Оптимизация топометрического этапа планирования лучевой терапии новообразований головного мозга

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ.

Анализ заболеваемости населения России злокачественными новообразованиями головного мозга и других отделов нервной системы показывает, что прирост заболеваемости в период с 1999 по 2002 год колеблется в пределах от 36 до 40,4% в год, а по среднегодовому темпу прироста с 1990 по 1999 год эта группа заболеваний занимает 4-е место, уступая лишь новообразованиям щитовидной железы, почек и меланоме кожи (Чиссов В .И., Старинский В. В., 2000; Чиссов В. И., Старинский В. В., 2002; Чиссов В. И. с соавт., 2003; Чиссов В. И. с соавт., 2004). О неуклонном росте заболеваемости первичными опухолями головного мозга свидетельствуют и публикации зарубежных авторов, например, по данным S. Preston-Martin (1996), за 40-летний период исследований населения США она выросла более чем в 3 раза.

Остроту ситуации усугубляет тот факт, что средний возраст больных опухолями головного мозга составляет 49,5 лет, причем до 75−80% пациентов этой группы находятся в трудоспособном возрасте, то есть речь идет о высокой инвалидизации пациентов в активном периоде жизни и социальной дезадаптации при выраженной неврологической симптоматике (Савченко А.Ю., 1995; Трапезников Н. Н., Аксель Е. М., 2001; Важенин А. В., 2003; Никифоров Б. М., Мацко Д. Е., 2003).

Все это вкупе с высокой летальностью заставляет искать новые подходы к лечению опухолей головного мозга, в том числе комбинированных схем лечения, компонентом которого является лучевое воздействие на опухолевый очаг.

Для обеспечения оптимального лучевого воздействия на опухолевый очаг при максимально возможной защите близлежащих здоровых тканей необходима высокоточная топометрия с последующим расчетом на основе полученных топографо — анатомических данных поглощенных доз в очаге и путях метастазирования, а также в близлежащих тканях и критических органах (Бальтер A.C., 1986). Голова является одним из наиболее сложных объектов топометрического планирования (Бальтер A.C., 1986; Астапов Б. М. с соавт., 1989; Bettag М. et al., 1990).

Во-первых, иммобилизация ее должна быть особенно надежной, что обусловлено следующими факторами: сложный суставно-связочный аппарат шейно-затылочного перехода обеспечивает движения головой практически во всех плоскостях (Синельников Р.Д., 1989; Привес М. Г., 2002), шаровидная форма головы делает ее положение на любой плоскости неустойчивым (Сперанский B.C., Зайченко А. И., 1980), а дополнительные движения головой могут быть обусловлены неврологической симптоматикой у пациента (Зедгенидзе Г. А., 1984; Калиниченко М. А., 1986; Практ. рук-во ВОЗ, пер-д Щербенко О. И., 2000).

Во-вторых, в подавляющем большинстве новообразования головного мозга рентгенонегативны и, следовательно, недоступны для визуализации самыми распространенными методами исследования — рентгенологическими (Линденбратен Л.Д., Королюк И. П., 1993; Никифоров Б. М., 2003; Важенин A.B., Ростовцев М. В., 2004).

В-третьих, сложный рельеф поверхности головы приводит к трудностям построения контура среза (Бальтер С.А., 1986).

В-четвертых, к точности топометрических данных предъявляют высокие требования, так как в головном мозге находятся жизненно-важные анатомические образования, а кроме того, ряд структур головы обладает низкой толерантностью к лучевому воздействию (Бадмаев К.Н., Смирнов Р. В., 1982).

Один из наиболее распространенных способов топометриирентгенометрия с использованием масштабных сеток — обладает рядом недостатков. К ним относятся неточность получаемых данныхнеобходимость пользоваться в расчетах поправочными коэффициентаминедостаточная визуализация мягкотканого компонента патологического очага. Кроме того, этап наружного проецирования полей облучения, размеченных по рентгенограммам, на кожу головы пациента осуществляется по костным выступам, расположенным подкожно и определяемым пальпаторно. Их нахождение, таким образом, субъективно и таит в себе опасность искажения проекций полей облучения на кожу головы пациента, особенно если принять во внимание ее неправильно-шаровидную форму и сложный рельеф поверхности (Сперанский B.C., Зайченко А. И., 1980).

