Medicinos fizika yra taikomosios fizikos sritis, susijusi su fizikinių technologijų ir metodų kūrimu bei taikymu labai aktualioje šiuolaikinės medicinos srityje – radiologijoje, siekiant maksimaliai užtikrinti protingą paciento apsaugą nuo jonizuojančiosios spinduliuotės.
Medicinos fizika yra taikomosios fizikos sritis, susijusi su fizikinių technologijų ir metodų kūrimu bei taikymu labai aktualioje šiuolaikinės medicinos srityje – radiologijoje, siekiant maksimaliai užtikrinti protingą paciento apsaugą nuo jonizuojančiosios spinduliuotės.
Gal būt, jonizuojančios spinduliuotės terminas skaitytojams pasirodys naujas, tačiau jis apibrėžia procesus, kurie anksčiau būdavo įvardijami kaip radiacija, apie kurią esame girdėjęs kiekvienas. Mokslininkų manymu, radiacijos sąvoka jau „paseno“, todėl rekomenduoja vietoje jos vartoti tikslesnę, giminingus procesus nusakančią – jonizuojančios spinduliuotės sąvoką.
Jonizuojančioji spinduliuotė yra charakterizuojama kaip elektrinių dalelių srautas arba labai trumpos (bangos ilgis λ < 10-8m) elektromagnetinės bangos, kurių energijos pakanka medžiagos atomams ir molekulėms jonizuoti. Pagrindiniai jonizuojančios spinduliuotės šaltiniai yra:
- Rentgeno spinduliai,
- Alfa (α) spinduliuotė (alfa dalelių, t. y. teigiamą krūvį turinčių helio branduolių, kurie sudaryti iš dviejų protonų ir dviejų neutronų, spinduliuotė),
- Beta (β) spinduliuotė (beta dalelių, t. y. neigiamą krūvį turinčių elektronų srautas),
- Gama (γ) spinduliuotė (aukštos energijos elektromagnetinė spinduliuotė).
Skverbdamasi medžiaga spinduliuotė silpsta, prarasdama savo energiją dėl sąveikos su medžiaga procesų. Energijos pernešimo ir silpimo procesai įvairios medžiagose, tame tarpe ir biologiniuose audiniuose, vyksta skirtingai. Šiais skirtumais ir naudojasi radiologija – medicinos sritis, susijusi su spinduliuotės panaudojimu pacientų gydymui bei ligų diagnostikai.
Deja, net menkiausias jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis gyvam organizmui sąlygoja ląstelių spindulinius pažeidimus, kurie sietini su onkologinio susirgimo rizika. Pagrindinis parametras vertinant pažeidimų riziką yra sugertoji dozė – medžiagos tūrio elementui suteikta vidutinė jonizuojančiosios spinduliuotės energija, padalinta iš tūrio masės: D=dεvid/dm [Gy].
Taigi, medicinos fizikų užduotis – visais galimais fizikiniais metodais, panaudojant turimas technologijas užtikrinti, kad paciento dozė spindulinių procedūrų metu būtu optimali, o medicinos personalas ir kiti lankytojai būtų apsaugoti nuo nereikalingos apšvitos. Medicinos fizikų veikla apima 4 pagrindines sritis: diagnostiką, spindulinę terapiją, branduolinę mediciną ir radiacinę saugą (dozimetriją).
Spindulinės medicinos (radiologijos) era prasidėjo nuo W. K. Rentgeno atradimo 1895 m. Jo atrasti X spinduliai (dabar vadinami Rentgeno spinduliais) pirmą kartą buvo panaudoti anatominių struktūrų vaizdavimui, pasinaudojus šių spindulių silpimo minkštajame biologiniame audinyje ir kauliniame audinyje skirtumais. Tik vėliau, apie 1920 m. Rentgeno spinduliuotė pradėti taikyti spindulinėje terapijoje.
