Απορροφούμενη δόση ακτινοβόλησης

Το 1953, η Διεθνής Επιτροπή μονάδων και Μετρήσεων Ακτινοβολίας (International Commission on Radiation Units and Measurements,  ICRU), εισήγαγε την έννοια της απορροφούμενης δόσης ακτινοβόλησης και καθόρισε  ως  μονάδα μέτρησής της, το rad.

Το  προκαλούμενο  βιολογικό αποτέλεσμα από την ακτινοβολία στην σχετική πράξη, σχετίζεται με την απορροφούμενη δόση. Η απορροφούμενη δόση καθορίζεται με την έννοια της ενέργειας, η οποία εναποτίθεται από την ακτινοβολία, καθώς αυτή διέρχεται από το υλικό ενδιαφέροντος.  Ένα rad ισούται με απορρόφηση ενέργειας  0.01 joule  ανά χιλιόγραμμο  υλικού.
1 rad=0.01 J/kg
100 rad=1 J/kg=1Gy αντικατέστησε το rad
1 Gy=100 cGy
Μία άλλη μονάδα ποσοτικής μέτρησης της ακτινοβολίας είναι το roentgen. 
Το roentgen (R) εκφράζει την μονάδα έκθεσης στην ακτινοβολία.
1 rad=0.01 Gy.
Sievert (Sv).

Ο ρυθμός δόσης της ακτινοβολίας είναι ο ρυθμός με τον οποίο  χορηγείται μία δόση στο βιολογικό υλικό, μπορεί να αλλάξει το βιολογικό αποτέλεσμα.
Η κλασματοποίηση «κερματισμός» της χορηγούμενης δόσης σε δυο ή περισσότερα κλάσματα ακτινοβόλησης, απέχοντα μεταξύ τους κάποιο χρονικό διάστημα, συχνά έχει σαν αποτέλεσμα μικρότερη βιολογική βλάβη από την αποκαλούμενη κατά την χορήγηση της συγκεκριμένης δόσης σε ένα μόνο κλάσμα ακτινοβόλησης.

Ιοντίζουσα ακτινοβολία

Σύμφωνα με την Διεθνή Επιτροπή Μονάδων και Μετρήσεων της Ακτινοβολίας (International Commissionon Radiation Unitsand Measurements, ICRU), ως ιονισμός, καθορίζεται «η διαδικασία κατά την οποία ένα ή περισσότερα ηλεκτρόνια ελευθερώνονται από ένα άτομο ή μόριο». Οι ακτινοβολίες οι οποίες είναι ικανές να προκαλέσουν ιονισμούς, είτε άμεσα, με την μορφή φορτισμένων σωματιδίων (π.χ. ηλεκτρόνια, πρωτόνια) ή έμμεσα, σαν μη φορτισμένα σωματίδια (π.χ. νετρόνια) ή ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες (π.χ. φωτόνια), ορίζονται σαν ιοντίζουσες ακτινοβολίες.

Η πρόκληση ιονισμών από την αλληλεπίδραση της ακτινοβολίας, της χρησιμοποιούμενης στην ακτινοθεραπεία με τα μόρια των ιστών, κατά την διέλευσή της από αυτούς, μπορεί να έχει σαν αποτέλεσμα την πρόκληση βιολογικών φαινομένων.  Η συχνότερη αλληλεπίδραση, είναι αυτή μεταξύ της ιοντίζουσας ακτινοβολίας και του νερού. Από αυτήν την αλληλεπίδραση, προκαλείται η παραγωγή πολύ ασταθών και χημικά δραστικών ριζών υδροξυλίου. Οι ρίζεςυδροξυλίου εμπλέκονται σε πολλών ειδών χημικές αντιδράσεις μέσα στους ιστούς, από τις οποίες είναι δυνατόν π.χ. να προκληθούν βλάβες στα χρωμοσώματα. Θραύσεις της διπλής έλικας του DNA, μη δυνάμενες να επιδιορθωθούν, φαίνεται ότι είναι ικανές να προκαλέσουν τον θάνατο, σε κύτταρα ικανά να διαιρεθούν. Άλλες κυτταρικές βλάβες προκληθείσες από τις ιοντίζουσες ακτινοβολίες, είναι δυνατόν να προκαλέσουν τον θάνατο κάποιων κυτταρικών τύπων, μέσω της απόπτωσης, της έναρξης, δηλαδή της διαδικασίας του προγραμματισμένου γενετικά θανάτου τους. Τέτοια κύτταρα, θεωρούνται τα γεννητικά και τα λεμφοκύτταρα, καθώς επίσης και τα νεοπλάσματα που ξεκινούν από αυτά.