По данным С. А. Бальтера (1986) точность данной методики для рентгенопозитивных новообразований составляет ± 5 мм. При использовании в качестве источника ионизирующего излучения 60Со при размере поля 7×7 см и расположении облучаемого объекта на глубине 5 см ошибка в определении местоположения объекта вдоль оси пучка на 10 мм приводит к ошибке в расчете дозы на 5%, а в перпендикулярном пучку направленииуже на 10% (Кузнецов Э.А., 1972). При использовании излучения протонов с энергией 185 МэВ и облучении с поля того же размера подобные неточности в местоположении облучаемого объекта могут привести к удельной ошибке в расчете дозы уже до 40% на каждый сантиметр ткани.

Таким образом, для подведения к патологическому очагу максимума энергии, необходимо с точностью до 1 — 1,5 мм рассчитывать его геометрические параметры облучения (Бальтер С.А., 1986). Кроме того, очень важно владеть информацией о протяженности и плотности тканей, расположенных на пути квантов. Следовательно, предлучевая топометрия по разметочным рентгенограммам черепа далеко не в полном объеме соответствует современным требованиям к точности и информативности топометрических данных. В настоящее время для этих целей используют компьютерную рентгеновскую томографию.

Об использовании компьютерной томографии для расчетов геометрических параметров облучения и построения топографо — анатомических срезов известно более 20 лет. Но в работах А. Г. Приходько (1991), О. И. Щербенко (2001), компьютерной томографии отводится роль уточнения зоны интереса путем очерчивания ее на одном или нескольких компьютерно-томографических сканах с нанесенными масштабными координатными линейками. Перед началом исследования с учетом диагностических компьютерных томограмм на голову больного выставляется рентгеноконтрастная метка, приблизительно соответствующая проекции середины зоны интереса на кожу пациента. Такая методика позволяет получать абсолютные размеры опухолевого очага, зоны интереса, любых анатомических структур для построения топографо — анатомических срезов, получить информацию о плотностях тканей, но не учитывает того обстоятельства, что точка проекции рентгеноконтрастной метки на кожу больного является единственным ориентиром для переноса полей облучения с топографо-анатомического среза на кожу реального больного. И если точность топометрических данных достаточно высока, то этап проецирования полей облучения на кожу больного продолжает оставаться слабым местом предлучевой подготовки пациентов по такой методике.

Дело в том, что изучаемый объект, получаемое изображение объекта и накожная проекция поля облучения объекта должны быть пространственно «привязаны» друг к другу (Рудерман А.И. с соавт., 1977; Crosu A.Z. et al., Albrecht С., 1997; Потапов О. Г. с соавт., 2003; Кленов Г. И., Хорошков B.C., 2005), а для этого диагностическое исследование, топометрические расчеты и накожное проецирование полей облучения должны осуществляться в строго единой системе координат.

Одна из аксиом стереометрии гласит, что через любые три точки, не лежащие на одной прямой, проходит плоскость, и притом только одна, и для однозначного определения пространственного положения плоскости необходимо три точки (Атанасян JI.C. с соавт., 2003). В применяемых методиках используют всего одну такую опорную точку, а через нее можно провести сколь угодное число плоскостей. Такое отсутствие четкой пространственной «привязки» объекта к его изображению приводит не только к ошибкам проецирования полей облучения на кожу головы пациента, но и лишает возможности точной воспроизводимости укладки пациентов от сеанса к сеансу при последующем лучевом лечении. Частота ошибок во время укладок, по данным К. Н. Бадмаева, Р. В. Смирнова (1982) достигает 27%, в то время как идентичность укладки является одним из основополагающих принципов клинической топометрии и лучевой терапии (Наркевич Б.Я., Бриккер И. Н., 2001). Для образований, локализованных в области головы, соблюдение этого принципа особенно актуально, так как благодаря возможности движения головой практически во всех плоскостях и шаровидной форме черепа угол наклона головы больного может меняться при каждой укладке (Зедгенидзе Г. А., 1984; Калиниченко М. А., 1986; Практ. рук-во ВОЗ, пер-д Щербенко О. И., 2000; Сахаровская В. Г. с соавт., 2004; Gibleau Z., Octave-Prignot М., 2001).

