Radiācijas terapijas fizika kā medicīnas fizikas apakšnozare apskata dažāda veida jonizējošā starojuma (rentgenstarojums, elektroni, pozitīvi lādēti joni) terapeitisko pielietojumu onkoloģisku slimību ārstēšanai. Šī nozare ietver dažādus aspektus par jonizējošā starojuma fizikālās mijiedarbības mehānismiem ar matēriju un bioloģiskām sistēmām, starojuma piegādes ierīču un metožu izstrādi, starojuma dozimetrijas un radiācijas terapijas kvalitātes nodrošināšanas metožu izstrādi. Radiācijas terapijas fizika ietver arī medicīnisko attēlveidošanu, lai kvantitatīvi aprakstītu jonizējošā starojuma mijiedarbību pacienta anatomijā. Radiācijas terapijas fizika nodrošina radiācijas terapijas klīnisko procesu – terapijas plānošanu, kvalitātes kontroli un dozimetriju, kā arī radiācijas drošību.

Lai raksturotu jonizējošā starojuma mijiedarbību ar bioloģiskām sistēmām, radiācijas terapijas fizika saskaras ar tādām nozarēm kā biofizika, radiobioloģija, radiācijas ķīmija, anatomija un fizioloģija. Savukārt radiācijas terapijas tehnoloģiskā nodrošinājuma ziņā radiācijas terapijas fizika ir cieši saistīta ar tādām nozarēm kā jonizējošā starojuma dozimetrija, metroloģija, paātrinātāju fizika un medicīniskā attēlveidošana. Tā kā nozare ir cieši saistīta ar klīnisko radiācijas terapiju, tā saskaras arī ar klīnisko onkoloģiju, konkrētāk – radiācijas onkoloģiju.

Radiācijas terapijas fiziku sīkākās apakšnozarēs parasti iedala pēc izmantotā jonizējošā starojuma veida un starojuma piegādes metodes:

• distances staru terapijas fizika – rentgenstarojuma fotonu terapija (konvencionālā), elektronu terapija un daļiņu terapija – protonu terapija un smago jonu terapija;

• brahiterapijas jeb kontakta staru terapijas fizika;

• radiofarmaceitiskā terapija – apakšnozare, kas cieši saistīta ar nukleāro medicīnu, – izmanto radioaktīvos izotopus farmaceitisku preparātu veidā (iekšķīga ievade pacientā).

Radiācijas terapijas fizika veic pētījumus, lai izstrādātu metodes un iekārtas jonizējošā starojuma pielietošanai onkoloģisko slimību – ļaundabīgu audzēju – ārstēšanā. Šī nozare ietver medicīnisko attēlu izmantošanu radiācijas terapijas plānošanas procesā, terapijas plānošanu un pacientam piegādātās dozas aprēķinu, dozimetriju, iekārtu kvalitātes kontroles pārbaudes, starojuma piegādes metodes u. c. Nozares galvenais mērķis ir dažādu fizikālo un bioloģisko principu pielietošana, lai uzlabotu radiācijas terapijas procesu – maksimizētu terapeitisko efektu audzēja šūnās, samazinot piegādāto jonizējošo starojumu veselajos audus un saistīto terapijas blakusparādību risku.

Praktiskajā darbā klīniskajā vidē medicīnas fiziķi pielieto radiācijas terapijas fizikas principus, lai kopā ar ārstniecības personālu nodrošinātu precīzu radiācijas terapijas piegādi pacientam. Radiācijas terapijas fizika ir cieši saistīta arī ar radiācijas aizsardzības principiem – indivīdu un sabiedrības aizsardzību pret jonizējošā starojuma kaitīgo ietekmi.

Radiācijas terapijas fizikas viens no pamatjēdzieniem ir jonizējošais starojums. Jonizējošais starojums ir elektromagnētisks starojums (konkrētāk – rentgenstarojums) vai daļiņu plūsma, kam piemīt spēja jonizēt vielu – ģenerēt brīvos elektronus un jonus. Jonizējošajam starojumam mijiedarbojoties ar bioloģiskām sistēmām, notiek vairāki secīgi fizikāli, ķīmiski un bioloģiski procesi, kas nodrošina radiācijas terapijas klīnisko efektu. Šīs nozares fokuss galvenokārt ir uz primāro fizikālo mijiedarbību, tomēr tā ir cieši saistīta arī ar vairākiem konceptiem radiobioloģijā un radiācijas ķīmijā.

