Методика трехмерной конформной протонной лучевой терапии

В настоящее время в Медико-техническом комплексе ЛЯП ОИЯИ проводятся регулярные сеансы протонной терапии онкологических и некоторых других заболеваний (около 100 пациентов в год). Для облучения новообразований, расположенных вблизи жизненно важных радиочувствительных структур и органов разработана методика трехмерной конформной терапии, при которой максимум сформированного дозного распределения наиболее точно совпадает с формой мишени. При этом доза резко спадает за границами мишени, что позволяет проводить облучение ранее не доступных для лучевой терапии локализаций. В настоящей работе приводятся основные технологические этапы предлучевой подготовки и проведения облучения по разработанной методике.

Введение

Рис. 1. Распределение дозы с глубиной проникновения для различных видов излучения: 1 – нейтроны, p(660)/Be; 2 – π-мезоны 54 МэВ; 3 – протоны, 200 МэВ; 4 – нейтроны, p(66)/Be; 5 – тормозное излучение, 8 МэВ; 6 – γ-излучение, Be (60Co); 7 – электроны, 20 МэВ

Актуальность проблемы лечения онкологических заболеваний общеизвестна. Смертность от этой болезни занимает второе место в мире после сердечно-сосудистых заболеваний. Так, согласно официальной статистике [1] ежегодно в России из 1 миллиона населения заболевает раком примерно 2700 человек и этот показатель с каждым годом устойчиво растет.

Метод лучевой терапии онкологических заболеваний является одним из основных методов лечения и используется до 70 % от всех случаев как самостоятельно, так и в комбинации с хирургией и химиотерапией и показания к его применению постоянно расширяются. Адронная терапия пучками тяжелых ядерных частиц (протонов, нейтронов, ионов и др.) является наиболее эффективным и перспективным направлением радиационной онкологии, отвечающим современным запросам практического здравоохранения. Она обладает целым рядом преимуществ перед обычной лучевой терапией с использованием гамма радиации и электронов. Так, благодаря свойству тяжелых заряженных частиц создавать в конце своего пробега в веществе максимальное выделение энергии (пик Брэгга) становится возможным прецизионно формировать локализованное выделение дозы излучения в глубоко расположенной опухоли при минимальном облучении нормальных тканей, окружающих опухоль (рис. 1). Кроме того, адроны обладают свойством более эффективного биологического воздействия на обедненные кислородом клетки, что оказывается особенно важным при лечении так называемых, радиорезистентных опухолей, слабо реагирующих на облучение традиционными источниками радиации [2].

Бурный прогресс за последние десятилетия в области медицинской диагностики и компьютинга привел к созданию нового направления в радиологии — трехмерного компьютерного планирования и проведения облучения, при котором максимум формируемого дозного распределения наиболее точно соответствует форме мишени. При этом доза резко спадает за границами мишени, что позволяет проводить облучение ранее не доступных для лучевой терапии локализаций. Данная методика получила название конформной терапии [3].

В настоящей статье представлены основные этапы подготовки и проведения трех-мерной конформной протонной лучевой терапии, разработанной и проводимой в Медико-техническом комплексе ЛЯП ОИЯИ в течение последних нескольких лет.

Технические этапы предлучевой подготовки и проведения конформной протонной терапии

Рис. 3. Аксиальный срез с очерченной границей мишени облучения.

Рис. 4. Цифровая реконструированная рентгенограмма черепа пациента с проекцией мишени.

Рис. 5.

Рис. 6.

Рис. 7. Индивидуальные болюсы и коллиматоры.

Рис. 8.

В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ программа по развитию адронной терапии на пучках синхроциклотрона была начата еще в 1967 году по инициативе профессора В. П. Джелепова. На первом этапе исследований на протонном пучке было облучено 84 пациента, после чего ускоритель был остановлен для модернизации. В это же время было начато строительство многокабинного Медико-технического комплекса (МТК) [4] для проведения адронной терапии онкологических больных.

