Белорусский государственный медицинский университет γ-излучение как стереотаксический скальпель Научную работу подготовили: студент 1 курса 102 группы Воропай Егор Александрович, студентка 1 курса 110 группы Воробей Анастасия Борисовна Научный руководитель: Недзьведзь Ольга Валерьевна, старший преподаватель Оглавление: 1.Введение…………………………………………………...3 2.Влияние ионизирующих излучений на живую ткань………………………………………………………….3 3.Стереотаксическая хирургия……………………………..7 4.Диагностика пациента…………………………………….8 4.1 КТ………………………………………………………………8 4.2 МРТ…………………………………………………………….10 5.Устройство и принцип работы Гамма-ножа……………11 6.Литература………………………………………………..15 2 Введение По оценкам онкологов, первичные опухоли головного мозга встречаются в 8-10 реже, чем вторичные. Лечение больных с метастазами в головной мозг – является актуальной проблемой на стыке современной онкологии, нейрохирургии, химиотерапии и радиологии. По данным вскрытий от 25 до 46% всех больных раком, имеют внутричерепные метастазы. Прогноз для жизни больных с множественными метастазами в головной мозг чаще всего неблагоприятен и, в среднем, продолжительность жизни не превышает 9-15 месяцев, практически при любом сочетании возможных методов. Частота рецидивов опухолей колеблется от 10 до 50%. Сочетание хирургического удаления метастазов с последующим облучением всего головного мозга уменьшает частоту рецидивов, но, как правило, сопровождается острыми постлучевыми реакциями, снижающими качество жизни больных. Стереотаксическая радиохирургия с применением Гамма-ножа (СРХГН) – особое направление нейрохирургии, в котором сочетаются точность воздействия («стереотаксическая») и эффективность лучевой методики («радиохирургия»). Современный Гамма-Нож это высокотехнологичное компьютеризированное устройство, в котором используются самые новейшие достижения медицинской радиологии, нейрохирургии и робототехники. Подобно нейрохирургической операции, процедура лечения проводится однократно, однако при этом отсутствуют разрезы кожи и нет необходимости проводить трепанацию черепа. Однако не все опухоли могут быть подвергнуты лечению с помощью Гамма-ножа. Так опухоли размер которых превышает 3,0-3,5 см. потенциально не подходят для лечения этим методом, так как вследствие их большого размера значительно возрастает риск местных постлучевых осложнений. Таким образом, Гамма-нож – малоинвазивный, высоко эффективный и безопасный метод лечения внутримозговых метастазов и считается одним из самых значимых достижений в развитии нейрохирургии за последние 20 лет. Благодаря своей надежности, точности и эффективности Гамма-Нож считается «золотым стандартом» в радиохирургии. Влияние ионизирующих излучений на живую ткань Считается, что ядерный гамма-квант - это квант электромагнитного излучения с энергией, лежащей в диапазоне 10 КэВ - 10 МэВ, испускаемый ядром. Гамма-квант можно рассматривать как частицу без массы и заряда, перемещающуюся со скоростью света. Несмотря на отсутствие заряда, гамма-кванты способны взаимодействовать с веществом, главным образом с 3 электронами в атомах. Существуют три вида взаимодействия гамма-квантов с электронами: фотоэффект, комптоновское рассеяние и образование электрон-позитронных пар. Фотоэффект - взаимодействие, при котором энергия гамма-кванта полностью (исключая энергию связи электрона в атоме) переходит в кинетическую энергию электрона. При этом гамма-квант исчезает, а электрон теряет свою энергию на ионизацию атомов, образуя определенное количество свободных зарядов. Существенным является тот факт, что именно вся энергия гамма-кванта (за исключением очень малой ее части) переходит к электрону, а потом преобразуется в энергию свободных зарядов. Количество свободных зарядов пропорционально энергии электрона, а, стало быть, и гамма-кванта. Поэтому, измерив заряд, образовавшийся в веществе, можно определить энергию гамма-кванта. К сожалению, с двумя другими типами взаимодействий дело обстоит гораздо сложнее. При комптоновском рассеянии гамма-кванта на электроне гамма-квант передает лишь часть своей энергии электрону и при этом не исчезает. Таким образом, получаются гамма-квант меньшей энергии и электрон. Часть энергии, передаваемая гамма-квантом электрону, зависит от углов