Использование ионизирующих излучений в медицине 4 страница

Радикально улучшить геометрические параметры распределения дозы, увеличить повреждающий эффект облучения возможно с помощью использо-вания пучков некоторых ядерных частиц (адронов). Почти все такие частицы слабо рассеиваются в тканях перед мишенью, имеют четко определенный пробег, малое поперечное рассеяние пучка, ЛПЭ возрастает по мере проникно-вения и достигает максимума на определенной глубине, образуя пик Брэгга, благодаря чему доза в мишени может превосходить дозу на поверхности в несколько раз даже при облучении с одного направления. За пиком Брэгга доза очень быстро, на расстоянии нескольких миллиметров, уменьшается практичес-ки до нуля. Кроме того, боковые градиенты такого пучка также существенно лучше, чем у гамма-лучей. Управляя энергией, можно создавать пик Брэгга на необходимой глубине и тем самым уменьшать в 2...3 раза лучевую нагрузку на окружающие нормальные ткани, что особенно актуально при лечении опухо-лей, расположенных на различной глубине вблизи или внутри жизненно важ-ных органов. Большинство ядерных частиц (кроме нейтронов) имеют сущест-венные преимущества в геометрических факторах распределения дозы по срав-нению с традиционными (фотонное, электронное) видами излучений. Многие из них обладают также радиобиологическими преимуществами, связанными с высокими значениями ЛПЭ. В настоящее время для адронной лучевой терапии наиболее часто используются протоны, ионы углерода и нейтроны. Внешний

вид установки для адронной терапии показан на рис. 6.15.

Лечение адронными пучками на сегодняшний день осуществляется более чем в 20 лечебных центрах в мире, в том числе в России (в Институте теорети-ческой и экспериментальной физики (ИТЭФ) в Москве, в Петербургском институте ядерной физики в Гатчине (ПИЯФ), в Медико-техническом комплексе Лаборатории ядерных проблем Объединённого института ядерных иссле-дований (МТК ЛЯП ОИЯИ) в г. Дубне).

Радиобиологические исследования в г. Дубна были начаты на 6-метровом протонном синхроциклотроне, генерирующем пучки протонов с энергией до 660 МэВ (рис. 6.16). Этот ускоритель был построен в 1949 г., и уже в 50-е годы были развернуты работы, имевшие целью получение сравнительных оценок воздействия разных доз протонного и гамма-излучения на живые организмы и в итоге создание нормативов для персонала, работающего в смешанных полях ионизирующих излучений.

В декабре 1963 г. был создан Институт медико-биологических проблем (ИБМП) МЗ СССР, работавший в тесном сотрудничестве с исследователями ОИЯИ. Возможность проведения исследований на упомянутом ускорителе привлекла к работе не только сотрудников ИБМП и ОИЯИ, но и многих других академических и отраслевых институтов. Размах исследований приобрел поистине гигантскую величину: в работу включились ученые зарубежных стран, особенно в связи с принятием программы «Интеркосмос». Вместе с протонным ускорителем на 660 МэВ был задействован уникальный (на тот момент) ускоритель тяжелых ионов У-300, позволявший создавать потоки ядер углерода и железа (именно они дают наибольший вклад в интегральный поток галактиче
ского космического излучения) (рис. 6.17).

В 1967 г. начались работы по созданию первого в СССР (а во многих отношениях — и в мире) специализированного медицинского кабинета для лечения онкологических больных различными пучками излучения (от гамма-лучей и π-мезонов до тяжелых ионов) в содружестве ОИЯИ и Всесоюзного Онкологического Научного центра (ВОНЦ) АМН СССР (рис.6.18)

Уже в конце 60-х годов началось систематическое лечение онкологических больных на базе этого кабинета, работающего до сих пор. В Дубне в настоящее время пролечивается на ускорителе протонов с энергией 660 МэВ около 100 пациентов в год (рис. 6.19).

Перед началом сеанса облучения в процедурную выводится терапевтический протонный пучок и проводится тщательная его дозиметрия. Измеряются профиль пучка, его глубинно-дозовое 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 рентгеновской трубки, установленной за пациентом на оси пучка, и цифрового рентгеновского экрана.

Кроме того, одновременно снимок экспонируется протонным пучком низкой интенсивности. В результате на снимке отчетливо видно положение протонного пучка относительно анатомических структур черепа. 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.

Результаты длительных наблюдений подтверждают высокую эффективность применяемых технологий лечения (рис. 6.20).