После реконструкции ускорителя ЛЯП в сильноточный фазотрон и завершения строительства МТК сеансы по лечению онкологических больных были возобновлены. С 1987 по 1996 годы были пролечены 40 пациентов, в основном по поводу рака шейки мат-ки. Затем в исследованиях наступил длительный перерыв, обусловленный рядом причин, основной из которых является общее ухудшение экономической ситуации в России. Новый виток развития настоящая работа получила в декабре 1999 года, когда в Дуб-не было открыто специализированное радиологическое отделение на 25 коек. С 2000 года в МТК проводятся регулярные сеансы по лечению больных с новообразованиями, расположенными в области головы, шеи и грудной клетки. Для первой процедурной кабины комплекса была разработана и в настоящее время применяется в сеансах терапии техника трехмерного конформного облучения глубоко залегающих опухолей протонным пучком. Общий вид этой кабины приведен на рисунке 2.

Основные методические и технологические этапы предлучевой подготовки и проведения облучения приведены ниже. К ним относятся:

• Иммобилизация области, подлежащей облучению;
  
• Проведение рентгеновского и магниторезонансного томографического исследования и введение КТ срезов в программу планирования;
  
• Трехмерное компьютерное планирование облучения;
  
• Изготовление индивидуальных устройств формирования пучка — фигурных колли-маторов и компенсирующих болюсов;
  
• Реализация и верификация плана облучения.
  
  

Как уже отмечалось, пучки тяжелых заряженных частиц благодаря наличию четко локализованного пробега и малому боковому рассеянию позволяют формировать дозные поля с малыми боковыми градиентами, что дает возможность облучать новообразования непосредственно прилегающие к критическим радиочувствительным структурам и орга-нам тела пациента. Однако чтобы в полной мере использовать эти преимущества необходимо предварительно провести тщательное планирование облучения. Для этого прежде всего нужно получить информацию о трехмерном распределении плотности тканей пациента в месте расположения мишени. Это возможно сделать с помощью рентгеновского компьютерного томографа (КТ). Основным требованием также является полное соответствие положения облучаемой области при диагностике и в каждом из последующих сеансов фракционированного облучения пациента. В случае мишеней, локализованных в области головы или шеи для их надежной фиксации при томографии и в терапевтическом кресле для каждого пациента изготавливается индивидуальная иммобилизирующая маска из перфорированного термопластика (рис. 2).

Томографические исследования проводятся на спиральном рентгеновском томографе в положении пациента лежа с фиксирующей маской. Обычно измеряется до ста срезов с шагом 2 мм. Информация в цифровом виде затем вводится в трехмерную компьютерную систему планирования облучения. Для уточнения границ распространения новообразования дополнительно проводится магниторезонансная томография, ангиография и др. При проведении протонной терапии в первой процедурной кабине МТК пациент фиксируется в специальном терапевтическом кресле в положении сидя. Поэтому если мишень расположена в области грудной клетки, то использовать томограммы, измеренные на диагностическом КТ нельзя из-за значительного несоответствия положения внутренних органов пациента при диагностике и облучении. Для решения этой проблемы был разработан и изготовлен вариант рентгеновского компьютерного томографа для топометрии, совмещенный с терапевтическим креслом [5]. Его особенность состоит в том, что рентгеновский излучатель и блок детекторов неподвижно установлены на стенах проце-дурного помещения, а пациент, зафиксированный именно в том положении, в котором он будет в дальнейшем облучаться, вращается в кресле со скоростью 1 об./мин. После завершения полного оборота, кресло с пациентом перемещается на заданную величину и измерения повторяются.

Конформная лучевая терапия невозможна без компьютерного моделирования облучения. В результате сотрудничества с первым в мире госпитальным центром протонной терапии в г. Лома-Линда, США, разработанная в этом центре трехмерная компьютерная система планирования протонного облучения «TPN» была адаптирована к оборудованию и протонным пучкам фазотрона ЛЯП ОИЯИ. После серии дозиметрических экспериментов, верифицирующих алгоритм расчета дозы, система используется в клинической практике.

Трехмерный массив топометрической информации, полученный при компьютерной томографии, в цифровом виде вводится в систему планирования облучения. На каждом аксиальном срезе врач-радиолог очерчивает границы мишени облучения и критических структур — например, ствол мозга, зрительный нерв и др. (рис. 3). Кроме того, задается ко-личество полей облучения и их направления. По этим данным система планирования ге-нерирует трехмерные модели очерченных структур.