Fizikālās mijiedarbības mehānismi starp jonizējošo starojumu un matēriju ir atkarīgi no starojuma veida. Atkarībā no enerģijas un apstarotā materiāla, rentgenstarojums ar vidi var mijiedarboties fotoefekta, Komptona efekta (Compton effect) vai pāru ģenerēšanas ceļā (augstāku enerģiju apstākļos arī tripletu ģenerēšana un fotonukleārās reakcijas). Šie mijiedarbības mehānismi ir raksturīgi terapeitiski izmantotā rentgenstarojuma enerģijas diapazonā, ģenerējot sekundāros elektronus, kas jonizē vides atomus. Radiācijas terapijā izmantotajām elektriski lādētajām, daļiņām, kā elektroniem, protoniem un smagajiem joniem, primāri raksturīga elektromagnētiskā mijiedarbība ar matēriju elektrostatiskā Kulona spēka (Coulomb force) dēļ. Mijiedarbojoties ar vides atomu elektronu čaulām, lādētās daļiņas zaudē enerģiju un jonizē vai ierosina atomus augstākā enerģētiskā stāvoklī. Mijiedarbojoties ar atomu kodolu, elektroni tiek palēnināti, zaudējot enerģiju un emitējot bremzēšanās starojuma fotonus, savukārt pozitīvi lādētie protoni un joni tiek izkliedēti elastīgo sadursmju dēļ. Elektromagnētiskās mijiedarbības dēļ elektriski lādētās daļiņas arī novirzās no sākotnējās trajektorijas – norisinās daudzkāršā Kulona izkliede. Protoniem un joniem ir raksturīga arī stiprā mijiedarbība ar matēriju, kodolreakcijās ģenerējot sekundāros protonus, neitronus, vieglos kodolfragmentus un ierosinātus atomu kodolus.

Galvenie parametri, lai raksturotu jonizējošā starojuma mijiedarbību ar bioloģiskām sistēmām, ir absorbētā doza, dozas jaudas un lineārās enerģijas pārnese (LEP). Absorbētā doza raksturo elektriski lādēto daļiņu videi atdotās enerģijas daudzumu uz masas vienību un tiek mērīta grejos (1 Gy = 1 J/1 kg). Dozas jauda raksturo jonizējošā starojuma piegādes ātrumu un tiek mērīta grejos sekundē (Gy/s). LEP ir parametrs, lai raksturotu enerģijas absorbcijas sadalījuma mikrostruktūru – elektromagnētiskās mijiedarbības ceļā vides absorbētās enerģijas daudzums uz rentgenstarojuma fotona vai daļiņas ceļa vienību, un LEP parasti tiek mērīta kiloelektronvoltos uz mikrometru (keV/μm). LEP tiek lietota arī, lai raksturotu radiobioloģisko efektu atkarību no jonizējošā starojuma veida.

Radiācijas terapijas klīniskā efekta pamatā ir jonizējošā starojuma mijiedarbība ar vēža šūnu dezoksiribonukleīnskābi (DNS), tādējādi apstādinot turpmāku vēža šūnu dalīšanos. Šī mijiedarbība var notikt tiešā vai netiešā veidā, – attiecīgi jonizējot šūnu DNS tiešā veidā vai jonizējot citas molekulas šūnā, kas mijiedarbojas ar šūnas DNS. Netiešā mijiedarbība ir cieši saistīta ar radiācijas ķīmijas konceptu – ūdens radiolīzi –, kas apraksta fizikālās un ķīmiskās ūdens molekulu pārvērtības, mijiedarbojoties ar jonizējošo starojumu.

Divi radiobioloģijas koncepti, kas svarīgi arī radiācijas fizikā, – relatīvā bioloģiskā efektivitāte (RBE) un skābekļa efekta faktors (SEF). RBE raksturo bioloģiskā efekta pieaugumu smago daļiņu starojumam relatīvi pret rentgenstarojumu jonizācijas blīvuma palielināšanās dēļ. Savukārt SEF raksturo attiecību starp dozām, kas nodrošina ekvivalentu bioloģisko efektu hipoksiskās un ar skābekli piesātinātās šūnās.