В последние годы в Лаборатории ядерных проблем был совершен прорыв на современный уровень протонной терапии. Была разработана и успешно применяется методика трехмерной конформной протонной лучевой терапии и радиохирургии на базе компьютерной и магнитно-резонансной томографии и трехмерного планирования облучения. В качестве базового варианта в Лабо-ратории ядерных проблем ОИЯИ разрабатывается Центр протонной терапии на основе циклотрона с пропускной способностью 1000 пациентов в год. В настоя-щее время совместно с бельгийской фирмой IBA ведутся работы по изготовле-нию протонного циклотрона на энергию 235 МэВ, который может стать осно-вой при тиражировании центров протонной терапии в России (рис. 6.21).

 

В качестве примера современных применений лучевой терапии за рубежом

можно привести работу отделения лучевой терапии клинического центра г. Аугсбург (Германия). Лучевая терапия применяется в этой клинике как для лечения раковых заболеваний, так и в противоболевой терапии и в паллиативной[2] медицине. Особенностью используемых установок является возможность получения на них трёхмерного изображения облучаемой зоны благодаря наличию встроенного в каждый агрегат компьютерного томографа.

Перед началом облучения томограф, вращаясь вокруг пациента, лежащего на столе, уточняет локализацию патологии в теле пациента. Полученная информация обрабатывается и выводится на дисплей в виде двух трёхмерных изображений: в красных линиях дается изображение, показывающее правильное положение пациента, необходимое для прицельного облучения, а в зелёных — отражающее фактическое положение, т.е. положение с возможными отклонением от оптимального. По соответствующему управляющему сигналу стол-манипулятор автоматически перемещается с миллиметровой точностью в положение, при котором красный и зелёный контуры изображений совмещаются. Этим достигается реализация максимальной селективности облучения. Достижение этой цели сопряжено с большими сложностями, т.к. патология имеет неправильную, далеко не шарообразную, форму, которая к тому же меняется в процессе лечения. Но применение информационных технологий позволяет успешно решить эту проблему. Для каждого пациента разрабатывается несколько индивидуальных виртуальных альтернативных планов облучения и с помощью компьютера определяется наиболее оптимальный вариант. Кроме того, в процессе планирования устанавливается индивидуальная доза облучения. Например, при наличии опухоли гортани и появлении метастаз в близлежащих лимфоузлах возникает необходимость облучения всей зоны шеи в целом, но с разной интенсивностью по участкам: для первичного очага — выше, для лимфоузлов — ниже. Аналогичные требования неравномерности дозы в пространстве возникают и во всех других случаях. В установках, работающих в клинике, все это возможно благодаря предусмотренным конструкцией свинцовым пластинчатым заслонкам в излучающей головке, перемещаемым дискретно с особо высокой точностью. Аппарат предоставляет также возможность направлять неравномерно дозированное облучение в разные точки с расстоянием между ними не более нескольких миллиметров. Из-за повышения пространственной селективности облучения появляется возможность повысить дозу облучения самой патологии, что повышает шансы успешного лечения. На этапе разработки плана облучения присутствие пациента в клинике не требуется, достаточным является только получение к началу разработки компьютерной томограммы больного в положении, которое он должен будет принять при последующем облучении. Эту информация обрабатывается вплоть до разбивки всей плановой дозы облучения на хорошо переносимые пациентом сеансовые дозы (т.н. фракционирование). Проведение сеанса облучения пациентки с новообразованием молочной железы показано на рис. 6.22.

Показанная на рис. 6.22 современная установка типа INRTABIM для лучевой терапии может применяться непосредственно в процессе операции, в частности при раке молочной железы. Известно, что современные методики таких операций обеспечивают сохранение груди, но требуют в дальнейшем в течение 6 недель постоперационного курса лучевой терапии. Установка INRTABIM позволяет существенно сократить время этого курса. Для этого используется контактная лучевая терапия, осуществимая в рамках возможностей данной установки. В ходе операции, сразу же после удаления опухоли, на находящееся в поле зрения так называемое «ложе опухоли» накладывается специальный аппликатор. С помощью аппликатора производится облучение «изнутри» окружающих зону вмешательства тканей с целью предотвращения рецидива. Облучение производится в течение 15...20 минут биологически обоснованной дозой и минимально затрагивает зону здоровых тканей. Поскольку время операции из-за дополнительного процесса облучения удлиняется приблизительно на полчаса, необходима корректировка параметров анестезии. Зато постоперационный курс лучевой терапии оказывается излишним. Внедрение описанной методики позволило существенно улучшить результаты лечения в течение 2008 г. у более, чем 200 пациенток.

