Введение в лучевую терапию

ВВЕДЕНИЕ
в лучевую терапию
В. А. Лисин
г. Томск
Немного истории
1895 год – открытие рентгеновских лучей (К. Рентген);
1896 год – открытие естественной
радиоактивности (α, β, γ – лучи; А. Беккерель);
1896 год – рентгеновские лучи впервые применены
для лечения онкологических больных;
1910 год – в клинике Гейдельберг (Германия)
впервые был применен гамма-аппарат, в котором
источником излучения служил радий;
1914 год - во Франции открыт институт радия;
Немного истории
1895 год – впервые проявился
радиационный ожог рук при работе с
рентгеновскими лучами;
1902 год – впервые стало известно о
лучевом раке кожи;
1907 год – стало известно уже о 7 (семи)
случаях смерти от ионизирующей
радиации;
Немного истории
Стало
понятно,
что
ионизирующие
излучения, обеспечивая человечеству
новые
возможности,
таят
в
себе
существенную угрозу здоровью и даже
жизни человека.
С момента зарождения лучевой терапии
прошло более 100 лет, но и сегодня
проблема
лучевых
осложнений,
возникающих при ее проведении является
весьма актуальной.
СУТЬ и ЦЕЛЬ
ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
Лучевая терапия – это искусство хождения
по лезвию бритвы.
Цель лучевой терапии: Выбираемый
режим облучения должен
обеспечить
необходимую
или
максимально
возможную степень поражения опухоли
при допустимой степени поражения
окружающей нормальной ткани.
ПОСЛЕДСТВИЯ НЕПРАВИЛЬНОГО
ПЛАНИРОВАНИЯ РЕЖИМОВ
ОБЛУЧЕНИЯ
Применение
доз,
превышающих
толерантность нормальных тканей, может
вызвать серьезные лучевые осложнения, а
недостаточные дозы –
недостаточную
степень поражения опухоли и, как
следствие, ее дальнейший рост.
РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ИНТЕРВАЛ
(определение)
«Разницу
в
радиочувствительности
злокачественной опухоли и окружающих ее
тканей определяют как терапевтический
интервал
радиочувствительности
или
радиотерапевтический интервал».
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОНЯТИЯ
«РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ИНТЕРВАЛ»
Определение НЕ СОГЛАСУЕТСЯ с графиком
Сравним
содержание
«определения»
с
содержанием графика. Видно, что между ними
существует
очевидное
противоречие:
в
определении
говорится
о
«Разнице
в
радиочувствительности»,
а
на
графике
радиотерапевтический интервал задан дозой.
«Определите значения слов, и вы избавите
мир от половины его заблуждений»
Рене Декарт
Одноударная многомишенная модель:
радиочувствительность характеризуется параметрами
n, Do, Dq
Доля выживших клеток
S = S 0 [1 − (1 − e
− D / Do
n
) ]
1
0,1
0,01
0,001
0
2
4
6
Доза, Гр
8
10
12
Линейно-квадратичная модель:
радиочувствительность характеризуется
параметрами α,
β
Доля выживших клеток
S = S o exp[ − (α d + β d 2 )]
1
вклад экспонент:
0,1
Синяя – Альфа;
Красная – Бета
0,01
0
2
4
6
Доза, Гр
8
10
12
РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ИНТЕРВАЛ
(СКОРРЕКТИРОВАННОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ)
Радиотерапевтический интервал в
лучевой терапии – это разность между
предельно допустимой
(толерантной)
суммарной дозой для окружающей
опухоль нормальной ткани с учетом
облучаемого объема этой ткани и
суммарной дозой, необходимой для
уничтожения всех опухолевых клеток.