Данную проблему, казалось бы, можно обойти путем использования специальных фиксирующих устройств (Подоплекин М.В., 1986; Киселева Е. С., 1995; Костылев В. А. с соавт., 1998; Практ. рук-во ВОЗ, пер-д Щербенко О. И., 2000; Ворогушин М. Ф. с соавт., 2001; Сахаровская В. Г. с соавт., 2004; Gibleau Z., Octave-Prignot М., 2001;), хотя единого рекомендованного способа фиксации головы пока не отработано. Но широкое применение таких устройств в клиниках ограничено из-за высокой стоимости (Практ. рук-во ВОЗ, пер-д Щербенко О. И., 2000), а имеюпщеся отечественные комплексы оборудования для иммобилизации пациентов требуют дальнейшей существенной доработки, в том числе в плане повышения комфортности и жесткости фиксации (Костылев В.А. с соавт., 2005). Кроме того, по сообщению C.L. Hanna et al. (1999), ошибки в позиционировании поля при облучении области головы и шеи даже с использованием стандартных фиксирующих приспособлений составляют в среднем от 4 до 7 мм.

Существует технология разметки полей облучения новообразований на рентгеновском симуляторе (Киселева Е.С., 1996; Практ. рук-во ВОЗ, пер-д Щербенко О. И., 2000). Установленная в аппарате система лазерных и оптических центраторов позволяет точно определять световые проекции зоны облучения на кожу больного. Но основным и существенным недостатком данной технологии для использования при опухолях головного мозга является невозможность прямой рентгеновской визуализации подавляющего большинства из них (Линденбратен Л. Д., Королюк И. П., 1993; Никифоров Б. М., 2003; Важенин A.B., Ростовцев М. В., 2004).

Таким образом, при топометрии опухолей головного мозга с помощью описанных технологий обнажается существенная проблема точности моделирования полей облучения и определенные противоречия аппаратного обеспечения. С одной стороны, это точная, высокоинформативная визуализация облучаемой мишени на компьютерных томограммах, сопровождающаяся, однако, затруднениями при определении параметров входных полей, с другой стороны — большие возможности симулятора в проецировании последних, но сочетание их с отсутствием прямой рентгеновской визуализации самой опухоли.

Все вышесказанное позволило нам считать данную проблему актуальной, признать целесообразность ее изучения и послужило основанием для настоящего исследования.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Целью настоящей работы является оптимизация топометрического этапа планирования лучевой терапии новообразований головного мозга.

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1. Изучить влияние вынужденной или комфортной укладки головы на количество ее смещений у пациентов с опухолью головного мозга и пациентов с новообразованиями внемозговой локализации.

2. Выяснить, какие движения в области шейно-затылочного перехода встречаются в группах чаще всего, и установить, как влияет самостоятельно выбранный пациентом объем наиболее часто встречающихся движений на количество и виды смещений головы.

3. На основе выявленных закономерностей обосновать и разработать способ топометрии новообразований головного мозга, отвечающий всем современным требованиям, а именно комфортности, точности, индивидуальности, воспроизводимости, минимальной обременительности для больного и персонала.

4. Провести анализ эффективности разработанного способа по результатам модельного экспериментального исследования.

5. Разработать способ точного наружного моделирования входных полей облучения и провести оценку эффективности способа по результатам модельного эксперимента.

НОВИЗНА ИССЛЕДОВАНИЯ.