Medicininė vizualizacija (diagnostika) yra susijusi su neinvaziniu pacientų anatominių struktūrų vaizdavimu, nustatant ir lokalizuojant ligos / pažeidimų židinius. Šiuolaikinės vaizdinimo technologijos yra įvairios: kompiuterinė tomografija (CT), vaizdinimas naudojant magnetinio rezonanso reiškinį (MRI), ultragarsas (US), branduolinės medicinos metodai (NM), įskaitant pozitronų emisijos tomografiją (PET) ir pavienių fotonų tomografiją (SPECT) (1 pav.).
Akivaizdu, kad naudojant naujas medicininės vizualizacijos technologijas: PET/CT, SPECT/CT, PET/MRI (2 pav.), galima gauti daugiau svarbios biologinės informacijos apie paciento fiziologiją, organų funkcijas, biocheminius procesus, metabolizmus, molekulinę biologiją, net genetiką, neprarandant anatominio vaizdo kokybės, leidžiančios nustatyti ir lokalizuoti pažeistus organus ar audinius.
Kita svarbi vystymosi tendencija – perėjimas nuo dvimačių, prie trimačių vaizdų, leidžiančių charakterizuoti tūrinius objektus, tame tarpe ir auglius. Jau realizuota ir 4D vaizdinimo technika, kur ketvirtuoju matmeniu pasirinktas laikas, leidžiantis įvertinti paciento ir jo organų judėjimą (kvėpavimas, širdies plakimas).
Svarbu prisiminti, kad nauji sprendimai, taikant pacientų gydimui biotechnologijas, branduolinę mediciną ar inovatyvius terapijos metodus, didele dalimi priklauso nuo sėkmingo vaizdinimo metodų integravimo medicininėje praktikoje.
Spindulinė terapija siejama su onkologinių susirgimų gydymu, naudojant spindulines technologijas. Svarbiausias uždavinys, kurį tenka spręsti medicinos fizikams, yra dozių planavimas kiekvienam pacientui. Planas sudaromas taip, kad taikinyje (vėžio pažeistas organas ar audinys) apšvitos metu būtų sugerta dozė, reikalinga navikui sunaikinti, o aplinkiniai sveiki organai būtų maksimaliai apsaugoti nuo nereikalingo apšvitinimo.
Nors linijinių greitintuvų, generuojančių didelių energijų (6–28 MeV) Rentgeno fotonus ir elektronus, įdiegimas medicininėje praktikoje padidino spindulinės terapijos procedūrų efektyvumą, lyginant su ilgą laiką naudotais teleterapijos įrenginiais su Co-60 šaltiniu, tačiau dozių optimizavimo problemų neišsprendė. Bent iš dalies sumažinti nereikalingą apšvitą sveikiems organams pavyko pradėjus taikyti moduliuoto intensyvumo spindulinę terapiją (IMRT), kai greitintuvo stovas sukamas apie pacientą tam tikrais kampais (5–9 pozicijos), o apšvitos intensyvumas kiekvieno posūkio kampo atveju, parenkama individualiai. Naujesnė šio metodo versija – su integruota vaizdinimo sistema, leidžianti sekti apšvitinamo taikinio lokalizaciją kiekvienam posūkio kampui ir parinkti reikiamą spinduliuotės intensyvumą.
Pastaruoju metu rastas sprendimas, kaip išvengti apšvitos dozės netikslumų, susijusių su pacientų kvėpavimu: pradėtas taikyti metodas, susiejantis spindulių pluošto įjungimą/išjungimą su paciento kvėpavimo ciklu procedūros metu. Šis sprendimas ypač aktualus švitinant krūties, plaučių ir kepenų auglius.
Pagrindinis protonų (ir lengvųjų jonų) terapijos privalumas, lyginant su įprastine Rentgeno terapijos technika yra tai, kad atsižvelgiant į elektrinių dalelių sąveikos su medžiaga ypatumus, protonų energija gali būti tiksliai nukreipta į auglį ir sugerta jo tūryje, smarkiai sumažinant dozę aplinkiniams audiniams (3 pav.).