Η διεισδυτικότητα των ακτινοβολιών μέσα στο σώμα, είναι ευθέως ανάλογη προς την ενέργειά τους. Η διεισδυτικότητα χαρακτηρίζεται από το πάχος ενός συγκεκριμένου υλικού, όπως το αλουμίνιο, ο χαλκός ή ο μόλυβδος, το οποίο μειώνει την ένταση της ακτινοβολίας, κατά 50%. Αυτό το πάχος  εκφράζεται με μία τιμή, την HVL(Half Value Layer)

Οι ιοντίζουσες ακτινοβολίες κατατάσσονται σε ηλεκτρομαγνητικές και σωματιδιακές.

Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία είναι η ενέργεια η παραγόμενη από την ταλάντωση ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων, η μεταδιδόμενη στο χώρο ή σε κάποιο μέσο. Στο κενό η ταχύτητά της είναι ίδια με την ταχύτητα του φωτός. Το ορατό φως, τα ραδιοκύματα, οι υπέρυθρες, οι υπεριώδεις και οι ακτίνες –Χ- και –γ-, είναι παραδείγματα ηλεκτρομαγνητικών ακτινοβολιών.

Οι ακτίνες –Χ- και –γ-, είναι ηλεκτρομαγνητικές ακτινοβολίες, οι οποίες είναι δυνατόν να προκαλέσουν ιονισμό, κατά την αλληλεπίδρασή τους με το μέσον το οποίο διασχίζουν. Για αυτό τον λόγο, ορίζονται σαν ιοντίζουσεςακτνοβολίες. Οσον αφορά τη φύση τους και τις ιδιότητές τους, οι ακτίνες –Χ- και –γ- δεν διαφέρουν μεταξύ τους. Η διαφορά τους έγκειται μόνο στον τρόπο παραγωγής τους. Οι ακτίνες –Χ- παράγονται  εκτός πυρήνα, ενώ οι ακτίνες –γ- παράγονται μέσα στον πυρήνα.

Ηλεκτρόνια: Είναι μικρά αρνητικά φορτισμένα σωματίδια, τα οποία μπορεί να επιταχυνθούν σε ηλεκτρικά μηχανήματα.

Πρωτόνια : Είναι θετικά φορτισμένα σωματίδια, η μάζα των οποίων είναι περίπου 2.000 φορές μεγαλύτερη αυτής των ηλεκτρονίων.

Μονάδες παραγωγής ακτίνων –Χ- (Γραμμικοί επιταχυντές)
Ο γραμμικός επιταχυντής χρησιμοποιώντας υψηλής συχνότητας ηλεκτρομαγνητικά κύματα, επιταχύνει ηλεκτρόνια, προσδίδοντας τους υψηλή ενέργεια, μέσω μίας διάταξης επιτάχυνσής τους. Χάρις στην μικρή διάμετρο της φωτεινής εστίας δεν παρατηρείται το φαινόμενο της παρασκιάς.

Τα ηλεκτρόνια έχουν περιορισμένη διεισδυτικότητα λόγω της φύσης τους (σωματιδιακή ακτινοβολία).  Σαν σωματίδια λοιπόν που είναι, προκαλούν πυκνότερο ιονισμό από τις ακτίνες –Χ- και –γ- στην πορεία τους και παρουσιάζουν απότομη πτώση και εξασθένηση των ιονισμών, μετά από ένα ορισμένο μήκος διαδρομής που καθορίζεται από την κινητική τους ενέργεια.