Bioloģiskais efekts šūnās ir atkarīgs no absorbētās dozas līmeņa. Klīniski terapeitiskais efekts vēža šūnās tiek raksturots ar audzēja kontroles varbūtību, savukārt jonizējošā starojuma izraisītie blakusefekti – ar veselo audu komplikāciju varbūtību.

Radiācijas terapijas fizikā tiek izmantotas dažādas medicīniskās attēlveidošanas metodes, dozas aprēķina metodes, dozimetrijas metodes, staru terapijas plānu sagatavošanas metodes u. c.

Mūsdienās radiācijas terapijas plānošanas procesā tiek izmantotas dažādas medicīniskās attēlveidošanas metodes, lai iegūtu informāciju par pacienta anatomiju precīziem dozas aprēķiniem. Visplašāk tiek izmantota datortomogrāfijas (DT) metode, lai iegūtu trīsdimensionālu pacienta audu elektronu blīvuma sadalījumu. Uzlabotā mīksto audu kontrasta dēļ tiek pielietota arī magnētiskās rezonanses (MR) attēlveidošana. Pacienta pozicionēšanai tiek izmantota arī divdimensionālā rentgenogrāfija, koniskā kūļa datortomogrāfija, brahiterapijā – arī ultrasonogrāfija (US).

Būtiska loma radiācijas terapijas fizikā ir arī jonizējošā starojuma dozimetrijai. Galvenie starojuma detektoru veidi, kas tiek pielietoti radiācijas terapijā, ir jonizācijas kameras, pusvadītāju diodes, radiohromiskās filmas, amorfā silīcija detektori, Frikes (Fricke) vai polimēru geli un citi. Tiek izšķirta absolūtā dozimetrija, kas nosaka absorbētās dozas vērtību konkrētā telpiskā punktā un apstarošanas apstākļos, un relatīvā dozimetrija, kas nosaka dažādus dozas sadalījuma telpiskos parametrus. Lai nodrošinātu standartizētas klīniskās dozimetrijas metodes, ir izstrādātas dažādas starptautiskās vadlīnijas. Piemēram, Starptautiskās Atomenerģijas aģentūras (International Atomic Energy Agency, IAEA) izstrādātajās vadlīnijās “Absorbētās dozas noteikšana distances staru terapijā” (Absorbed Dose Determination in External Beam Radiotherapy; TRS398) aprakstīta absorbētās dozas mērījumu metodika dažādiem jonizējošā starojuma veidiem.

Radiācijas terapijas plānošanas procesā tiek izmantotas datorizētas plānošanas sistēmas. Šajās sistēmās dozas aprēķinam galvenokārt tiek izmantotas analītiskās metodes, kā dažādi konvolūcijas un superpozīcijas algoritmi. Augstāka aprēķinu precizitāte tiek nodrošināta ar Montekarlo metodēm (Monte Carlo methods), kas mūsdienās gūst arī plašāku klīnisku pielietojumu, aprakstot statistisko jonizējošā starojuma mijiedarbības dabu.

Izstrādājot jaunas radiācijas terapijas metodes, no fizikas aspektiem tās iespējams salīdzināt, izmantojot telpiskā dozas sadalījuma parametrus un klīnisko efektu modelēšanu. Plānošanai izmantotajos DT attēlos tiek atzīmēti gan veselie orgāni, gan audzēja apjoms. Pēc dozas sadalījuma datorizētās plānošanas sistēmas spēj aprēķināt dozas-tilpuma histogrammas, kas norāda kāda tilpuma daļa orgāna vai audzēja saņem noteiktu absorbētās dozas līmeni. Salīdzinot šos parametrus ar vēsturiskos bioloģisko un klīnisko pētījumu datos balstītām vadlīnijām, iespējams noteikt veselo audu komplikāciju risku un terapeitisko efektu audzēja šūnās. Mūsdienās arvien plašāk tiek izmantotas arī metodes, lai prognozētu audzēja kontroles varbūtību un veselo audu komplikāciju varbūtību.

