Дозиметрия в медицине

Физические принципы дозиметрии и её применение в медицинской биофизике

В биофизике и медицинской радиационной физике под дозой облучения понимается количественная мера взаимодействия ионизирующего излучения с веществом, в частности с биологической тканью. Основные виды доз включают:

Поглощённая доза (D) — количество энергии, поглощённое единицей массы вещества. Измеряется в греях (Гр): 1 Гр = 1 Дж/кг. Это фундаментальный физический параметр, непосредственно связанный с энергетическим воздействием излучения.
Эквивалентная доза (H) — учитывает биологическое действие различных видов излучения (альфа, бета, гамма, нейтроны). Рассчитывается по формуле: H = D × w_R, где w_R — радиационно-взвешивающий коэффициент. Единица измерения — зиверт (Зв).
Эффективная доза (E) — сумма эквивалентных доз по всем органам, с учётом их радиочувствительности. E = Σ w_T × H_T, где w_T — тканевой коэффициент чувствительности.

Эффективная доза отражает общий риск облучения всего организма, позволяя сравнивать различные методы радиологической диагностики и терапии по потенциальному вреду.

Источники ионизирующего излучения в медицине

В медицинской практике применяются как естественные, так и искусственные источники ионизирующего излучения. К основным относятся:

Рентгеновские аппараты — генерация фотонного излучения с энергией 20–150 кэВ, применяемого в диагностике.
Радиоизотопные источники — в терапии и радионуклидной диагностике: йод-131, технеций-99м, кобальт-60.
Линейные ускорители — источники высокоэнергетических фотонов и электронов (от 4 до 25 МэВ) в лучевой терапии.
Брахитерапия — внутритканевое введение источников радиации, обеспечивающее локальное высокодозовое облучение.

Методы измерения дозы

Абсолютные дозиметрические методы

Используют физические принципы прямого измерения энергии, поглощённой веществом:

Калориметрические дозиметры — измеряют повышение температуры вещества при поглощении энергии излучения.
Ионизационные камеры — измеряют электрический ток, возникающий при ионизации газа; позволяют определить экспозиционную и поглощённую дозу.
Фотонные дозиметры с жидкими сцинтилляторами — регистрируют световые вспышки, возникающие при взаимодействии излучения с веществом.

Относительные методы

Используются при калибровке источников и мониторинге доз:

Термолюминесцентные дозиметры (TLD) — поглощённая энергия сохраняется в кристаллической решётке, а затем высвобождается в виде света при нагреве.
Фотолюминесцентные и радиолюминесцентные дозиметры — применимы в условиях малых доз или при индивидуальном контроле.
Фильм-дозиметры и радиохромные плёнки — изменения цвета или оптической плотности служат для визуализации распределения дозы.

Дозиметрия в диагностической радиологии

В рентгенодиагностике дозиметрический контроль необходим для:

Оценки дозы, получаемой пациентом, включая дозу на кожу, органную дозу и эффективную дозу.
Сравнения дозовых нагрузок при различных исследованиях (например, КТ, флюорография, маммография).
Соблюдения принципа ALARA (As Low As Reasonably Achievable) — минимизации доз при сохранении качества изображения.

Для контроля применяются:

Входная поверхностная доза (ESE) — рассчитывается или измеряется с помощью дозиметров, размещённых на коже.
Индекс дозы при КТ (CTDI) и эффективная доза — важны для оценки риска и оптимизации параметров сканирования.

Дозиметрия в ядерной медицине

В радиоизотопной диагностике и терапии происходит внутреннее облучение за счёт распределения радиофармпрепарата по органам. Дозиметрические задачи включают:

Оценку активности введённого радионуклида, его биологического и физического периода полураспада.
Моделирование распределения активности в тканях с помощью компьютерной томографии и сцинтиграфии.
Расчёт дозы по методу МИКРОДОЗИМЕТРИИ, учитывая микроскопическое распределение энергии в клетках.

Особое значение имеют:

Модель MIRD (Medical Internal Radiation Dose) — стандартизированный подход к оценке доз от внутритканевых источников.
Персонализированная дозиметрия — учитывает анатомические и физиологические особенности пациента для более точного планирования лечения.

Дозиметрия в лучевой терапии

В онкологической практике главной задачей является максимальное облучение опухоли при минимальной дозе на здоровые ткани. Это требует высокой точности дозиметрических расчётов и контроля:

Основные методы:

Планирование дозового распределения — с помощью компьютерных систем и моделей транспорта частиц (Monte Carlo, Pencil Beam).
Калибровка линейных ускорителей — с использованием водных фантомов и ионизационных камер.
Контроль соответствия запланированной и фактически доставленной дозы — in vivo-дозиметрия и EPID-системы.

Пространственно-временная структура облучения:

Фракционирование дозы — деление полной дозы на множество сеансов снижает повреждение нормальных тканей.
Иммобилизация пациента и навигационные системы — обеспечивают точность позиционирования.
IMRT (интенсивно-модулированная лучевая терапия) и VMAT (аркообразная терапия) — технологии, позволяющие адаптировать дозу к форме опухоли.

Биофизические аспекты дозиметрии

На молекулярном уровне излучение вызывает:

Разрывы ДНК, окислительный стресс, апоптоз.
Эффекты прямого и непрямого действия — возбуждение ионизацией биомолекул или генерация свободных радикалов.
Нелинейная зависимость повреждений от дозы — важна при дозах ниже 100 мГр, где действуют механизмы репарации.

Ключевыми биофизическими параметрами являются:

LET (линейная передача энергии) — энергия, передаваемая среде на единицу пути. Высокий LET (альфа-частицы) вызывает более серьёзные повреждения.
RBE (относительная биологическая эффективность) — отношение доз разных излучений, вызывающих одинаковый эффект.
OER (кислородный эффект) — радиочувствительность клеток увеличивается при наличии кислорода, что используется при планировании терапии.

Нормативное регулирование и радиационная безопасность

Медицинская дозиметрия подчиняется строгим международным стандартам:

МКРЗ (ICRP) и МАГАТЭ (IAEA) разрабатывают рекомендации по гигиеническим нормативам.
Предельно допустимые дозы для персонала и населения строго регламентированы: персонал — 20 мЗв/год (средняя), население — 1 мЗв/год.
Система радиационной защиты основана на трёх принципах: оправданность, оптимизация, ограничение дозы.

Современные тенденции в медицинской дозиметрии

Развитие цифровых дозиметрических систем — интеграция с медицинскими информационными системами (PACS, RIS).
Моделирование на уровне нанodosimetry — изучение распределения энергии на наноуровне в ДНК и субклеточных структурах.
Разработка радиочувствительных гелей и 3D-дозиметрии — для пространственной верификации лучевых полей.
Использование AI и машинного обучения — в анализе и оптимизации дозовых нагрузок, особенно в радиологии.