تم استخدام الإلكترونات عالية الطاقة في العلاج الإشعاعي منذ أوائل الخمسينيات من القرن الماضي، وفي الأصل تم استخراج الحزم في الغالب من (betatrons)، على الرغم من توفر عدد قليل من المسرعات الخطية ومولدات (Van de Graaff) ذات طاقات الإلكترون المنخفضة نسبيًا. وفي السبعينيات من القرن الماضي، أصبحت المسرعات الخطية عالية الطاقة التي تتمتع بقدرات شعاع إلكترون متعدد الطاقة والفوتون، متاحة بشكل متزايد للاستخدام السريري.
العلاج بالشعاع الإلكتروني
كان الدافع وراء الزيادة الكبيرة في التطوير التجاري لهذه الآلات هو الخبرة السريرية المكتسبة في عدد قليل من المراكز الرئيسية والتي أظهرت أنه في بعض المواقف الشائعة “لا يوجد علاج بديل للعلاج بحزمة الإلكترون”، كان نطاق الطاقة الأكثر فائدة سريريًا للإلكترونات هو 6 إلى 20 ميجا فولت. وفي هذه الطاقات، يمكن استخدام حزم الإلكترون لعلاج الأورام السطحية (أقل من 5 سم) مع انخفاض حاد مميز في الجرعة بعد الورم. التطبيقات الرئيسية هي:
- علاج سرطان الجلد والشفة.
- تشعيع جدار الصدر لسرطان الثدي.
- إعطاء جرعة معززة للعقد.
- علاج سرطانات الرأس والرقبة.
على الرغم من أنه يمكن أيضًا معالجة العديد من هذه المواقع بالأشعة السينية السطحية أو المعالجة الكثبية أو حزم الفوتون العرضية، فإن تشعيع الحزمة الإلكترونية يوفر مزايا واضحة من حيث انتظام الجرعة في الحجم المستهدف، وفي تقليل الجرعة إلى الأنسجة العميقة، لتوفير معلومات أساسية عن خصائص الحزمة الإلكترونية وقياس الجرعات وتخطيط العلاج، كما ستتعلق معظم المناقشة بالإلكترونات من 6 إلى 20 ميغا إلكترون فولت، على الرغم من أن البيانات الموجودة في هذه الطاقات يمكن استقراءها بالتوريث إلى نطاق الطاقة الأدنى أو الأعلى.
التفاعل الإلكتروني
عندما تنتقل الإلكترونات عبر وسيط، فإنها تتفاعل مع الذرات من خلال مجموعة متنوعة من العمليات بسبب تفاعلات قوة كولوم، كما تشمل هذه العمليات:
- الاصطدامات غير المرنة مع الإلكترونات الذرية (التأين والإثارة).
- الاصطدامات غير المرنة مع النوى الذرية (bremsstrahlung).
- الاصطدامات المرنة مع النوى الذرية (التشتت النووي).
- الاصطدامات المرنة مع الإلكترونات الذرية ( تشتت الإلكترون).
في التصادمات غير المرنة، يتم فقد بعض الطاقة الحركية؛ لأنها تستخدم في إنتاج التأين والإثارة أو تحويلها إلى أشكال أخرى من الطاقة مثل فوتونات بريمستراهلونغ. في الاصطدام المرن، لا تضيع الطاقة الحركية، على الرغم من أنها قد تتوزع بين الجسيمات الخارجة من الاصطدام. وفي الوسائط ذات العدد الذري المنخفض مثل الماء أو الأنسجة، تفقد الإلكترونات طاقتها في الغالب من خلال أحداث التأين أو الإثارة مع الإلكترونات الذرية.
في عملية التصادم مع الإلكترونات الذرية، إذا كانت الطاقة الحركية المكتسبة بواسطة الإلكترون المجرد كبيرة بما يكفي لإحداث المزيد من التأين، يُعرف الإلكترون بالإلكترون الثانوي أو الأشعة d. عندما تنتقل حزمة من الإلكترونات عبر وسيط، تتدهور الطاقة باستمرار حتى تصل الإلكترونات إلى الطاقات الحرارية ويتم التقاطها بواسطة الذرات المحيطة، كما تنتج التصادمات المرنة المتعددة لإلكترون عالي الطاقة (تشتت متعدد) انحرافات متعددة للزاوية الصغيرة.
نتيجة لذلك، يتبع الإلكترون مسارًا متعرجًا، بينما يفقد أيضًا باستمرار الطاقة الحركية من خلال الاصطدامات غير المرنة مع الذرات (التأين والإثارة) حتى تختفي كل طاقته الحركية.
- معدل فقدان الطاقة: يفقد الإلكترون المنتقل في وسط الطاقة نتيجة عمليات الاصطدام والإشعاع، كما تظهر مقادير التأثيرين على الماء والرصاص.
- التأين والإثارة: يعتمد معدل فقدان الطاقة على كثافة الإلكترون للوسط، معدل فقد الطاقة لكل جرام لكل سنتيمتر مربع وهو ما يسمى بقوة إيقاف الكتلة، يكون أكبر بالنسبة للمواد ذات العدد الذري المنخفض (Z) منه بالنسبة للمواد عالية Z.
وهناك سببان لذلك: أولاً، تحتوي المواد عالية Z على إلكترونات أقل لكل جرام من المواد منخفضة Z وثانيًا، تحتوي المواد عالية Z على إلكترونات أكثر إحكامًا والتي لا تتوفر لهذا النوع من التفاعل، ينخفض معدل فقد الطاقة أولاً ثم يزداد مع زيادة طاقة الإلكترون بحد أدنى يحدث عند حوالي 1 إلكترون فولت، أعلى من 1 ميغا إلكترون فولت، يكون التباين مع الطاقة تدريجيًا جدًا، يبلغ معدل فقد طاقة إلكترونات الطاقة 1 MeV وما فوق في الماء 2 MeV / cm تقريبًا.
- خسائر الإشعاع: يتناسب معدل فقد الطاقة لكل سنتيمتر في الوسط بسبب (bremsstrahlung) تقريبًا مع طاقة الإلكترون ومربع العدد الذري، يزداد احتمال فقد الإشعاع بالنسبة إلى خسارة الاصطدام مع طاقة الإلكترون، هذا يعني أن إنتاج الأشعة السينية أكثر كفاءة للإلكترونات عالية الطاقة وامتصاص العدد الذري الأعلى.
تشتت الإلكترون
عندما تمر حزمة من الإلكترونات عبر وسيط، فإن الإلكترونات تعاني من تشتت متعدد بسبب تفاعلات قوة كولوم بين الإلكترونات الساقطة وفي الغالب نوى الوسط. نتيجة لذلك، تكتسب الإلكترونات مكونات السرعة وتعكس الإزاحات اتجاه حركتها الأصلي. بالنسبة لمعظم التطبيقات العملية، يمكن تقريب الانتشار الزاوي والمكاني لحزمة الإلكترونات الضيقة الموازية من خلال توزيع غاوسي.
تختلف قوة التشتت تقريبًا بمقدار مربع العدد الذري وعكسًا مثل مربع الطاقة الحركية. لهذا السبب، يتم استخدام المواد عالية Z في بناء رقائق التشتت، كما تنشر الرقائق المبعثرة شعاع الإلكترون الذي يخرج من أنبوب التسريع وتصنع رقيقة لتقليل تلوث الأشعة السينية لحزمة الإلكترون.