СПОСОБЫ РАСШИРЕНИЯ
РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКОГО ИНТЕРВАЛА
1.Выбор типа излучения (поверхностные
или
глубоко
расположенные опухоли, например, электроны или гамма-излучение);
2.Уточняющий
выбор
типа
излучения
(для
глубоко
расположенных опухолей, например, фотоны или нейтроны);
3.Оптимизация пространственного распределения дозы
(например, одно поле или несколько полей);
4.Оптимизация режима фракционирования дозы (например,
крупное фракционирование для резистентных опухолей, но стандартное –
для опухолей средней радиочувствительности);
5. Ранняя диагностика
(косвенный метод: позволяет выявить
опухоли малых объемов и, следовательно, дает возможность при
облучении увеличить суммарную дозу для нормальных тканей);
6.Применение
радиомодификаторов
(оксигенация
опухоли, гипоксия нормальной ткани, гипертермия –
позволяет расширить интервал радиочувствительности);
ВОЗМОЖНЫ ВАРИАНТЫ:
РТИ > 0
РТИ< 0
РТИ=0
ОПТИМИЗАЦИЯ РЕЖИМОВ ФРАКЦИОНИРОВАНИЯ ДОЗЫ
NSD × N −0.76 × T 0.11 n N
S = S o {1 − [1 − exp(−
)] } exp[ϕ ( N − 1)∆T ]
100 Do
Условия экстремума:
∂S
∂N
= 0
∂ S
∂ T
=
0
ϕT − NSD × N 0.24T 0.11
1 ∂S
0.11NSD × N 0.24T −0.89
N
= n exp(
)(ϕ −
)
S o ∂T
100 Do
100 Do
ϕT − NSD × N 0.24T 0.11
1 ∂S
0.24 NSD × N −0.76T 0.11
N
)[ln(n) −
]
= n exp(
100Do
100 Do
S o ∂N
СВЯЗЬ ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ КУРСА ЛУЧЕВОЙ
ТЕРАПИИ С РАДИОБИОЛОГИЧЕСКИМИ ПАРАМЕТРАМИ
ОПУХОЛИ И НОРМАЛЬНОЙ ТКАНИ
ОПТИМАЛЬНАЯ ДЛИТЕЛЬНОСТЬ КУРСА
To = [
1 . 6 × 10 − 4 NSD 1 . 32
ϕD
0 . 32
D
o
q
] 1 . 17
ОПТИМАЛЬНОЕ ЧИСЛО СЕАНСОВ ТЕРАПИИ
N
0
=
8 × 10
ϕ
0 . 17
−5
NSD
D o0 . 17 D
1 . 54
1 . 37
q
ОПТИМАЛЬНАЯ ОДНОКРАТНАЯ ДОЗА
d = 4.2×Dq .
НЕКОТОРЫЕ ОБЩИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ
ЗАКОНОМЕРНОСТИ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
Чем быстрее
растет опухоль, чем выше
ее
радиорезистентность
и
выше
радиочувствительность
окружающей
нормальной
ткани,
тем
меньше
длительность оптимального курса.
С увеличением Dq оптимальное число
фракций уменьшается. В то же время при
прочих
равных
условиях
меньшему
значению NSD соответствует меньшее
значение No.
К СОВРЕМЕННЫМ ТЕХНОЛОГИЯМ ЛУЧЕВОГО
ЛЕЧЕНИЯ ОНКОЛОГИЧЕСКИХ БОЛЬНЫХ
В настоящее время условно все методы
дистанционной радиотерапии можно разделить
следующим образом:
Конвенциальное облучение;
конформное облучение;
Интенсивно модулированная радиотерапия
(IMRT);
Радиотерапия,
корректируемая
по
изображениям (IGRT);
Радиохирургия;
Томотерапия;
Конвенциальная лучевая терапия
Базируется
на использовании сравнительно
простых
методик
облучения
пациентов:
прямоугольные поля облучения, прямоугольные
блоки, болюсы, стандартизованные клинья и т.п.
Планирование облучения проводится на основе
одного или нескольких поперечных срезов. Для
дозиметрического
обеспечения
лечебного
процесса используются водные фантомы с
устройствами
перемещения
датчиков
и
простейшие тканеэквивалентные фантомы.
Конформная лучевая терапия
Необходимы
различные
варианты
фигурных блоков;
Обязательное применение трехмерного
планирования облучения;
Применяют многолепестковые коллиматоры (МЛК) с двумя функциями:
1. Задание формы полей;
2. Непрерывная регулировка формы
поля в процессе вращения источника
излучения по дуге;
Лучевая терапия
с модуляцией интенсивности
IMRT
может быть осуществлена при
оснащении
линейных
ускорителей
многолепестковым коллиматором;
В IMRT осуществляется третья функция
МЛК: во время облучения происходит
движение лепестков МЛК, что создает
динамический компенсирующий фильтр,
обеспечивающий изменение интенсивности излучения во время сеанса терапии;
МНОГОЛЕПЕСТКОВЫЙ КОЛЛИМАТОР
Кибер-нож (Ciber Knife)
Чем отличается лучевая терапия от
радиохирургии?
Оба
этих метода относятся к методам
дистанционного облучения. Лучевая терапия
проводится за много сеансовв течение
нескольких недель;
Радиохирургия проводится за один сеанс;
При
лучевой
терапии
используется
масочная фиксация пациента, а при
радиохирургии жёсткая фиксация при
помощи стереотаксической рамы;
Чем отличается аппаратура для радиотерапии
от аппаратуры для радиохирургии?
Радиохирургия
проводится
на
специализированном
линейном
ускорителе, оборудованным встроенным
микромультилепестковым коллиматором.