Įdiegus moduliuoto intensyvumo protonų terapiją (IMPT) atsiranda galimybė kontroliuoti ir gana tiksliai apšvitinti taikinio tūrį. Lawrence Livermore National Laboratorijoje kuriama šiuolaikinė IMPT sistema protonų įgreitinimui naudos sieninio tipo plokščiąją greitintuvą, kuris leistų atsisakyti techniškai sudėtingo ciklotroninio ar sinchrotroninio protonų įgreitinimo. Dėl riboto protonų įsiskverbimo į biologinį audinį gylio, protonų terapija pagrinde taikoma gydant akies, nosies-gerklės-kaklo, stuburo onkologinius susirgimus. Ši technika yra brangi ir sudėtinga, todėl bent jau artimiausioje ateityje jos Lietuvoje neturėsime.
Vienas iš galimų ateities spindulinės terapijos metodų – teragnostinė spindulinė terapija, siejanti 4D dozių pasiskirstymą su biologiniu rizikos modeliavimu, naudojant biožymeklius ir biovektorius, sudarytus genetiniu pagrindu.
Radiacinė sauga medicinoje. Didžiausią technogeninės apšvitos dalį sudaro apšvita medicininių procedūrų metu. Kasmet pasaulyje atliekama apie 2 000 milijonai medicininių diagnostikos procedūrų ir apie 300 milijonų dantų Rentgeno nuotraukų. Pridėjus 32 milijonus branduolinės medicinos diagnostinių procedūrų ir 5,5 milijonus spindulinės terapijos panaudojimo atvejų, skaičiai iš ties įspūdingi. Prisiminus, kad nėra sveikatai nekenksmingos apšvitos jonizuojančiąja spinduliuote, medicinos fizikų veiklos erdvė, susijusi su apšvitos dozių optimizavimu ir galimu mažinimu, yra be galo didelė.
Pasitelkus į pagalbą šiuolaikines technologijas, pritaikius naujausius metodus dozes galima „suvaldyti“. Tačiau teigiamo rezultato galima tikėtis tik tada, kai turėsime pakankamai tikslų dozių vertinimo mechanizmą, kurio pradinė grandis yra dozimetrinių parametrų registravimas. 9 iš 10 naujausių mokslinių publikacijų yra pabrėžiama dozių registravimo svarba, todėl apšvitos dozės spindulinių procedūrų metu yra vienas iš pagrindinių mokslinių tyrimų objektų.
Dozimetrija. Šioje srityje nuo 2001 metų darbuojasi ir KTU Fizikos katedros mokslininkų grupė, vadovaujama prof. dr. Dianos Adlienės, pirmuosius savarankiškų mokslinių tyrimų žingsnius žengia būsimieji Medicinos fizikos magistrai.
Darbai vykdomi 2 kryptimis: 1) pacientų dozių optimizavimas Rentgeno diagnostinių procedūrų metu ir 2) dozimetrijos metodų ir įrangos kūrimas.
1. Optimizavimas. Lygiagrečiai nacionalinei prevencijos nuo krūties vėžio programai, 2005–2009 m. naudojant termoliuminescencinės dozimetrijos (TLD) metodą visoje Lietuvoje buvo vykdomas pacientų dozių registravimas mamografinės patikros procedūrų metu.
Sukurta interaktyvi pacientų, dalyvaujančių mamografinėje patikroje, duomenų bazė MAMOLIT, kurioje kaupiami paciento biologiniai duomenys, technologiniai procedūros parametrai ir išmatuotos pacientų dozės. Interaktyvioje aplinkoje galima duomenų analizė įvairiais pjūviais, leidžianti įvertinti spindulinių pažaidų tikimybę ir sumažinti riziką susirgti onkologinėmis ligomis, optimizuojant mamografijos procedūros technologinius parametrus.