Если рак молочной железы — это типично «женское» заболевание, то не менее интересно в качестве примера рассмотреть лечение с помощью лучевой терапии «типично мужского» заболевания, а именно, рака предстательной железы. Предстательная железа, или простата, — это небольшая, мягкая по консистенции железá, сопоставимая по размерам с грецким орехом и располо-женная под мочевым пузырем (рис. 6.23). Через простату проходит уретра — полая трубка, выводящая наружу мочу и сперму. После того, как почки отфильтровывают продукты жизнедеятельности из крови, образовавшаяся моча скапливается в мочевом пузыре. В норме мышечные ткани, расположенные в основании мочевого пузыря, остаются напряженными и расслабляются только во время мочеиспускания.

В случае развития злокачественного перерождения простаты врач обычно выбирает метод лечения, который может представлять собой либо оперативное вмешательство с удалением простаты (как правило, вместе с семенными пузы-рьками, поскольку они первыми поражаются метастазами при развитии заболе-вания), либо терапевтическое лечение с применением всех возможностей луче-вой терапии. Поскольку радикальная простатэктомия неминуемо связана с послеоперационными осложнениями, такими, как нарушение нормального мочеиспускания, затруднение в работе прямой кишки, причиняющие больному огромный дискомфорт, не говоря уже о том, что удаление простаты вместе с семенными пузырьками означает полную стерилизацию мужчины, врач старается использовать лучевую терапию, осложнения которой все-таки не носят такого «сурового» характера.

Целью лучевой терапии является уничтожение новообразования непо-средственно в месте его локализации без хирургического вмешательства. Самым распространенным методом данного вида лечения является дистанционная лучевая терапия. Онкологи-радиологи и техники, используя компьютерную рентгеновскую томографию и магнитно-резонансную (ЯМР — ядерный магнитный резонанс) томографию, вычисляют участки локализации опухоли, на которые в дальнейшем будет нацелено ИИ. При использовании 3 D -радиотерапии для картирования расположения и дальнейшего облучения опухоли применятся специальное программное обеспечение, так, чтобы наивысшие дозы облучения доставлялись бы в ткани опухоли наиболее точно в пределах простаты. Таким образом, основу эффективности терапии составляет точное прицеливание. Однако этим не исчерпывается совершенствование методики. Не менее важным фактором эффективности является точное дозирование, основанное на модуляции интенсивности облучения в соответствии с предварительным планированием. Как следует из анатомии (см. рис. 6.23), простата расположена вблизи двух важных образований: прямой кишки и мочевого пузыря. Радиационное повреждение каждого из них может привести к проблемам с мочеиспусканием и кишечником, которые, как показывают исследования, со временем только усугубляются (ситуация напоминает осложнения при радикальной простатэктомии). Чтобы избежать подобных проблем, радиологи должны балансировать в подборе доз радиации таким образом, чтобы шансы на излечение оставались высокими, а побочный эффект был минимален. Именно пространственная модуляция интенсивности пучка позволяет добиваться желаемой селективности облучения с минимизацией осложнений и сохранением высокой эффективности лечения. Курс лечения составляет 5 дней в неделю в течение приблизительно 7...8 недель и обычно выполняется амбулаторно (рис. 6.24).

Возможна и контактная лучевая терапия, которая выполняется путем имплантации радиоактивных зерен в простату. Так же, как и при дистанционной 3 D -радиационной терапии, тщательно составляется подробный план, своеобразная карта простаты, согласно которой радиоактивные зерна вводятся в ткань простаты. Период полураспада радиоактивного изотопа, вводимого в ткань простаты, подбирается так, чтобы в течение активного периода лечения (несколько месяцев) радиоактивные зерна воздействовали на прилежащие ткани, убивая таким образом раковые клетки. К концу срока радиоактивный материал распадается, и оставшиеся зерна становятся безвредными. В сравнении с дистанционной лучевой терапией, контактный метод применяется пока не так широко, но постепенно начинает обретать популярность, прежде всего, из-за отсутствия необходимости регулярно посещать лечебное заведение. Разновидностью контактной терапии является интенсивная брахитерапия, при которой преследуется цель увеличения дозы облучения. При интенсивной брахитерапии в простату вводятся специальные тонкие полые трубки, в которых содержится радиоактивный иридий. Трубки не рассчитаны на постоянное нахождение в организме, и через 2...3 дня они удаляются. Эта процедура также выполняется амбулаторно и обычно сочетается с укороченным курсом дистанционной лучевой терапии.