разлета гамма-кванта и электрона после взаимодействия. Это означает, что знание энергии электрона после комптоновского рассеяния не дает никакой информации о начальной энергии гамма-кванта. Образование электронно-позитронных пар происходит, если энергия гамма-кванта превышает 1.022 Мэв. При этом образуются электрон и 4 позитрон, а гамма-квант исчезает. Электрон затем теряет свою энергию в среде, а позитрон аннигилирует, испуская два гамма-кванта с энергией 0.511 Мэв. В свою очередь, вылетевшие гамма-кванты участвуют в процессах фотопоглощения и комптоновского рассеяния. При образовании пар, таким образом, тоже нельзя получить информацию об энергии первичного гаммакванта. Идеальный детектор должен преобразовывать всю энергию гамма-кванта в электрический импульс, величина которого прямо пропорциональна энергии кванта, поэтому из всех трех процессов взаимодействия гамма-квантов с веществом наиболее информативным является фотоэффект. Для получения хороших результатов при измерении активности необходимо сделать число взаимодействий, проходящих по каналу фотоэффекта, максимальным, уменьшив число остальных двух видов, которые мешают регистрации. Поскольку вероятность фотоэффекта в зависимости от среднего заряда атомов вещества (Z) увеличивается пропорционально (Z4) - (Z5) степени, то необходимо использовать в детекторах вещества с максимальным Z. Конечно, все процессы взаимодействия могут иметь место даже для одного гамма-кванта. Например, образовав пару, гамма-квант исчез, позитрон аннигилировал, произведя два гамма-кванта по 0.511 МэВ, из которых один комптоновски рассеялся, а другой поглотился но фотоэффекту. Если энергия гамма-кванта менее 100 КэВ, то главным процессом является фотоэффект, при энергии больше 100 КэВ доля рассеянных гамма-квантов увеличивается, а при энергии, большей 1.022 МэВ, начинает вносить вклад образование пар. Итак, для того, чтобы определить энергию гамма-кванта, необходимо измерить заряд, образующийся в детекторе при полном поглощении гамма-кванта. При физическом взаимодействии ионизирующего излучения с живыми тканями в процессе превращения этого излучения в химическую энергию в организме зарождаются активные центры радиационно-химических реакций. Основным непосредственным результатом поглощения энергии излучения любым веществом, в частности биообъектом, является ионизация и возбуждение его атомов и молекул. При этом образуются «горячие» (высокоэнергетичные) и исключительно реакционные частицы – осколки молекул: ионы и свободные радикалы. В дальнейшем происходит миграция поглощенной энергии по макромолекулярным структурам и между отдельными молекулами, разрывы химических связей, образование 5 свободных радикалов и реакции между ними и другими, как уже поврежденными, так и исходными молекулами. При этом возникают молекулы нового, часто чужеродного для организма состава. Эти эффекты могут быть следствием поглощения энергии излучения самими макромолекулами белков, нуклеопротеидов, структурами внутриклеточных мембран. В этом случае говорят о прямом действии излучения. Поскольку у человека основную часть массы тела составляет вода (порядка 75%), первичные процессы во многом определяются поглощением излучения водой клеток, ионизацией молекул воды с образованием высокоактивных в химическом отношении радикалов типа ОН- и Н+ . В присутствии кислорода образуется также свободный радикал гидроперекиси (H2O-) и перекись водорода (H2O2), являющиеся сильными окислителями. При радиолизе воды происходит сдвиг кислотно-щелочного баланса, изменения в окислительно-восстановительных процессах, приводящие к нарушению обмена веществ в организме. Продукты радиолиза активно вступают в реакцию с белковыми молекулами, часто образуя токсичные соединения. Образовавшиеся исключительно вредные для организма и реакционноспособные перекисные соединения, запускают целую цепь последовательных биохимических реакций и постепенно приводят к разрушению клеточных мембран (стенок клеток и других структур). Это приводит к нарушениям жизнедеятельности отдельных функций или систем организма в целом. Повреждение биомолекул химически активными продуктами радиолиза воды называют непрямым (косвенным) действием излучения. В зависимости от величины поглощенной