Коллиматор
позволяет
с
высокой
точностью облучать небольшие мишени
сложной формы, расположенные рядом с
радиочувствительными внутричерепными
структурами.
Чем отличается аппаратура для радиотерапии
от аппаратуры для радиохирургии?
Радиотерапия
проводится на более
мощных
ускорителях,
позволяющих
облучать более крупные мишени, чем при
радиохирургии.
В
этот
ускоритель
вмонтирован
мультилепестковый
коллиматор большого размера, который
также позволяет с высокой точностью
облучать
мишени
сложной
формы
относительно большего размера, чем при
радиохирургии.
ТОМОТЕРАПИЯ
ТОМОТЕРАПИЯ
Установка
для
лучевой
терапии
TomoTherapy создана на базе линейного
ускорителя. Это новая методика лечения
злокачественных опухолей сочетает в единой
системе новейшие формы модулирования
интенсивности дозы, точность компьютерной
томографии
и
передовые
технологии
планирования облучения.
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
для гамма-излучения
1 – оксигенированные клетки;
2 – гипоксические клетки;
КИСЛОРОДНЫЙ ЭФФЕКТ
для нейтронов
1 – оксигенированные клетки;
2 – гипоксические клетки;
Комплекс помещений для
нейтронной терапии
1. Зал циклотрона
2. Процедурная
3. Радиобиологи
4. Физики,
дозиметристы
5. Врачи-радиологи
6. Помещение
пациентов
для
Как получают нейтроны?
защита
дейтроны
Н
Е
Й
Т
Р
О
Н
Ы
К О Л Л И М А Т ОР
бериллиевая
мишень
Дейтроны, ускоренные в циклотроне, падают на
бериллиевую мишень. При взаимодействии дейтронов с
ядрами бериллия образуются нейтроны:
2
1
9
4
10
5
1
0
d + Be → B + n
34
СХЕМА ИЗМЕРЕНИЙ
3
10
1
5
2
6
7
4
8
9
1- пучок дейтронов; 2-мишень; 3-монитор тока пучка;
4-коллиматор; 5-фантом; 6, 8-предусилители; 7, 9 дозиметры; 10- устройство для перемещения ИК;
35
Распределение поглощенной дозы нейтронов по
глубине облучаемой ткани
100
Доза, %
80
60
S =225 см. кв
S =48 см. кв .
40
20
0
0
4
8
12
16
глуб ина, сантиметры
36
проценты
Отношение дозы гамма-излучения к
дозе нейтронов, %
40
30
20
10
0
0
4
8
12
16
глубина, сантиметры
37
Распределение дозы нейтронов на входе в облучаемую
ткань
100
Доза, %
80
60
R=0 см
R=14 см
40
20
0
0
1
2
3
глубина, миллиметры
38
Распределение поглощенной
дозы
нейтронов в плоскости для поля 12×12 см. кв.
80 %
60 %
40 %
20 %
10 %
39
ФОРМИРУЮЩЕЕ
УСТРОЙСТВО,
ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕЕ
ВЫХОД
НЕЙТРОННОГО
ПУЧКА В
ПРОЦЕДУРНУЮ
40
К радиобиологическому планированию
нейтронной терапии.
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
Метод дозиметрии нейтронов;
Экспериментальные исследования распределений дозы
нейтронов в тканеэквивалентной среде;
Математическое описание дозных распределений нейтронов в
тканеэквивалентной среде;
Зависимость ОБЭ нейтронов от дозы;
Модель ВДФ, адаптированная к нейтронной терапии;
Алгоритмы сложения нейтронных доз с дозами гаммаизлучения;
Значения удельной кермы нейтронов для различных типов
ткани.
