Физические принципы работы линейных ускорителей в медицинской физике
Линейные ускорители (ЛУ, LINAC — от Linear Accelerator) являются одним из наиболее важных инструментов в современной лучевой терапии. Основной задачей ЛУ в медицине является генерация высокоэнергетических рентгеновских или электронных пучков, используемых для облучения опухолевых тканей. В основе работы ЛУ лежит последовательное ускорение заряженных частиц — преимущественно электронов — при помощи переменного электрического поля высокой частоты в линейно выстроенной структуре.
Ключевые элементы конструкции ЛУ включают:
Активация ЛУ начинается с эмиссии электронов с катода. Эти электроны направляются в ускоряющую структуру, где попадают под воздействие высокочастотного переменного электрического поля (обычно в диапазоне 3 ГГц, что соответствует дециметровому диапазону). Волноводы, по которым распространяются СВЧ-волны, имеют особую геометрию (секционные ускоряющие резонаторы), позволяющую синхронизировать фазы поля с движением электронов. Это обеспечивает кумулятивное наращивание их кинетической энергии.
Акселерация может быть реализована двумя основными способами:
После выхода из ускоряющей секции электронный пучок может быть:
В последнем случае фотоны формируются за счёт торможения быстрых электронов в материале мишени. Полученное излучение является некогерентным, с непрерывным спектром, максимальная энергия которого ограничивается энергией падающих электронов.
После генерации фотонного (или электронного) пучка важно сформировать его таким образом, чтобы обеспечить:
Для этого используется терапевтическая головка, включающая:
Точность доставки дозы и контроль формы пучка — один из важнейших аспектов применения ЛУ. С этой целью в систему интегрируются:
Современные линейные ускорители работают в широком диапазоне энергий:
Выбор энергии зависит от клинической задачи: низкоэнергетические пучки применяются при поверхностных опухолях, высокоэнергетические — при глубоко расположенных очагах, где важно обеспечить максимальную дозу в центре мишени при минимальном облучении кожи.
Гантри — вращающаяся часть линейного ускорителя, на которой размещены ключевые элементы: ускоряющий волновод, изгибающая система, терапевтическая головка. Конструкция гантри позволяет изменять угол облучения пациента, обеспечивая облучение с различных направлений и распределение дозы внутри тела максимально точно.
Система управления гантри интегрирована с лечебным планом, и её движение полностью автоматизировано. В современных установках реализуются методы динамического облучения, такие как:
Линейные ускорители генерируют интенсивное ионизирующее излучение, что требует комплексных мер радиационной защиты:
Развитие ЛУ сопровождается интеграцией с технологиями визуализации:
Внедрение искусственного интеллекта и машинного обучения повышает точность позиционирования, оптимизацию планирования и контроль за лечением.
Форма распределения дозы от фотонного пучка, полученного на ЛУ, определяется законами взаимодействия высокоэнергетического излучения с веществом. Основные процессы:
Знание этих процессов критично для точного расчёта дозового распределения и защиты критических структур организма.
Линейные ускорители используются при лечении самых различных онкологических заболеваний: опухолей головного мозга, лёгких, молочной железы, предстательной железы, ЖКТ. Их гибкость, высокая точность, совместимость с современными планирующими системами делают ЛУ незаменимыми в современных онкологических клиниках.