Jaunu radiācijas terapijas metožu pētniecībā radiācijas fizikas nozare ir cieši saistīta arī ar radiobioloģiju un klīnisko onkoloģiju. Jaunu terapijas metožu efektivitāte sākotnēji tiek pētīta bioloģisku šūnu kolonijās in vitro, kam seko pirmsklīniskie pētījumi dažādu dzīvnieku modeļos. Klīniskie pētījumi ar pacientiem orientēti uz jaunizstrādāto metožu efektivitātes salīdzinājumu ar esošajām terapijas pieejām.

Radiācijas terapijas fizikas attīstība vēsturiski ir cieši saistīta ar dažādiem atklājumiem kodolfizikā, inženiertehnisko risinājumu ienākšanu tirgū un medicīniskās attēlveidošanas tehnoloģiju attīstību. Vēsturiski šī nozare ir relatīvi jauna, primāri saistīta ar atklājumiem par rentgenstarojumu un radioaktivitāti.

Jonizējošā starojuma izmantošana terapeitiskam mērķim vēsturiski ir cieši saistīta ar 1895. gadā vācu fiziķa Vilhelma Konrāda Rentgena (Wilhelm Conrad Röntgen) atklājumu – rentgenstarojumu. Tikai pāris nedēļas pēc oficiālajām ziņām par jaunatklājumu tika uzsākti eksperimenti par rentgenstarojuma potenciālo klīnisko pielietojumu – gan radiācijas terapijā, gan diagnostikā. Ziņojumus par rentgenstarojuma pirmo terapeitisko pielietojumu (krūts vēža pacientei) sniedza elektronu lampu ražotājs Emīls Hermans Grube (Émil Herman Grubbé) sadarbībā ar ārstu Rūbenu Ladlamu (Reuben Ludlam). Pierādījumi par šo ziņojumu gan ir neviennozīmīgi, tāpēc biežāk par pirmo rentgenstarojuma pielietojumu radiācijas terapijai uzskata franču ārsta Viktora Depeņa (Victor Despeignes) veikto procedūru kuņģa vēža pacientam, kuras rezultāti tika publicēti 1896. gadā. Rentgenstarojuma potenciālais terapeitiskais pielietojums tika plaši pētīts līdz pat 20. gs. sākumam. 1898. gadā Pjērs Kirī (Pierre Curie) un Marija Kirī (Maria Curie) atklāja radioaktīvo ķīmisko elementu rādiju. Līdzīgi kā ar rentgenstarojumu arī neilgi pēc šī zinātniskā atklājuma tika sākti pētījumi par potenciālo klīnisko pielietojumu. Terapeitiski rādiju bija iespējams lietot veidos, kas nebija iespējami ar rentgenstarojumu, izmantojot dažādus aplikatorus vai pat inhalācijas.

Pirmās terapeitiskās pieejas, izmantojot rentgenstarojumu vai rādiju zemās jonizējošā starojuma enerģijas dēļ bija pielietojamas tikai veidojumiem un klīniskām slimībām uz ādas. Pirmajos radiācijas terapijas pētījumos nebija arī vairāku mūsdienu terapijas konceptu: dozas sadalījuma plānošana, audzēja ģeometriska lokalizēšana, kā arī precīza dozimetrija.

Svarīgs notikums radiācijas terapijas attīstībā bija kobalta-60 terapijas ieviešana. Zemās fotonu enerģijas (50 līdz 150 kiloelektronvolti, keV) nodrošina zemu jonizējošā starojuma caurspiešanās spēju audos – audzējiem, kas atrodas dziļāk pacienta anatomijā, nepieciešamas fotonu enerģijas megaelektronvoltu (MeV) diapazonā. Lai gan šādi fotoni ar enerģijām šajā diapazonā ir ģenerēti arī dabiski eksistējošā rādija sabrukšanas rezultātā, praktiska rādija pielietošana distances terapijai bija apgrūtināta. Līdz ar kodolreaktoru izgudrošanu Otrā pasaules kara laikā tika nodrošinātas iespējas ģenerēt “mākslīgus” radioaktīvos izotopus. Pētnieku grupa no Prinstonas Universitātes (Princeton University) 1936. gadā bija pirmā, kas atklāja radioaktīvo kobalta-60 izotopu, apstarojot dabisko kobalta-59 izotopu ar neitronu kūli. Būtisks pienesums kobalta-60 terapijas izveidē ir balstīts uz Leonarda Džordža Grimita (Leonard George Grimmett) un Harolda Elforda Džonsa (Harold Elford Johns) pētījumiem. 1949. gadā tika sākta divu kobalta-60 distances terapijas iekārtu prototipu izstrāde Kanādā, kas rezultējās pirmajā terapeitiskajā procedūrā 1951. gada 27. oktobrī. Kobalta-60 distances staru terapija ir veicinājusi strauju radiācijas terapijas un tās pētniecības attīstību, un šīs iekārtas arī mūsdienās tiek pielietotas vairākos pasaules reģionos.