Математическое описание зависимости относительной
биологической эффективности нейтронов от дозы
По многомишенной модели:
1, 66
ОБЭ ( D н ) = −
ln[ 1 − (1 − exp( − 1, 22 D н )) 0 , 43 ]
Dн
По концепции Эллиса - Фильда:
RBE = 3 , 2 × D n
−0,2
По линейно-квадратичной модели:
2
RBE =
− α γ + [α γ + 4 β γ d n (α n + β n d n )]
2βγ d n
0,5
Зависимость относительной биологической
эффективности нейтронов от дозы
5
ОБЭ
4
3
2
1
0
2
4
6
Доза нейтронов, Гр
8
10
Концепция Эллиса - Фильда
и фактор ВДФ в нейтронной терапии
D c , н = 10
−2
× NSD н × T
0 ,11
×N
0 , 04
m
= 6 ,8 ∑ D
ВДФ
1 , 18
н ,i
× H
− 0 , 13
i
i =1
m
ВДФ = 6 ,8 ∑ [( 7 ,8 × 10 − 2 × D н ,i + 0 ,96 ) D н ,i ]1,18 × H i− 0 ,13
i =1
i=N
m
ВДФ= 1.2∑d
1.538
γ ,i
i =1
−0.169
γ ,i
H
+ 6,8∑[(7,8×10−2 × Dн, j + 0,96)Dн, j ]1,18 × Hн−,0j,13
j =1
Средняя удельная керма нейтронов
для различных тканей и материалов
МБТ
КТ
ЖИР
МОЗГ
П-ЭТИЛЕН
ВОДА
4,5
7
3,8
6
5,6
4,8
5
6,3
4
4,8
J
kc =
∑
j =1
2
J
Pjk
j
/
∑
j =1
3
Pj
1
0
Распределение поглощенной дозы нейтронов
с двух встречных полей в виде изодоз
Распределение изоэффективной дозы нейтронов с двух
встречных полей
Распределение поглощенной дозы
гамма-излучения с четырех полей
Распределение поглощенной дозы нейтронов
с двух встречных полей в виде изодоз
Так часто проводят лучевую терапию
П
А
источник
Ц
И
Е
Н
Т
Дозиметрический
план
результат
описание
результата
Так следует проводить лучевую терапию
П
А
источник
Ц
И
результат
анализ
результата
Е
Н
Т
Дозиметрический
план
Положительная или Отрицательная
обратная
связь
Состояние радиационной
терапевтической помощи
Онкологические больные получают лучевую терапию:
В развитых странах 70-75%
В России
30%
Низкий процент использования ЛТ и низкий уровень ее качества связан в
основном с плохим техническим оснащением онкологических
учреждений
Около 50%больных, нуждающихся в лучевой терапии ее не получают
Лишь 30% больных, получающих лучевую терапию, получают ее на
современном уровне качества
Главная особенность – отсутствие национальной научнотехнической политики в этой области и адекватной
государственной экономической поддержки.
Физико-техническое обеспечение
лучевой терапии
колкол-во указано в процентах от международных норм
Оборудование
Кол--во
Кол
Износ
Дистанционные гамма-аппараты
80 %
90%
Ускорители
15 %
20%
Аппараты для контактной лучевой терапии
30 %
80%
Аппараты для предлучевой топометрической
подготовки (РКТ, рентгеновский симулятор)
10 %
15%
Системы дозиметрического планирования
30%
50%
Аппаратура для клинической дозиметрии и
радиационных измерений
30 %
80%
Комплексы для иммобилизации пациентов и
гарантии качества
3%
----
Системы информационного компьютерного
обеспечения
0%
----
Динамика нашего отставания
∆
1960
годы
2000
Лучевая терапия и медицинская
физика
Лучевая терапия – это прежде всего хорошая
медицинская физика.
Медицинская физика является не только научнотехническим фундаментом лучевой терапии, но и
неразрывным ее элементом.
Нет другой такой области медицины, где успех лечения
был бы в столь высокой степени обусловлен дружной
работой физика и врача.
Одной из главных причин неудач: малого процента
успешно внедренных в клинику аппаратов, а также
очень низкой эффективности их использования
является слабость нашей медицинской
физики, отсутствие медикофизической службы и специальных
структур.
Пути технического и
технологического развития лучевой
терапии
Уровень качества
+∆
∆3
-∆
∆2
3
2
-∆
∆0
-∆
∆1
1
В России
время
1 Отсутствие модернизации и застой
2
3
– увеличение отставания
Паллиативная или частичная модернизация – сохранение «статус-кво»,
т.е. 30-летнего отставания
Курс на опережающее развитие
(кардинальная модернизация) – сокращение и ликвидация отставания
О КАДРАХ
медицинских физиков в лучевой
терапии:
Имеется СЕГОДНЯ
250
Должно быть сегодня (по международным нормам в 1000
расчете на имеющееся количество оборудования и
облучаемых больных)
Должно быть В БУДУЩЕМ (при осуществлении
международного уровня оснащения и числа облучаемых
больных
Высококвалифицированных медицинских физиков у нас
СЕГОДНЯ не более
а по международным нормам ДОЛЖНО БЫТЬ не менее
от общего их числа
4500
5%,
30%
К ОПРЕДЕЛЕНИЮ ПОНЯТИЯ
«РАДИОТЕРАПЕВТИЧЕСКИЙ ИНТЕРВАЛ»
Доля выживших клеток рабдомиосаркомы при облучении
нейтронами (2) и гамма-излучением (1)
10
20
N
1
1- гамма-излучение;
2 - нейтроны
2
Доза