Δέσμες ηλεκτρονίων ενέργειας κυμαινόμενης μεταξύ 6 και 20 MeV, χρησιμεύουν κατά την θεραπεία επιφανειακών όγκων, ευρισκόμενων σε βάθος περίπου  5 cm. Συχνά, χρησιμοποιούνται σε συνδυασμό με φωτόνια (ακτίνες –Χ- και –γ-), είτε συμπληρωματικά (boost), ή σε συνδυασμό (μικτή ακτινοβόληση), με σκοπό την βέλτιστη κατανομή της δόσης.

Οι κυριότερες κλινικές εφαρμογές, περιλαμβάνουν την θεραπεία καρκίνων του δέρματος και του χείλους, την ακτινοβόληση του θωρακικού τοιχώματος και την εφαρμογή τους, συμπληρωματικά (boost), κατά την ακτινοβόληση των λεμφαδένων και την θεραπεία καρκίνων της κεφαλής και του τραχήλου.

Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διακρίνεται στη Χ ή Roentgen και γ ακτινοβολία. Η διαφορά τους έγκειται στην προέλευση.

Η ακτινοβολία Χ είναι εξωπυρηνικής προέλευσης ενώ η γ ακτινοβολία είναι πυρηνικής.

Η σωματιδιακή ακτινοβολία, ανάλογα με το είδος των σωματιδίων, κατατάσσεται σε ακτινοβολία ηλεκτρονίων, πρωτονίων, νετρονίων και άλλες.

Η ενέργεια της ακτινοβολίας αποδίδεται στο υλικό μέσο διά του οποίου διέρχεται διά τριών κυρίως μηχανισμών : του φωτοηλεκτρικού φαινομένου, του Compton και της διδύμου γένεσης.
Η απορροφούμενη από την ύλη ραδιενέργεια της ιοντίζουσας ακτινοβολίας μετρείται σε μονάδες Gray (Gy) η οποία αντιστοιχεί και είναι ίση με 100 rad. Η rad σαν μονάδα μέτρησης έχει τελευταία εγκαταλειφτεί. Η ανά μονάδα χρόνου παραχθείσα δόση λέγεται ρυθμός απορροφηθείσης δόσης (dose rate) και εκφράζεται σε Gy/min.

Οι βλάβες ή ρήξεις στις έλικες του DNA  μπορεί να είναι μονές όταν παράγονται μεμονωμένα στο χρόνο και στο χώρο που κατέχουν οι έλικες, ή διπλές, όταν παράγονται σε κοντινά χρονικές στιγμές και σε γειτονικές θέσεις στους  δύο έλικες. Από το μέγεθος και το είδος της βλάβης εξαρτάται και η δυνατότητα της ενζυματικής επανόρθωσης της βλάβης.

Οι μη επανορθώσιμες διπλές ρήξεις των ελίκων του DNA οδηγούν σε κυτταρικό θάνατο.

Ανάλογα με το είδος και το πλήθος των βλαβών, που εξαρτάται από το ύψος της δόσης, τον τρόπο χορήγησης, τη χρονική περίοδο και LET (γραμμική μεταφερομένη ενέργεια linear energy transfer), τα κύτταρα έχουν τη δυνατότητα της μερικής ή ολικής επανόρθωσης.

Τα φαινόμενα αυτά εκφράζονται με τις καμπύλες επιβίωσης των κυττάρων σε καλλιέργειες. Οι καμπύλες αυτές περιγράφουν την πιθανότητα επιβίωσης σε σχέση με την χορηγηθείσα δόση και επηρρεάζονται από το δυναμικό ενζυματικής επιδιόρθωσης (repair), το δυναμικό αναπαραγωγής των κυττάρων (repopulation), το ρυθμό δόσης (dose rate), το κυτταρικό συγχρονισμό (redistribution).

Παράγοντες που επηρεάζουν τη βιολογική δράση της ακτινοβολίας.