Galvenais instruments mūsdienu distances staru terapijā ir lineārais elektronu paātrinātājs. Pirmie lineāro daļiņu paātrinātāju koncepti balstās uz Gustava Īsinga (Gustaf Ising) un Rolfa Vīderē (Rolf Widerøe) pētījumiem, attiecīgi 1924. un 1927. gadā. Radiācijas terapijas kontekstā Viljams Hansens (William Hansen) izgatavoja pirmo elektronu lineārā paātrinātāja prototipu. Pirmā klīniskā paātrinātāja konstrukcija tika uzsākta 1952. gadā Londonā, sākot pirmās terapeitiskās procedūras 1953. gadā. Lineārie elektronu paātrinātāji ir galvenās iekārtas, kas tiek izmantotās mūsdienu konvencionālajā radiācijas terapijā. Ģenerēto elektronu kūli iespējams tiešā veidā pielietot terapeitiski, taču visbiežāk klīniski tiek izmantoti augstas enerģijas fotoni, kas tiek ģenerēti kā bremzēšanās starojums, elektronu kūlim triecoties volframa mērķī.

Citas radiācijas terapijas metodes – daļiņu terapijas – galvenais pagrieziena punkts bija 1946. gadā fiziķa Roberta Ratbana Vilsona (Robert Rathbun Wilson) izstrādātais koncepts par protonu pielietojumu klīniskajā terapijā. Koncepts uzsvēra protonu spēju piegādāt lokalizētu jonizējošā starojuma dozu dziļi pacienta anatomijā, pasargājot veselos audus. 20. gs. 50. gados tika sākti pirmie protonu terapijas klīniskie pētījumi, savukārt smago jonu pētījumi tika sākti 20. gs. 70. gados Lorensa Bērkli Nacionālajā laboratorijā (Lawrence Berkeley National Laboratory) Amerikas Savienotajās Valstīs (ASV).

Svarīgs koncepts mūsdienu radiācijas terapijā ir precīza audzēja lokalizācija, izmantojot medicīniskās attēlveidošanas metodes. Sākotnēji audzēja lokalizācijas balstījās uz klīnisko ekspertīzi par pacienta anatomiju, taču 20. gs. 60. gados tika uzsākta divdimensionālu radiogrāfisko attēlu pielietošana, lai uzlabotu terapijas precizitāti. DT metode ļauj iegūt trīsdimensionālu pacienta anatomijas attēlojumu. Pirmais klīniskais DT izmeklējums notika 1971. gadā Londonā, savukārt 1972. gadā Alans Maklauds Kormaks (Allan MacLeod Cormack) un Godfrijs Ņūbolds Haunzfīlds (Godfrey Newbold Hounsfield) ieviesa DT konceptus, kas nepieciešami šo attēlu izmantošanai trīsdimensionālā dozas sadalījuma aprēķinam pacienta anatomijā. Līdz ar datortehnoloģiju attīstību 1994. gadā tika ieviests datorizētas trīsdimensionālās dozas sadalījuma plānošanas koncepts pacienta trīsdimensiju anatomijā – mūsdienu radiācijas terapijas pamats. Ar 1965. gadā ieviesto daudzlapiņu kolimatora konceptu fotonu starojuma kūļa modulēšanai trīsdimensionālās plānošanas iespējas pavēra iespējas trīsdimensiju konformālās radiācijas terapijas (Three-Dimensional Conformal Radiation Therapy, 3D-CRT) izveidei, maksimizējot piegādāto jonizējošā starojuma dozu audzējā.