дозы и индивидуальных особенностей организма, вызванные изменения могут быть обратимыми или необратимыми. Прямое действие ионизирующего облучения может вызвать непосредственно гибель или повреждение (обратимое или необратимое) клеток организма. В дальнейшем под действием физиологических процессов в клетках возникают функциональные изменения, подчиняющиеся уже биологическим законам жизни и гибели клеток, и отклонения в жизнедеятельности организма. Из многих начальных молекулярных повреждений наибольшее значение придают повреждениям уникальных структур ядерной ДНК, а также внутриклеточных мембран. Перечисленные процессы осуществляются в три последовательно протекающие стадии: физическую, физико-химическую и химическую в течение чрезвычайно короткого промежутка времени (в пределах 1 миллисекунды) и являются общими для действия излучений как на живую, так и на неживую материи. Последующая биологическая стадия 6 вторичные, (радиобиологические), эффекты на всех уровнях организации живого, занимает значительно большее время, продолжается иногда в течение всей жизни (Табл.2). Молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), представляющие главную составную часть наследственного вещества высших организмов, имеют нитевидную форму в виде двойных спиралей. При облучении нити ДНК резко скручиваются, образуются водородные мостики между различными нитями ДНК, нарушается спиральное строение молекулы; особенно характерно разрушение двойных спиралей ДНК, скручивание или внутримолекулярная полимеризация (образование молекулярных сеток), раскрытие двойных спиралей, разветвление и т. п. Молекулярный вес, так же как и радиус спиралей ДНК, изменяется в зависимости от величины дозы облучения, а также в зависимости от мощности дозы излучения. Стереотаксическая хирургия Стереотаксическая радиохирургия — радиохирургия с применением стереотаксиса. В настоящее время можно считать синонимом термина радиохирургия, так как все радиохирургические процедуры проводятся с использованием стереотаксиса. «Stereotactic» (стереотаксический) по-гречески означает «движущийся в пространстве». Стереотаксическая хирургия (или стереотаксис) является малоинвазивным методом хирургического вмешательства, когда доступ 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. В современной хирургии стереотаксис применяется главным образом в нейрохирургии головного мозга, когда требуется исключительная точность доставки инструмента хирургического воздействия (биопсии, деструкции или стимуляции) в заранее определенную зону сквозь толщу мозга без опасности повреждения критических для здоровья и жизни пациента структур. Декартовой системе координат в пространстве: Прямоугольная система координат в пространстве образуется тремя взаимно перпендикулярными осями координат OX, OY и OZ. Оси координат пересекаются в точке O, которая называется началом координат, на каждой оси выбрано положительное направление, указанное стрелками, и единица измерения отрезков на осях. Единицы измерения обычно одинаковы для всех осей (что не является обязательным). OX — ось абсцисс, OY — ось ординат, OZ — ось аппликат. 7 Если большой палец правой руки принять за направление X, указательный за направление Y, а средний за направление Z, то образуется правая система координат (также используются термины положительная, стандартная). Аналогичными пальцами левой руки образуется левая система координат. Иначе говоря, положительное направление осей выбирают так, чтобы при повороте оси OX против часовой стрелки на 90° её положительное направление совпало с положительным направлением оси OY, если этот поворот наблюдать со стороны положительного направления оси OZ. Правую и левую системы координат невозможно совместить так, чтобы совпали соответствующие оси (см. рис. 2). Рис. 2 Положение точки A в пространстве определяется тремя координатами x, y и z. Координата x равна длине отрезка OB, координата y — длине отрезка OC, координата z — длине отрезка OD в выбранных единицах измерения. Отрезки OB, OC и OD определяются плоскостями, проведёнными из точки A параллельно плоскостям YOZ, XOZ и XOY соответственно. Координата x называется абсциссой точки A, координата y — ординатой точки A, координата z — аппликатой точки A. Записывают так: A (x, y, z). Стереотаксическая хирургия Компьютерная томография КТ – комплекс аппаратуры, предназначенный для неинвазивного получения послойных изображений внутреннего строения органов человека или организма в целом. Кратко опишем устройство и особенности последних двух поколений КТ. На рис. 1 показана технология получения рентгеновских отображений, применяемая во всех томографах. 