organizmie tym samych szlakiem co jod naturalny. Radioizotopy mogą być również łączone przez radiochemików z innymi substancjami, np. lekami, hormonami czy białkami – otrzymujemy wtedy tak zwany radiofarmaceutyk.
W obrazowaniu z użyciem izotopów wyróżnia się trzy podstawowe techniki, ze względu na rodzaj użytego radioizotopu i sposób akwizycji danych:
scyntygrafię, w której otrzymujemy płaski obraz pochodzący od gamma‑promieniotwórczych izotopów;
tomografię SPECT, w której otrzymujemy trójwymiarowy rozkład pochodzący od gamma‑promieniotwórczych izotopów;
tomografię PET, w której otrzymujemy trójwymiarowy rozkład pochodzący od beta‑plus‑promieniotwórczych izotopów. Na skutek rozpadu beta plus powstają pozytony, które następnie anihilują w ciele pacjenta, emitując kwanty gamma, rejestrowane przez detektory.
W przypadku terapii stosowane są głównie izotopy emitujące cząstki alfa lub elektrony, ze względu na ich ograniczony zasięg w ciele. Jeśli radioizotop emituje jednocześnie kilka rodzajów promieniowania, np. beta minus i gamma, to możliwe jest prowadzenie jednocześnie diagnostyki i terapii.
Film dostępny pod adresem /preview/resource/RCfpNsOY5vXoK
Rys. 8. Animacja pokazuje obraz uzyskiwany przy badaniu PET. Naświetlona sylwetka człowieka wraz z widocznym kręgosłupem i kośćcem od miednicy w górę obraca się i widać barwne plamy z różnej perspektywy.
Słowniczek
przewlekła choroba autoimmunologiczna cechująca się powstawaniem drobnych, czerwonych grudek na ciele.
urządzenie służące do przyspieszania cząstek elementarnych lub jonów do prędkości bliskich prędkości światła w próżni. Akcelerator liniowy to rodzaj akceleratora, w którym przyspieszane polem elektrycznym cząstki poruszają się po torach w przybliżeniu prostoliniowych.