Lai uzlabotu piegādātā dozas sadalījuma konformalitāti audzējam, minimizējot veselo audu komplikācijas, ir attīstītas vairākas modernas staru terapijas tehnoloģijas. 1997. gadā tika ieviests intensitātes modulētās staru terapijas (Intensity-Modulated Radiation Therapy, IMRT) koncepts, modulējot ne tikai staru kūļa formu, bet arī telpisko intensitātes sadalījumu. Klīniski šī metode tika ieviesta ap 2000. gadu. Šo tehnoloģiju turpināja attīstīt, radot tomoterapijas metodi 2002. gadā, kā arī 2007. gadā tika ieviesta tilpumā modulēta arkas terapija (Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT), – sinhronizētā veidā modulējot gan dozas piegādes jaudu, gan daudzlapiņu kolimatora un gentrija rotācijas kustības.

Radiācijas terapijas piegādes precizitāte tika būtiski uzlabota, attīstot ar attēliem vadītās radiācijas terapijas (Image-guided Radiation Therapy, IGRT) tehnoloģijas. Šīs tehnoloģijas nodrošina iespēju veikt pacienta pozīcijas un iekšējās anatomijas pārbaudi pirms terapeitiskās procedūras sākšanas. Integrējot rentgenspuldzes un amorfā silīcija rentgenstarojuma detektorus terapijas iekārtas konstrukcijā, tika nodrošinātas iespējas uzņemt gan divdimensionālas projekcijas, gan arī rekonstruēt trīsdimensionālu attēlu – koniskā kūļa datortomogrāfija. Precizitātes uzlabošanai tikai ieviestas arī dažādas metodes, kas nodrošina iespēju terapijas piegādi sinhronizēt ar pacienta fizioloģiskajām kustībām, piemēram, elpošanu.

Visi minētie atklājumi ir arī cieši saistīti ar dažādu matemātisko un fizikālo principu un modeļu attīstību, kā, piemēram, optimizācijas algoritmiem inversai plānošanai intensitātes modulētai staru terapijai un attēlu rekonstrukcijas algoritmiem DT attēlu iegūšanai. Būtiska attīstība radiācijas terapijas fizikā ir saistīta arī ar dozas aprēķina algoritmiem: analītisko modeļu, kā zīmuļkūļu konvolūcija un jonizējošā starojuma transporta Montekarlo metožu attīstība.

Radiācijas terapijas fizika kopš nozares pirmsākumiem ir piedzīvojusi strauju attīstību, aktīva attīstība norit arī mūsdienās. Galvenie attīstības virzieni mūsdienu radiācijas terapijas fizikā ir vērsti uz medicīniskās attēlveidošanas metožu iekļaušanu terapijas plānošanas procesā, dažādām inovatīvām pieejām, lai uzlabotu terapijas piegādes precizitāti vai bioloģisko efektu, kā arī dažādu mašīnmācīšanās (MM) un mākslīgā intelekta (MI) risinājumu ieviešanu.

DT attēlu izmantošana dozimetriskiem aprēķiniem radiācijas terapijas plānošanas procesā ir klīniski akceptētais standarts. Multimodālu medicīnisko attēlu – magnētiskās rezonanses (MR), pozitronu emisijas tomogrāfijas (PET) vai savrupfotonu emisijas datortomogrāfijas (single-photon emission computed tomography, SPECT) – pielietošana radiācijas terapijas procesā var uzlabot anatomisko reģionu identifikāciju, kā arī iekļaut audu funkcionālo informāciju terapijas plānošanas procesā. Uzlabotā mīksto audu kontrasta dēļ, MR attēlu izmantošana terapijas plānošanas procesā iegūst arvien lielāku lomu, izstrādājot arī metodes sintētisku DT attēlu ģenerēšanai dozimetriskajiem aprēķiniem. PET attēlu sniegtā vēža šūnu un veselo audu funkcionālā informācija tiek pētīta pielietojumiem uzlabot terapeitisko efektu: optimizētu dozas sadalījumu audzējā vai izvairītos no funkcionāli aktīvo veselo orgānu reģionu apstarošanas. Modernās DT tehnoloģijas – duālās enerģijas, spektrālā vai fotonu skaitīšanas DT – tiek izskatītas pielietojumiem, lai uzlabotu dozimetrisko aprēķinu precizitāti pacienta anatomijā, it īpaši daļiņu terapijā.