8 Рис. 1 Схема получения отображений в рентгеновском КТ В неподвижном кольце диаметром 1,2 м расположены источник рентгеновского излучения – рентгеновская трубка и по всему кругу – от 1000 до нескольких тысяч неподвижных детекторов – датчиков интенсивности рентгеновского луча. В центре кольца на специальном столе располагается пациент таким образом, чтобы исследуемый орган попал в плоскость кольца. Источник, излучатель, включается на короткое время экспозиции (сотые доли секунды) и излучает пучок рентгеновских лучей под разными углами. Максимальный угол расхождения пучка определяется размерами исследуемого органа и мощностью излучения. Лучи проходят через обследуемый орган и попадают на группу детекторов. Детекторы преобразуют величину интенсивности луча в пропорциональные значения выходного электрического сигнала. Сигналы с детекторов поступают в компьютер. Таким образом, за одну экспозицию в компьютер поступают данные сразу с нескольких детекторов. Затем источник сдвигается по кругу на 30 и снова производит «съемку» объекта таким же веером рентгеновских лучей, повторяя предыдущую операцию. Таким образом, источник за 1 секунду обходит весь круг, совершая 120 съемок органа веерными лучами. На этом получение первичной информации одного слоя органа заканчивается. Стол с пациентом сдвигается на один шаг по горизонтали внутрь кольца на расстояния между слоями изображения. И далее весь цикл повторяется столько раз, сколько требуется получить слоев исследуемого органа. Полученная информация обрабатывается на компьютере, заносится в его память и на мониторе строится яркостное черно-белое или цветное изображение слоя органа. Начиная с 80-х годов прошлого столетия внедряется новая технология томографов 5-ого поколения. Это спиральные томографы. Спиральное 9 сканирование заключается в одновременном выполнении двух действий: непрерывного вращение источника рентгеновского луча вокруг тела пациента, и непрерывного поступательного движения стола с пациентом вдоль оси сканирования Z через кольцо. Тогда траектория движения источника луча относительно движения стола с пациентом примет форму спирали. Скорость движения стола определяется целями исследования и задает шаг спирали и область сканирования тела пациента. На рис. 2 приведена томограмма тела человека Магниторезонансная томография МРТ – современный и наиболее информативный метод получения изображения тела пациента в различных сечениях, основанный на регистрации сигналов ядерного магнитного резонанса от протонов биологических тканей. Количество протонов в разных молекулах и тканях различно, значит, в разных тканях плотность протонов тоже разная, поэтому, измерив методом ЯМР-резонанса распределение плотности протонов в исследуемом объекте в разных пространственных направлениях (вдоль оси ОХ, ОУ, ОZ), можно вычислить концентрацию протонов в каждой точке объекта, получая таким образом его протонное изображение. Все МР-томографы используют постоянные магниты, индукция В магнитного поля которых направлена вдоль тела пациента. Мощные сверхпроводящие магниты МР-томографов работают в условиях температур, близких к абсолютному нулю. Для обеспечения таких температур используют большое количество жидкого гелия, помещаемого в специальный термостат. 