Из приведенных примеров с очевидностью следует, что решающую роль в достижении успеха при лучевой терапии играет совершенство оборудования. Это, прежде всего, гамма-терапевтические аппараты для дистанционной и контактной лучевой терапии и линейные ускорители нового поколения. Отставание нашей страны в этом важном для практического здравоохранения разделе радиологии очевидно. Оно усугубляется явно недостаточным числом и качеством вспомогательного оборудования для лучевой терапии. Чтобы приблизить уровень хотя бы к средним мировым стандартам, кроме набора высококачественных облучателей и минимальной топометрической, планирующей и дозиметрической техники, профильное подразделение должно быть снабжено рентгеновским компьютерным томографом, системой трехмерного планирования, анализатором дозового поля, системой изготовления индивидуальных блоков для формирования полей облучения, комплектом оборудования для иммобилизации пациента и, желательно, дополнительным оборудованием и средствами для модификации чувствительности опухоли к лучевой терапии (гипертермия, гипоксия, лазерные установки и др.). Подобным образом оснащены лишь 5% учреждений здравоохранения страны. Но перечисленный набор оборудования соответствует второму, или среднему общепризнанному уровню гарантии качества и адекватности лечения. Это, как и в случае радиоизотопной диагностики, недопустимо мало для такой страны, как Россия.

Более современный вариант оснащения предусматривает наличие в учреж-дениях современного оборудования последнего поколения (рентгеновский компьютерный томограф-симулятор, магнитно-резонансный томограф, много-канальная дозиметрическая система, многолепестковый коллиматор, модуляция интенсивности пучка, система трехмерного планирования лучевой терапии, оборудование для иммобилизации пациентов и изготовления индивидуальных блоков, система компьютерного обеспечения). Такой вариант оснащения соответствует третьему, или высокому уровню гарантии качества облучения. Сегодня он в полной мере не реализован ни в одном медицинском учреждении России. В подавляющем большинстве наших клиник, где проводится лучевая терапия, оснащение находится на самом низком (нулевом и первом) уровне. Выводы отсюда следуют самые неутешительные, особенно в свете того, что ядерная медицина как таковая зародилась именно у нас (см. §6.4).

 

6.6 Аппаратура для лучевой хирургии (радиохирургии)

По аналогии с лучевой терапией следовало бы использовать термин луче-вая хирургия, однако более частое употребление получил термин радиохирургия или стереотаксическая радиохирургия. Под таковой подразумевается медицинская процедура, состоящая в однократном облучении высокой дозой ИИ доброкачественных и злокачественных опухолей и других патологических очагов при прецизионной фиксации объекта облучения относительно пучка излучения с целью их уничтожения или приостановки их функционирования.

Термин «радиохирургия» подразумевает, что ИИ высокой мощности собирается в узкий пучок и используется в качестве средства деструкции био-логических тканей. Метод искусственной имплантации радионуклидных частиц в толщу тканей для лечения опухолевых образований никаких ассоциаций с радиохирургией в современной научной литературе не имеет. В первую очередь радиохирургия используется для лечения заболеваний головного мозга, в силу возможности осуществления жёсткой фиксации головы, что обеспечивает высокую пространственную точность, а также позвоночника.

В ряде случаев радиохирургия является, с одной стороны, альтернативой для традиционной хирургии, позволяя проводить лечение без хирургических манипуляций, таких, как трепанация черепа и т.п. и связанных с ними рисков. С другой стороны, в большинстве случаев эффект от радиохирургии отсрочен (для доброкачественных опухолей на полгода-год и более, для метастазов на 1...3 месяца и более), вследствие чего для пациентов с острыми симптомами в ряде случаев оказывается предпочтительней традиционная хирургия.

Одноразовое подведение высокой дозы накладывает ограничения на размер очага (от 3,0 до 3,5 см для опухолей головного мозга), так как с ростом размера очага возрастает и дозовая нагрузка на прилегающие здоровые ткани, а следовательно возрастает риск постлучевых осложнений. В таком случае альтернативой радиохирургии (кроме хирургии) является также лучевая терапия, в которой за счёт фракционирования — подведения дозы за несколько сеансов — снижается риск подобных повреждений. При этом, в отличие от радиохирургии, значение имеет не только различие в радиочувствительности об-лучаемого очага и прилежа-щих тканей, но также и раз-личие в скорости их восста-новления. С другой стороны, фракционирование требует многократной укладки пациента, что значительно снижает точность лучевой терапии по сравнению с радиохирургией. Кроме того, кривая зависимости доли погибших клеток от дозы за фракцию имеет максимум в предельном случае первой фракции, то есть фактически соответствует случаю радиохирургии, что является дополнительным преимуществом радиохирургии по сравнению с лучевой терапией.