Ο τρόπος χορήγησης της ακτινοβολίας παίζει σημαντικό ρόλο στη δραστικότητα πάνω στην έμβιο ύλη καθ’όσον παρατηρείται ότι  μεγάλα χρονικά διαστήματα μεταξύ δύο δόσεων έχει σαν αποτέλεσμα την πλήρη επιδιόρθωση των μη θανατηφόρων βλαβών.

Η ακτινοευαισθησία των κυττάρων εξαρτάται από τη φάση του κυτταρικού κύκλου στην οποία βρίσκεται κατά τη στιγμή της ακτινοβόλησης.  Η ακτινοευαισθησία είναι ελάχιστη στη G 0-φάση και μέγιστη στη G 2 και μίτωση.

Η μειωμένη οξυγόνωση των ιστών (υποξεία) ελαττώνει την κυτταρική ακτινοευαισθησία λόγω της απουσίας της καταλυτικής ιδιότητας του οξυγόνου στην παραγωγή ελευθέρων ριζών.

Η κατανομή της απορροφούμενης ποσότητας ενέργειας από τους ιστούς εξαρτάται κυρίως από το είδος της ακτινοβολίας δηλαδή αν είναι σωματιδιακή ή ηλεκτρομαγνητική και από την ενέργεια αυτής.

Η κατανομή βάθους χαρακτηρίζεται από τις καμπύλες κατανομής που αναφέρονται στο δοσιμετρικό υλικό γι’αυτό και εκφράζονται σε ποσοστιαίους αριθμούς (%).

Η μορφή μιάς καμπύλης βάθους εξαρτάται όχι μόνο από το είδος και την ενέργεια της ακτινοβολίας αλλά και από τα τεχνικά  χαρακτηριστικά του μηχανήματος παραγωγής της ακτινοβολίας, από το μέγεθος του πεδίου και την απόσταση της εστίας από το δέρμα (SSD: Source Skin Distance).

Η μέγιστη τιμή της δόσης εμφανίζεται με αυξανόμενη ενέργεια σε μεγαλύτερο βάθος (βάθος μέγιστης τιμής). Με την ακτινοβολία ηλεκτρονίων σε αντίθεση με εκείνη των φωτονίων η απορροφούμενη δόση φθίνει σε μικρότερο βάθος.

Η ιοντίζουσα ακτινοβολία δρα κατά τον ίδιο τρόπο τόσο στα φυσιολογικά κύτταρα όσο και στα κακοήθη. Τα κακοήθηκύτταρα είναι περισσότερο ευάλωτα από τα φυσιολογικά λόγω διαφορετικής ταχύτητας επαναπληθυσμού και διαφορετική τάση επιδιόρθωσης των βλαβών.

Η βιολογική δράση της ακτινοβολίας εξαρτάται όχι μόνο από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω αλλά και από την συνολική δόση και τον τρόπο χορήγησης της ακτινοβολίας. Δηλαδή από τηχρονική  περίοδο χορήγησης της συνολικής δόσης και την ημερησία κατανομή μίας ή περισσότερων επί μέρους δόσεων (κλασματοποίηση ή υπερκλασματοποίηση).

Διάφορα σχήματα κλασματοποίησης (fractionation) της δόσης  χρησιμοποιούνται στην κλινική ακτινοθεραπεία.

Η κλασική κλασματοποίηση άπαξ ημερησίως 2 Gy (1,8-2,5 Gy), 5 ημέρες την εβδομάδα, μέχρι τη συμπλήρωση της απαιτούμενης συνολικής δόσης για την κάθε περίπτωση.

Η υπερκλασματοποιημένη (hyperfractionation) ακτινοθεραπεία κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα.

Η δόση ανά συνεδρία είναι μικρότερη των 2 Gy και ο συνολικός χρόνος της ακτινοθεραπείας παραμένει σε σύγκριση με την κλασική κλασματοποίηση ο ίδιος και η συνολική δόση υψηλότερη.

Η επιταχυνόμενη κλασματοποίηση (accelareted fractionation) της ακτινοθεραπείας κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα. Η δόση ανά συνεδρία είναι τουλάχιστον 2 Gy και ολική διάρκεια της ακτινοθεραπείας είναι μικρότερη από την κλασική.