2. Dozimetrijos metodai ir įranga. Rentgeno diagnostikoje pacientų dozėms vertinti naudojamas standartinis taškinis TLD metodas, kai biologiniame audinyje ar organe sugertoji dozė suskaičiuojama remiantis paviršinės dozės matavimais atraminiame taške. Deja, šis metodas neįvertina realios apšvitinto paciento paviršiaus (odos) dozės, ypač jei procedūrų metu apšvitos laukai persikloja.
Fizikos katedroje plėtojama paviršiaus dozių kartografavimo technika, padengiant netaisyklingos formos tūrinio objekto paviršių (4 pav., krūties fantomas) TLD matrica, ir registruojant realiomis sąlygomis apšvitintų matricos elementų dozes. Remiantis matavimo rezultatais kuriami matematiniai dozių pasiskirstymo ant tūrinių objektų paviršiaus modeliai, padėsiantys apsaugoti odos segmentus, patenkančius į persiklojančių apšvitos laukų sritis, nuo per didelių dozių.
Dar viena kryptis, pratęsianti ilgametes Fizikos katedros mokslinių tyrimų tradicijas – apsauginių dangų spinduliuotės detektoriams kūrimas. Norint apsaugoti spinduliuotės detektoriaus aktyvųjį tūrį nuo aplinkos poveikio, jo paviršius dengiamas apsaugine danga, kuri turi pasižymėti geromis mechaninėmis savybėmis, atsparumu spinduliuotės poveikiui, būti galimai skaidria Rentgeno spinduliuotei ir tuo pat metu nedaryti didelės įtakos spinduliuotės registravimo mechanizmui.
Dažniausiai naudojamų įvairių apsauginių anglies polimerinių dangų storis silicio detektoriuose – keli šimtai mikronų. Tokio storio dangos pakanka paviršiui apsaugoti, tačiau dėl fotonų sugerties dangoje (ypač diagnostiniame, nedidelių energijų diapazone), padidėja sklaidos procesų tikimybė aktyviajame tūryje, tiesiogiai susijusi su detektoriaus registruojamojo signalo triukšmingumu – tai blogina diagnostinio vaizdo kokybę.
Atsižvelgiant į amorfinių deimanto tipo dangų mechanines savybes, kurios būdingos ir ploniems kelių šimtų nanometrų eilės storio sluoksniams, tiriamos jų panaudojimo galimybės detektoriaus aktyviojo paviršiaus apsauginėms funkcijoms atlikti. Sprendžiamas kompleksinis uždavinys: Monte Karlo metodais modeliuojami Rentgeno fotonų sąveikos procesai konstrukcijoje „apsauginė danga-detektorius“, keičiant dangos sudėtį ir struktūrą ir skaičiuojamos dozės; atrinkus dangas pagal mažiausią santykį „sklaidos dozė/visuminė dozė detektoriuje“, parenkant technologinius parametrus gaminamos eksperimentinės dangos, kurių sudėtis ir struktūra būtų galimai artimos atrinktosioms dangoms; po to tiriamos eksperimentinių dangų savybės bei įvertinamas spinduliuotės poveikis dangų savybėms.
Tyrimai rodo, kad amorfinės deimanto tipo anglies dangos, kurių sudėtyje yra SiOx grupių, yra pakankamai perspektyvios, tačiau ne visada eksperimentinės dangos pasižymi reikiamomis mechaninėmis charakteristikomis, vis dar nepavyksta suformuoti eksperimentinių dangų, kurių sudėtis ir struktūra tiksliai atkartotų modeliavimo būdu parinktas dangas. Tad ir šioje srityje dar reikia atlikti daug mokslinių tyrimų ieškant naujų technologinių sprendimų.
Prof. dr. Diana Adlienė, Fizikos katedra, Fundamentaliųjų mokslų fakultetas, Fundamentaliųjų mokslų fakulteto tinklaraštis, Kauno technologijos universitetas