Основными радиохирургическими установками в данный момент являются гамма-нож и кибер-нож. Гамма-нож — установка для стереотаксической радиохирургии патологий головного мозга (рис. 6.25). Источниками ионизи-рующего излучения в гамма-ноже являются 201 источник ⁶⁰Co. Источники фиксированно расположены в защитном кожухе по диаметру полусферы. Дозовое распределение, порождаемое источниками, близко к сферическому. Для данной методики получило распространение понятие изодозы, или, что то же самое, изодозовой поверхности, соединяющей точки облученного биообъекта, в которых поглощены одинаковые дозы ИИ. Это понятие применимо и для лучевой терапии, однако оно более актуально именно для лучевой хирургии, где используется много источников излучения, направленных в одну небольшую область (в идеале — в одну точку). Диаметр изодозовой сферы определяется вторичным сменным коллимационным шлемом из вольфрама.

В начале лечения на голове пациента под мест-ной анестезией специаль-ными шипами фиксиру-ется стереотаксическая рама (рис. 6.26). Стерео-таксис является классичес-ким малоинвазивным методом хирургического вмеша тельства, когда дос-туп осуществляется к целевой точке внутри тела или толщи тканей какого-либо органа с использованием пространственной схемы по заранее рассчитанным координатам по трехмерной декартовой системе координат. Далее проводятся диагностические исследования (МРТ, РКТ, в случае сосудистых патологий ангиография; в редких центрах — ПЭТ), с использованием локалайзеров, надеваемых на стереотаксическую раму, и обеспечивающих привязку томографических координат к координатам рамы. На основе полученных изображений с помощью компьютерной системы планирования облучения создаётся план лечения, который передаётся на пульт управления установкой. Планирование осуществляется путём выбора числа изоцентров, их положения, веса (относительного времени облучения в каждом изоцентре), угла наклона головы, исключаемых направлений пучков. При этом учитывается расположение и форма опухоли (или опухолей), прилежащих здоровых тканей, критических органов, а также общая дозовая нагрузка на голову пациента. Пациент укладывается на кушетку, его голова фиксируется в системе позиционирования, таким образом, чтобы выбранная мишень совпадала с изоцентром аппарата. В зависимости от модели аппарата или конкретных особенностей пациента используется автоматическая или ручная система позиционирования. Проводится проверка положения изоцентров и их достижимости, после чего персонал покидает помещение, кушетка задвигается внутрь аппарата, где и происходит облучение. В процессе облучения с пациентом поддерживается двусторонняя аудио- и односторонняя видеосвязь. Сам процесс лечения абсолютно безболезненный. Время процедуры составляет от 10 минут до нескольких часов, в зависимости от типа патологии, числа опухолей, их размера и расположения.

Гамма-нож считается «золотым стандартом» в радиохирургии и соответст-венно на него распространяются как все её ограничения — малые размеры патологического очага, отсроченность результата и др., так и её преимущества — одномоментность (по сравнению с лучевой терапией), отcутствие хирурги-ческих рисков. По сравнению с радиохирургией с использованием линейных ускорителей (см. ниже) гамма-нож имеет несколько бόльшую пространст-венную точность (порядка 0,5 мм), меньшую равномерность дозы внутри мишени (наиболее распространено облучение 50 % изодозой, тогда как на линейных ускорителях используются изодозы 80...90 %). Кроме того, линейные ускорители (в отличие от гамма-ножа) позволяют лечить, кроме головного мозга, также и патологии позвоночника (правда, последняя модель гамма-ножа — Perfection — позволяет лечить также и верхние отделы шеи).

Кибер-нож (CyberKnife) — прецизионная радиохирургическая система, используемая для лечения злокачественных и доброкачественных опухолей по всему телу с субмиллиметровой точностью. Изобретена профессором Стенфор-дского Университета Нейрохирургии и Радиационной Онкологии Джоном Р. Адлером. Система CyberKnife изготавливается и продается компанией Accuray. Общий вид установки «кибер-нож» компании Accuray показан на рис. 6.27.

Перечислим основные компоненты установки «кибер-нож».

· Компактный линейный ускоритель рентгеновского диапазона. Его габариты и вес существенно меньше по сравнению со стандартными медицинскими линейными ускорителями, которые обычно используются в радиотерапии. Благодаря компактности и малому весу ускоритель может устанавливаться непосредственно на роботе-манипуляторе.

· Робот-манипулятор. Рука манипулятора обладает шестью степенями свободы и обеспечивает перемещение и наведение линейного ускорителя с высокой точностью и повторяемостью с любого направления. Благодаря этому достигается разнообразие траекторий и точек входа и выхода лучей, что минимизирует риск лучевого поражения здоровых клеток рядом с опухолью. Малое время отклика руки манипулятора позволяет сопровождать в реальном времени перемещение опухоли, связанное с дыханием.