4 курс / Лучевая диагностика / Радиобиологическое_и_дозиметрическое_планирование_лучевой_и_радионуклидной

7.1.Определение мишени………………………………. 444

7.2.Терапевтический диапазон – выбор энергии пучка………………………………………………… 444

7.3.Рекомендации Международной комиссии по радиационным единицам.…………………………. 445

7.4.Модификация формы поля и дозового

распределения от электронных пучков…………… 447

7.5.Смежные поля……………………………………… 453

7.6.Электронная дуговая терапия……………………… 456

7.7.Тотальное облучение кожи электронами…………. 463

8.Методы расчета 3-мерных дозовых распределений от пучков электронов……………………………………….466

8.1.Введение……………………………………………. 466

8.2.Метод тонкого луча Хогстрома…………………… 468

8.3.«Быстрый» 3-мерный алгоритм тонкого луча……. 475

8.4.Ограничения модели тонкого луча Ферми –Эйджа…………………………………….. 481

8.5.Метод Монте-Карло……………………………….. 482 Контрольные вопросы……………………………………….. 490

Список литературы……………………………………………492

12

Предисловие

В настоящее время лучевая терапия является одним из двух наиболее эффективных способов лечения рака. Конечно, хирургия, имеющая более длительную историю, для многих видов злокачественных новообразований является приоритетным методом лечения. Она приводит к хорошим терапевтическим результатам для ранних неметастазированных опухолей. Лучевая терапия (ЛТ) успешно заменяет хирургию при радикальном лечении опухолей головы, шеи, шейки матки, мочевого пузыря, простаты, кожи и некоторых других локализаций, для которых часто достигается разумная вероятность контроля над опухолью при хороших косметических результатах. К этому следует добавить использование ЛТ в качестве сильного паллиативного средства. Химиотерапия относится к третьему важному способу лечения онкологических заболеваний. Начиная с раннего применения горчичного газа в 20 годах прошлого века, к сегодняшнему дню создано около тридцати препаратов для борьбы с раком, хотя практически широко используются 10 – 15. В настоящее время широкое распространение получил комбинированный поход к терапии этого очень сложного и тяжелого заболевания, сочетающий хирургию с последующей (иногда предварительной) ЛТ плюс химиотерапия.

Выделим кратко роль ЛТ в лечении шести видов локализации злокачественных новообразований, основываясь на работе [1]:

• Мочевой пузырь. Успех хирургии или ЛТ сильно зависит от степени болезни; оба подхода дают вероятность для 5-летнего срока продолжительности жизни пациентов после лечения выше

50%.

•Грудь. Ранние неметастазированные стадии рака обычно подвергаются хирургическому лечению и получаемая величина контроля над опухолью составляет 50 – 70 %. ЛТ обрабатываются грудная стенка и региональные лимфоузлы, что увеличивает величину контроля на 20 %. Гормональная терапия и химиотерапия также оказывают важное влияние на выживаемость пациента. Пациенты с распространением метастазов на момент диагностики имеют плохие перспективы.

13

•Шейка. Опухоль, вышедшая за пределы органа, часто подвергается комбинации внутриполостной и дистанционной ЛТ. Норма выживаемости сильно зависит от стадии болезни, изменяясь от 70

%для стадии 1 до примерно 7 % для стадии 4.

•Легкие. Большинство опухолей в легких являются неоперабельными. Пятилетний срок выживаемости при применении ЛТ в сочетании с химиотерапией находится в районе 5 %.

•Лимфома. При болезни Ходкина применение одной ЛТ дает норму пятилетней выживаемости около 50 %, в комбинации с химиотерапией норма повышается до 80 %.

•Простата. При локальном проникновении опухоли в сосед-

ние ткани хирургия и ЛТ имеют примерно одинаковый уровень эффективности. 10-летний срок выживаемости наблюдается у 50

%пациентов. Химиотерапия здесь малоэффективна.