Впервые изучено влияние комфортности исходного положения головы пациента на частоту и направление ее смещения у больных с опухолями головного мозга и у пациентов с новообразованиями внемозговой локализации. На основании полученных данных и с учетом основных принципов топометрического планирования разработан и предложен новый, эффективный способ предлучевой топометрии образований головы, позволяющий легко воспроизводить укладку пациента при нахождении его в комфортном положении. Новизна исследования подтверждена патентом РФ на изобретение № 2 228 139 от 10.05.2004 г. и удостоверениями на рационализаторские предложения № 185 и № 186, принятыми Челябинской государственной медицинской академией 26.03.2002 г.

Разработанный способ моделирования топометрических параметров клинического облучения головного мозга позволяет определять кожные проекции входных полей облучения автоматически с достаточной точностью, несмотря на невозможность визуализации патологического очага традиционнымрентгенологическим методома также исключает погрешности субъективного характера. Новизна подтверждена удостоверениями на: рационализаторские предложения № 231 и № 241, принятыми Челябинской государственной медицинскойакадемией 12.10.2005 г. и 09:02.2006 г. соответственно.

На сконструированное нами устройство для оценки эффективности разработанных способов топометрии — топометрический’фантом — получена приоритетная справка на полезную модель № 2 006 107 958 от 13.03.2006 г.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ.

Использование в клинике разработанных способов, предлучевой топометрии образований головы и моделирования топометрических параметров клинического облучения головного мозга позволяет добиться ряда положительных эффектов, а именно: воспроизводимости укладки пациентов во время выполнения топометрии и каждого сеанса лучевой терапиикомфортного положения головы пациента, выбираемого им самостоятельноупрощения процедуры топометрии для медперсонала в плане контроля за: укладками и для пациентов в плане контроля за сохранностью метокоднозначного пространственного определения любого образования области головы, так как расчет геометрических параметров полей облученияпроецирование входных полей облучения на кожу головы пациента осуществляется строго в одной и той же трехмерной системе координат, индивидуальной для каждого больногоисключения ошибок при поиске кожных проекций зоны облучения вручную благодаря его автоматизации. Кроме того, отпала необходимость отклонять сканирующую систему гантри компьютерного томографа от базового положения;

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ И ПУБЛИКАЦИИ.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на заседаниях Челябинской областной ассоциации лучевых диагностов и лучевых терапевтов (апрель 2002 г., ноябрь 2003 г.), совместном заседании кафедры лучевой диагностики и лучевой терапии Челябинской государственной медицинской академии и кафедры онкологии и радиологии Уральской государственной академии дополнительного образования (январь.

2003 г.), на конференции молодых онкологов Уральского федерального округа (март, 2003 г.), на конференции по комплексной лучевой диагностике социально значимых заболеваний (ноябрь 2003), на заседании Челябинской областной ассоциации лучевых диагностов и лучевых терапевтов (апрель.

2004 г.), на V съезде онкологов СНГ в г. Минске республики Беларусь (май 2004 г.), на областном конкурсе «Инновация-2004», учрежденном Министерством экономики Челябинской области и Южно-Уральской торгово-промышленной палатой (ноябрь 2004 г.), на XVIII конференции онкологов в г. Екатеринбурге, посвященной 75-летию онкологической службы Свердловской области (май 2005 г.), совместном заседания кафедры лучевой диагностики и лучевой терапии и кафедры онкологии Челябинской государственной медицинской академиикафедры онкологии и радиологии Уральской государственной академии дополнительного образования (март 2006).

По материалам диссертации опубликовано: 1 глава в монографии, 2 статьи в научных журналах, 13 статей в сборниках и материалах научно-практических конференций, получен 1 патент на изобретение, 1 приоритетная справка на полезную модель, 4 удостоверения на рационализаторские предложения.

ВНЕДРЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ.

Разработанные способы предлучевой топометрии образований головы и моделирования топометрических параметров клинического облучения головного мозга используются в практической работе Челябинского областного онкологического диспансера, Областного онкологического диспансера № 2 в г. Магнитогорске, Областного онкологического диспансера № 3 в г. Копейске. Результаты научного исследования используются в педагогической деятельности на кафедре лучевой диагностики и лучевой терапии ГОУ ВПО «Челябинская государственная медицинская академия Росздрава» и кафедре онкологии и радиологии ГОУ ДПО «Уральская государственная медицинская академия дополнительного образования Росздрава».