10 Вектор В магнитной составляющей СВЧ-поля направлен перпендикулярно поверхности исследуемого органа. СВЧ-излучатели, работающие в импульсном режиме, специально конструируются для исследований данного органа. Они имеют такую конфигурацию, которая позволяет удобно расположить их вокруг излучаемого объекта. МР-томографы распознают поражения головного и спинного мозга, нарушение мозгового кровообращения, структуру сосудов, печени, почек и других органов. На рис. 3томограмма мозга человека При совмещении изображений компьютерного и магниторезонансноготомографа можно точнее определить место локализации опухоли. Устройство и принцип работы Гамма-ножа Гамма-нож – единственный инструмент, позволяющий неинвазивно оперировать опухоли головного мозга. За рубежом радиохирурги его применяют уже почти полвека. Всего в мире примерно 300 таких установок: из них около 100 – в США, 50 – в Японии, 5 – в Германии. С помощью гамма-ножа можно оперировать 1200 пациентов ежегодно. Прежде чем делать такую операцию, необходимо найти действительно убедительные аргументы, ведь у метода есть ограничения. Например, размер опухоли не должен превышать 3,5 сантиметра в диаметре, играет роль её расположение и ряд других факторов. Когда решение об операции принято, делают МР-томограмму головного мозга не ранее чем за сутки до неё. Затем с помощью компьютерной программы прямо по томограмме планируют операцию, рассчитывая направление радиоактивных лучей и поглощённую дозу радиоактивного излучения, которая должна составлять не более 12 Грэй на поверхности опухоли. Такая доза не наносит повреждения тканям мозга. Внутри опухоли, там, где лучи сойдутся, поглощённая доза будет в два раза выше – 24 Грэй, что окажет терапевтический эффект. При этом клетки 11 опухоли не убивают – просто останавливают их рост, а в дальнейшем они сами постепенно отмирают. Причём скорость отмирания прямо зависит от скорости роста опухоли: злокачественная быстрорастущая опухоль также быстро сходит на нет, а доброкачественная, формировавшаяся много месяцев, исчезает медленно. После операции пациентов наблюдают в течение нескольких месяцев, делая повторные томограммы, а вот выписывают уже через день. «Гамма-нож» (ГН)- это установка для проведения высокоточного одномоментного облучения определенного участка мозга, пораженного различными патологиями. В ней используется энергия гамма-излучения радиоактивного кобальта-60. Облучение производится с помощью 201 источника, расположенных в защитном кожухе по диаметру полусферы. При этом излучение от каждого из них в отдельности не велико и не оказывает повреждающего действия на здоровую ткань мозга. Однако сходясь в одной точке, называемой изоцентром, они дают суммарное излучение, достаточное для того, чтобы вызвать желаемую биологическую реакцию в патологическом очаге (рис. 4). Рисунок 4. Принцип работы «Гамма-ножа» Непосредственно сеанс лечения на установке «Гамма-нож» подразумевает четыре основных этапа, описанные ниже. 1. Фиксация стереотаксической рамы системы «Leksell». Данная рама отличается от классической, используемой в стереотаксическом аппарате 12 Лекселла, только системой дополнительных отверстий, позволяющих фиксировать ее в автоматической позиционирующей системе ГН. Рама является частью системы координат Лекселла, внутри которой возможно определить расположение любой заданной точки (патологического очага) в трехмерном пространстве, с точностью до 0,1 мм. Кроме этого, рама обеспечивает абсолютно жесткую фиксацию головы пациента в момент лечения, обеспечивая тем самым минимальную погрешность облучения. Фиксация рамы проводится под местной анестезией. 2. Магнитно-резонансная томография Для визуализации патологического очага в радиохирургии в подавляющем большинстве случаев используется МРТ, как метод, обеспечивающий наиболее информативное и анатомически подробное изображение. 3. Планирование радиохирургии Полученные в цифровом виде изображения передаются на рабочую станцию, оснащенную операционной системой HP-UX 11i c установленной специализированной системой планирования «Leksell Gamma Plan Wizard 5.34» (LGP). С ее помощью рассчитывается план облучения каждого очага в зависимости от его локализации, объема, предписанной дозы, а также общего количества очагов. LGP позволяет отображать любые изодозные кривые поверх томографических снимков, как в двумерном, так и в трёхмерном виде, а также строить гистограммы доза-объём, как для мишени, так и для функционально важных структур, заданных и «оконтуренных» врачом, что используется для выбора оптимального плана облучения. Меняя диаметр коллиматоров и их количество, варьируя угол наклона головы по отношению к изоцентру, изменяя время облучения каждой точки цели, заданной планом, можно добиться необходимого распределения дозы для мишени практически любой геометрической формы, с минимальным захватом в поле облучения прилежащей здоровой мозговой ткани с высокими показателями конформности и селективности. 