С помощью имеющейся в программе функции «beam’s-eye-view» (вид со стороны пучка) и цифровых реконструированных рентгенограмм для каждого направления облучения определяется и очерчивается протонный пучок определенной формы в поперечном сечении (рис. 4), который при реальном облучении формируется с помощью индивидуального коллиматора из сплава Вуда.

Для придания конформности дозного распределения протонного пучка по глубине форме мишени рассчитываются и затем изготавливаются, так называемые, болюсы — замедлители сложной формы, учитывающие гетерогенную структуру тканей и органов пациента, расположенных на пути пучка (рис. 5: Использование болюсов позволяет сформировать протонный пучок конформный мишени по глубине проникновения.).

При сложении всех одиночных пучков, приходящих с разных направлений, рассчитывается суммарное пространственное дозное распределение (рис. 6). Сечения трехмерных структур облучаемой области и дозного распределения могут быть визуализированы в трех взаимоортогональных проекциях: аксиальной, сагиттальной, коронарной.

Этап подготовки к облучению заканчивается изготовлением в мастерских МТК рассчитанных программой планирования индивидуальных фигурных коллиматоров и болюсов (рис. 7), для чего были разработаны и изготовлены все необходимые технологические устройства и приспособления. Само протонное облучение проводится как правило фракционированно — ежедневно, за исключением выходных дней, в течение трех недель (т. н., ускорительный цикл). Каждый день перед началом сеанса облучения в процедурную выводится терапевтический протонный пучок и проводится тщательная его дозиметрия. Измеряются профиль пучка, его глубиннодозное распределение, мощность дозы. Затем эти параметры контролируются непосредственно во время облучения пациентов.

Для каждого направления облучения, непосредственно перед облучением, изготавливается рентгеновский снимок пациента с помощью трубки, установленной за пациентом на оси пучка. Кроме того, одновременно снимок экспонируется протонным пучком низкой интенсивности. В результате на снимке отчетливо видно положение протонного пучка относительно анатомических структур черепа (рис. 8: Верификация плана протонного облучения: слева - цифровая рентгенограмма черепа с направления облучения с проекцией мишени, критических структур и апертуры коллиматора; справа – рентгеновский снимок черепа, сделанный непосредственно перед облучением с одновременной засветкой протонным пучком низкой интенсивности. Положение пучка относительно костных структур-ориентиров и его форма точно соответствуют плану облучения.). Если это положение не совпадает с точностью 1 мм с тем, которое было рассчитано программой планирования, производится коррекция положения кресла относительно пучка. Сразу после этого проводится терапевтическое облучение протонным пучком.

Заключение

Рис. 9. Протонная радиохирургия метастаза почечно-клеточного рака в глубинных отделах левого полушария мозга.

Ранние результаты клинически и рентгенологически подтвердили, что разработанная техника трехмерного конформного протонного облучения обеспечивает точное подведение дозы к планируемому патологическому объему. На рисунке 9 представлен план протонной лучевой терапии внутримозгового радиорезистентного метастаза, а также магнитно-резонансная томография с контрастом до облучения и через 8 месяцев после него. Компьютерная томография с планом облучения – дозное распределение представлено цветовой заливкой. МРТ с контрастом во фронтальной плоскости до облучения; МРТ через 8 мес после радиохирургии – 90% уменьшение новообразования, регрессия отека, восстановление нормальной формы желудочка. Как можно видеть, наблюдается почти полный регресс новообразования.

Список литературы

1. Сборник ОНЦ РАМН. М., 1995. Т.7. С.3.
2. Эйдус Л. Х., Корыстов Ю. Н. Кислород в радиобиологии. // Москва, Энергоатомиздат, 1984.
3. Goiten M. 3D Treatment planning for heavy charged particles // Radiat. Environ. Biophys. Rev. 1992, V.31(3). P.241-5.
4. Савченко О. В. Состояние и перспективы применения новых клинических методов диагностики и лечения раковых заболеваний на основе использования имеющихся в ОИЯИ пучков частиц и ионов. Дубна: ОИЯИ, 1996.
5. Абазов В. М. и др. Простой вариант рентгеновского компьютерного томографа для получения топометрической информации. Сообщение ОИЯИ 13-87-702. Дубна, 1987.

Ссылки

1. Официальный сайт Медико-технического комплекса