Būtisks attīstības virziens mūsdienās ir arī adaptīvā radiācijas terapija. Adaptīvajā radiācijas terapijā pacienta apstarošanas plāns tiek pielāgots pacienta anatomiskajām un/vai audzēja funkcionālajām izmaiņām terapijas kursa laikā. Adaptīvās radiācijas terapijas attīstības pamatā ir būtiska medicīniskās attēlveidošanas un dozas aprēķinu algoritmu pilnveidošana. Tiek pilnveidoti augstas precizitātes dozas aprēķina algoritmi un to darbības ātrums, pielietojot arī dažādas MM pieejas. Koniskā kūļa DT attēlu rekonstrukcijas algoritmu attīstība ir būtiski uzlabojuši to kvalitāti, mūsdienās nodrošinot iespēju šos attēlus pielietot arī precīziem dozas aprēķiniem. Kopš 21. gs. otrā gadu desmita klīniski ir pieejamas arī staru terapijas sistēmas ar integrētu MR attēlveidošanas sistēmu. Šīs tehnoloģiski sarežģītās sistēmas nodrošina reāllaika pacienta iekšējās anatomijas monitorēšanas iespējas, uzlabojot terapijas piegādes precizitāti un adaptīvās terapijas iespējas.

Dažādas MM un MI pieejas ir plaši pielietojamas arī radiācijas terapijas fizikā. To galvenie pielietojumi ir automātiskā veselo orgānu un audzēju apzīmēšanā medicīniskajos attēlus, dozas sadalījumu prognozēšanā, automatizētā apstarošanas plānu ģenerēšanā, multimodālu attēlu reģistrēšanā un salāgošanā, automatizētās kvalitātes kontroles pārbaudēs, staru terapijas iekārtu bojājumu un nepieciešamo apkopju prognozēšanā, kā arī terapeitiskā efekta un veselo audu komplikāciju riska prognozēšanā.

Kopš 2014. gada aktīvi pētījumi norisinās arī augstas dozas jaudas (ultra-high dose rate) terapijas jeb FLASH terapijas attīstībā. Šī radiācijas terapijas metode izmanto augstu dozas jaudu (virs 40 Gy/s), terapeitisko jonizējošā starojuma dozu piegādājot milisekunžu laikā. FLASH terapijas galvenā priekšrocība ir bioloģiskais efekts, salīdzinot ar standarta dozas jaudu, – tiek saglabāts terapeitiskais efekts audzēja šūnās, būtiski samazinot jonizējošā starojuma iedarbību veselajos audos. Šī pieeja var būtiski uzlabot radiācijas terapijas klīnisko rezultātu, neatkarīgi no izmantotā jonizējošā starojuma veida. FLASH terapija ir viens no visaktīvākajiem pētniecības virzieniem mūsdienu radiācijas terapijas fizikā, izstrādājot modeļus FLASH terapijas bioloģiskā efekta aprakstīšanai, metodes un iekārtas augstas dozas jaudas nodrošināšanai, starojuma kūļa piegādei un dozimetrijai. Mūsdienu FLASH terapijas pētniecībā un potenciālai klīniskai pārnesei nākotnē liela loma ir arī in vitro un pirmsklīniskiem pētījumiem, kā arī FLASH terapijas plānošanas algoritmiem. Cita pieeja terapijas bioloģiskā efekta uzlabošanai ir minikūļu (minibeam) terapija – arī šajā jomā notiek plaša pētniecība gan fizikā, gan bioloģijā.