Η υπερκλασματοποιημένη επιταχυνόμενη κλασματοποίηση  (hyper-fraktionated accelareted  fractionation) της ακτινοθεραπείας κατά την οποία ο κλινικός στόχος ακτινοβολείται τουλάχιστον δύο φορές την ημέρα. Η δόση ανά συνεδρία είναι μικρότερη των 2 Gy και η ολική διάρκεια της ακτινοθεραπείας είναι μικρότερη από αυτήν των 2 Gy ανά συνεδρία.

Οι διαφορετικές κλασματοποιήσεις της ακτινοβολίας εφαρμόζονται για τη βελτίωση των κλινικών αποτελεσμάτων εκμεταλλευόμενοι το δυναμικό επαναπληθυσμού (repopulation) των νεοπλασματικών κυττάρων και τη δυνατότητα  διόρθωσης  των ημιθανατηφόρων βλαβών (repair).

Το σύνηθες ή κλασικό σχήμα εφαρμογής της ακτινοθεραπευτικής  αγωγής είναι η χορήγηση της θεραπείας άπαξ ημερησίως επί πέντε ημέρες την εβδομάδα για 5 έως 7 εβδομάδες. Σε περίπτωση παρεμβολής  μεσοδιαστήματος διακοπής της θεραπείας (π.χ. επί μία εμβδομάδα) έχουμε τη λεγόμενη διακεκομμένη θεραπεία (split - course). Η αγωγή ακτινοθεραπείας σε 36 συνεδρίες επί 12 συνεχείς ημέρες σε μεσοδιάστημα  6 ωρών μεταξύ των κλασμάτων και δόση 1,4-1,6 Gy ανά κλάσμα ονομάζεται συνεχής επιταχυνόμενη υπερκλασματοποιημένη ακτινοθεραπεία (CHART).

απαιτούμενη δόση είναι 70-80 Gy. Συμπληρωματική ακτινοθεραπευτική αγωγή χορηγείται σε περιπτώσεις υπολειμματικής τοπικής νόσου σε μικρότερα πεδία (boost). Η έκταση των πεδίων θεραπείας με την πρόοδο της αγωγής μπορεί να μικραίνουν προοδευτικά με σκοπό τη χορήγηση υψηλότερων δόσεων (shrinkingfield)

Μορφολογικό μέγεθος στοχικού όγκου GTV (grosstumorvolume) είναι η ορατή κλινικά ή απεικονιστικά διαπιστούμενη έκταση της νόσου που μπορεί να είναι η πρωτοπαθής  νόσος  λεμφαδενοπάθεια ή μεταστάσεις. 

Κλινικό μέγεθος  όγκου  CTV (clinical  target volume) θεωρείται πέρα  από το μορφολογικό μέγεθος (ορατό) οι υποκλινικές μικροσκοπικές  εντοπίσεις που πρέπει να συνθεραπευτούν και προκύπτουν από τις γνώσεις της βιολογικής συμπεριφοράς του νεοπλάσματος.

Σχεδιασμένο μέγεθος του όγκου PTV (planning target volume) είναι το περίγραμμα που περιλαμβάνει το δυνατόν τα προηγούμενα μεγέθη και λαμβάνει επιπλέον υπόψη τυχόν κινήσεις των ιστών ή μεταβολές του μεγέθους και της μορφής τους.

Θεραπευόμενο μέγεθος TTV (treated target volume) είναι το γεωμετρικό σχήμα  που προκύπτει και περιβάλλεται από την ισοδοσιακή επιφάνεια που θεωρείται η κατάλληλη για την επίτευξη του σκοπού της θεραπείας.

Ακτινοβολούμενο  μέγεθος ITV (irradiated target volume) είναι ο όγκος των ιστών που υπόκεινται στην επίδραση της ακτινοβολίας με συγκεκριμένη μετρήσιμη δόση.

Επίσης σχεδιάζεται το περίγραμμα των ευαίσθητων ( κρίσιμων ) οργάνων πλησίον της νόσου (organs at risk).