ОБЪЕМ И СТРУКТУРА ДИССЕРТАЦИИ.

Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста и состоит из введения, 5 глав, заключения, выводов, практических рекомендаций, списка литературысодержит 20 таблиц, 36 рисунков, 1 диаграмму.

Список литературы

включает 182 источника, из них 143 отечественных и 39 зарубежных авторов.

ВЫВОДЫ:

1.Изначально выбранное положение головы достоверно влияет на количество ее смещений как у пациентов с опухолью головного мозга, так и внемозговой локализации: в вынужденном положении голова смещается в 65,62 — 73,21% случаев, а в комфортном в 30,99 — 31,03% случаев.

2.У пациентов в вынужденном положении головы чаще всего совершаются сгибательно-разгибательные движения головы — в 34,15—38,09% наблюдений. Следовательно, для обеспечения большей стабильности положения головы, не фиксированной специальными приспособлениями, пациент должен самостоятельно определять объем сгибательно-разгибательных движений, как наиболее часто встречающихся, что достоверно снижает количество смещений головы указанного характера — в 2,51 раза в группе с опухолью головного мозга.

3.На основе выявленных закономерностей разработан способ топометрии новообразований головного мозга, позволяющий достичь: а), комфортного положения больногоб), более стабильного положения головы, нефиксированной специальными иммобилизирующими приспособлениямив), индивидуальности за счет того, что укладка для расчетов, проецирования полей и лучевого лечения пациента осуществляются в строго единой, но индивидуальной для каждого пациента системе координатг), воспроизводимости укладок за счет того, что три реперные точки легко доступны визуализации как для медицинского персонала в плане контроля укладки, так и для пациента в плане контроля сохранности маркированной точки на лицед). выполнения топометрической процедуры в базовом положении гантри.

4.Высокая точность найденных «вручную» накожных проекций центра зоны облучения предлагаемым способом топометрии достигается лишь при условии, что центр этой зоны располагается в пределах 40 мм от горизонтальной плоскости начала отсчета (ошибка проецирования при этом колеблется от 1,32±0,19 мм до 4,32±0,52 мм). При удалении заинтересованного объекта от указанной плоскости ошибка возрастает пропорционально расстоянию, достигая 9,36 + 0,63 мм при наиболее удаленном его положении.

5.Способ наружного моделирования входных полей облучения новообразований головного мозга обеспечивает точное наружное проецирование полей облучения опухоли головного мозга не зависимо от ее локализации в пределах последнего и позволяет в 52,94% случаев добиться полного совпадения проекций центров по двум осям. При этом максимальная ошибка по любой из осей не превышала 3 мм, а общая ошибка — 3,2 мм, ни в одном из наблюдений не достигая порогового значения 5 мм.

ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Планирование компьютерно-томографического исследования, проецирование наружных полей облучения, сеансы лучевого лечения необходимо осуществлять строго в одной и той же укладке, максимально комфортной для пациента, при которой он самостоятельно выбирает объем сгибания-разгибания головы, что приводит к достоверному и существенному снижению общего количества смещений головы даже при отсутствии специальных фиксирующих приспособлений.

2. Для пространственного определения местоположения головы и облучаемого объекта целесообразно использовать горизонтальную плоскость начала отсчета, которая проходит через три поверхностно расположенные и визуализируемые как на коже пациента, так и на компьютерных томограммах реперные точки, а именно: одной точки по линии симметрии лица и двум точкам — верхним краям ушных раковин. Кроме того, выбор указанных точек и плоскости позволяет не отклонять сканирующую систему гантри при компьютерной томографии.

3. Наружные поля облучения наиболее целесообразно проецировать автоматизированным путем посредством навигационной системы рабочего стола аппарата симулятор. При проецировании вручную необходимо учитывать, насколько центр облучаемой мишени удален от горизонтальной плоскости начала отсчета (что отражено в протоколе топометрического исследования), так как необходимая точность достигается лишь в случаях, когда данное расстояние не превышает 40 мм.