Mūsdienās liela loma ir arī daļiņu terapijas pētniecībā un attīstībā, lai nodrošinātu šīs metodes precīzāku piegādi pacientam, kā arī izskatītu jaunas pieejas un iekārtas starojuma piegādei. Attīstoties lineāro daļiņu paātrinātāju tehnoloģijām, kopš 21. gs. sākuma tiek attīstīts koncepts radiācijas terapijā pielietot arī ļoti augstas enerģijas elektronu (very high-energy electron, VHEE) starojuma kūļus. Ļoti augstas enerģijas elektroni ir ar enerģiju no aptuveni 100 līdz 250 MeV, salīdzinot ar konvencionāli izmantotajiem – līdz 20 MeV. Šajā enerģijas diapazonā elektroniem piemīt augstāka caurspiešanās spēja – iespējams pielietojums audzējiem dziļi pacienta anatomijā. Ļoti augstas enerģijas elektronu fizikālo īpašību dēļ tiem piemīt vairākas priekšrocības, salīdzinot ar rentgenstarojuma terapiju, un šo metodi potenciāli iespējams pielietot arī FLASH terapijā. Minēto iemeslu dēļ norisinās aktīva pētniecība, lai attīstītu ļoti augstas enerģijas elektronu terapiju un uzsāktu pirmos pētījumu pacientu ārstēšanā 21. gs. 30. gados.

Aktuālākie rezultāti radiācijas terapijas fizikā tiek publicēti medicīnas fizikas izdevumos: Medical Physics (kopš 1974. gada, izdod Wiley), International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics (kopš 1975. gada, Elsevier), Physics in Medicine and Biology (kopš 1956. gada, IOP Publishing), Radiotherapy and Oncology (kopš 1983. gada, Elsevier), Physica Medica: European Journal of Medical Physics (iznāk kopš 1985. gada, līdz 2007. gadam izdeva Itālijas Medicīnas fizikas asociācija, Associazione Italiana di Fisica Medica, AIFM, kopš 2007. gada – Elsevier), Journal of Applied Clinical Medical Physics (kopš 2000. gada, Wiley).

Radiācijas terapijas fizikas pirmsākumi ir cieši saistīti ar vairākiem ievērojamu fiziķu atklājumiem 19. gs. beigās: V. K. Rentgena atklātais rentgenstarojums 1895. gadā, Anrī Bekerela (Henri Becquerel) atklātā dabiskā radioaktivitāte 1896. gadā, kā arī M. Kirī un P. Kirī ķīmiskā elementa rādija atklājums 1898. gadā. Būtiskus pētījumus konvencionālās rentgenstarojuma fotonu terapijas attīstībā veikuši L. Dž. Grimets un H. E. Džonss, izstrādājot kobalta-60 terapijas principus, kā arī V. Hansens, kurš izstrādāja pirmo elektronu lineārā paātrinātāja prototipu. Radiācijas terapijas apakšnozares – daļiņu terapijas – fizikālo pamatprincipu par lādētu daļiņu jonizācijas telpisko sadalījumu 1903. gadā atklāja Viljams Henrijs Bregs (William Henry Bragg). Atklāto telpā lokalizēto jonizācijas maksimumu mūsdienās dēvē par Brega pīķi (Bragg peak). Šī fizikālā fenomena potenciālo klīnisko pielietojumu izteica R. R. Vilsons 1946. gadā, izstrādājot protonu terapijas konceptu.

Pētnieki, kuru atklājumi bijuši pagrieziena punkti radiācijas terapijas fizikas attīstībā, ir arī A. M. Kormaks un G. Ņ. Haunsfīlds, kuri izstrādāja DT konceptu, un Džons Sets Loflins (John Seth Laughlin), kurš savas karjeras laikā izstrādāja daudzus dozimetrijas un radiācijas terapijas konceptus, kas tiek pielietoti arī mūsdienās.

Mūsdienīgas radiācijas terapijas fizikas principu un saistīto tehnoloģiju attīstībā minams Anderss Brāhme (Anders Brahme), kurš izstrādājis inversās plānošanas un IMRT optimizācijas algoritmus, un Rodžers Makijs (Roger Mackie), kurš attīstījis trīsdimensionālo datorizēto plānošanas sistēmu izstrādi un konvolūcijas/superpozīcijas dozas aprēķinu metodes. Mūsdienu konvencionālās rentgenstarojuma fotonu terapijas vienu no svarīgākajam tehnoloģijām – daudzlapiņu kolimatoru – izstrādājuši Kolins Dž. Ortons (Colin G. Orton) un Stīvs Vebs (Steve Webb).