4. Лечение Готовый план переносится с планирующей станции на рабочую станцию установки «Leksell Gamma Knife C» и отображается на пульте управления. Пациент укладывается на рабочую кушетку аппарата, а его голова, посредством рамы, фиксируется в системе координат аппарата. Модель «Leksell Gamma Knife C» позволяет устанавливать координаты каждой спланированной точки цели (или координаты каждого изоцентра, что одно и то же) как в автоматическом, так и в ручном режиме. Дальнейшее наблюдение и оценка результата лечения Дальнейшее ведение пациента подразумевает плановые контрольные МРТ головного мозга с контрастом в сроки не реже 1 раза в 3 месяца – для оценки результата стереотаксической радиохирургии Гамма-ножом (СРХГН), а также для своевременного выявления новых метастазов и принятия решения о тактике дальнейшего лечения. При ухудшении неврологического состояния контрольное обследование проводится внепланово, для выяснения причины. Определение показаний и противопоказаний к СРХГН. 13 Предварительное решение о возможности проведения СРХГН принималось на основании: 1) анализа снимков МРТ головного мозга. При этом оценивалось количество метастазов, их расположение, размеры, наличие перифокального отека, кровоизлияний, масс-эффекта, признаки окклюзионной гидроцефалии. Относительным противопоказанием к лечению являлось заведомо выявляемое количество метастазов более 10. Абсолютным противопоказанием являлись размеры опухоли более 35 мм, наличие грубого масс-эффекта от патологического очага, сопряженного со смещением срединных структур мозга, а также признаки окклюзионной гидроцефалии. 2) оценки общего состояния больного. Противопоказанием к СРХГН являлась оценка менее 50 баллов по шкале Карновского; 3) нейроофтальмологического осмотра. Данный осмотр проводился облигатно при наличии жалоб на какие-либо зрительные нарушения, выраженном перифокального отеке и/или наличии крупных метастазов (от 2,5-3 см и более) по данным МРТ с контрастным усилением, т.е. в тех случаях, когда были основания предполагать наличие внутричерепной гипертензии. Противопоказанием к лечению на фоне повышенного внутричерепного давления являлось наличие хотя бы одного крупного метастаза (больше 3 см) по тем или иным причинам не подлежащего хирургическому удалению, либо выраженного перифокального отека. 14 Литература: 1. Долгушин М.Б.//Комплексная лучевая диагностика вторичного опухолевого поражения головного мозга//Дисс. на соиск. уч. ст. канд. мед. наук, М., 2006 2. Карахан В.Б., Фу Р.Г., Алешин В.А. и соавт.//Роль хирурги в комбинированном и комплексном лечении метастазов в головном мозге//Материалы X Российского онкологического конгресса, Москва, 2006 3. Лошаков В.А.//Интракраниальные опухоли//Клиническая неврология (под руд. метастатические Никифорова А.С., Коновалова А.Н., Гусева Е.И.) том 3, часть 1, М., «Медицина», 2006 4. Блинов Н.Н. (и др.)/ Основы рентгенодиагностической техники: уч. Пособие, 2004 5. Ильялов С.Р.//Стериотаксическая радиохирургия внутримозговых метастазов рака с применением установки «Гамма-нож»// Дисс. на соиск. уч. ст. канд. мед. наук, М., 2008 6. Яногородский В.Г.// Электротерапия, 1987 7. Михина З.П., Ткачев С.И., Трофимова О.П. и соавт.//Лучевая терапия в комбинированном и комплексном лечении метастазов в головной мозг: основные этапы, перспективы//Материалы Российского онкологического конгресса, Москва, 2006 15 X 8. Щиголев злокачественных Ю.С.//Комплексное опухолей в головной лечение мозг метастазов (хирургический аспект)//Автореф. дисс. на соиск. уч. ст. д.м.н., М., 1996 9. Антонов В.Ф. и (и др.)// Физика и биофизика: учебник для вузов, ГЭОТАР-Медиа, 2009 10. Линдербратен Л.Д.// Медицинская радиология (основы лучевой диагностики и терапии), 2000 11. Лещенко В.Г., Ильич Г.К.// Медицинская и биологическая физика: уч. пособие, Минск, 2012 12. Ремизов А.Н.// Медицинская и биологическая физика, Москва «Высшая школа», 1987 13. Кудряшов Ю.Б.// Радиационная биофизика (ионизирующее излучение), Физматлит, 2004 14. Черняев А.П.// Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом, Физматлит, 2004 16