По оценке авторов работы [2] локальная обработка, которая включает хирургию и/или ЛТ, является успешной в среднем в 40 % случаев. Примерно для 15 % всех раков основным способом лечения является ЛТ. В противоположность, много больных раком сейчас получают химиотерапию, но суммарный вклад таких пациентов в число успешно излеченных равен 2 % и в число пациентов с частично продленным сроком жизни ~ 10 %. Эти цифры приводятся в работе [3] не для умаления роли химиотерапии, а для подчеркивания ведущей роли ЛТ в лечении онкологических болезней.

Лучевая терапия относится к области высоких медицинских технологий. Ее потенциал реализуется только через детальное планирование облучения и тщательное выполнение всех регламентов в процессе длительного лучевого лечения (как правило, около двух месяцев). Традиционно под планированием ЛТ долгое время понималось, в основном, определение характеристик пучков ионизирующего излучения (вид и энергия излучения, форма поля, расстановка и модификация пучков и др.), которые позволяют создать приемлемое дозовое распределение внутри тела пациента. С приходом компьютерных технологий и бурного развития методов диагностики и технологий для получения и расшифровки медицинских изображений планирование ЛТ развилось в сложный процесс, где для определения объема опухоли используются медицинские сканеры, для оконтуривания области мишени используются симуляторы, где впечатляющие успехи клинической радиологии ис-

14

пользуются для определения оптимальной стратегии лучевого лечения (схемы фракционирования, модификаторы сенсибилизаторы, протекторы), и где компьютеры с соответствующим программным обеспечением используются для выбора оптимальных параметров пучков и расчета дозовых распределений. Результаты расчета отображаются в виде изодозовых кривых и поверхностей, наложенных на трехмерное изображения поперечных сечений тела пациентов. Целью данного пособия является рассмотрение этих методологий и описание современных версий различных направлений процесса планирования в ЛТ.

Материал пособия разделен на две части. В первой части рассматриваются теоретические основы лучевой терапии, с точки зрения современных взлядов на радиобиологию опухолей и нормальных тканей и на фракционирование дозы облучения. В этой же части излагаются основные понятия конвенциальной дистанционной терапии пучками тормозного и гамма-излучения и пучками электронов, вопросы формирования полей облучения и расчета распределений поглощенной дозы. Во второй части рассматривается лучевая терапия пучками протонов, легких и тяжелых ионов, нейтронов и пучками с модулированной интенсивностью, стереотаксис, брахитерапия, радионуклидная терапия. Особое внимание уделяется проблемам оптимизации планов облучения и гарантии качества лучевого лечения.

Автор фокусирует изложение материала, главным образом, на физических, математических и радиобиологических аспектах планировании ЛТ, и в отличие от зарубежных монографий на эту тему не рассматривает вопросы клинического применения лучевого лечения и взаимодействия γ-излучения с веществом. Особое внимание в книге уделяется описанию и анализу современных алгоритмов 3-мерного расчета доз, создаваемых различными видами ионизирующих излучений, модулированию интенсивности пучков, физическим и радиобиологическим методам оптимизации дозовых распределений и схем фракционирования облучения при лучевом лечении. Ряд представленных в книге методов и алгоритмов разработан автором вместе с сотрудниками руководимой им научной группы. В каждой главе для читателей, имеющих желание изучить

15

рассматриваемые вопросы с большими подробностями, прилагается обширный список первоисточников.

Автор учитывал также, что в силу явного недостатка отечественной литературы в данной области, специалистам приходится часто работать с англоязычными публикациями, инструкциями и рекомендациями. Поэтому, чтобы избежать возможного недопонимания, в тексте пособия для краткого обозначения основных величин применяется двойная аббревиатура (русский и английский варианты).

Автор пытался не усложнять изложение материала излишней математической формализацией. Поэтому пособие будет полезно не только медицинским физикам и радиационным онкологам, но и другим членам радиотерапевтической команды, знакомым с основами взаимодействия излучений с веществом, а также научным работникам, аспирантам и студентам, специализирующимся в области радиационной медицинской физики и радиационной онкологии.

Автор выражают большую признательность канд. физ.-мат. наук Д.Э. Петрову, н.с. РОНЦ им. Н,Н, Блохина Ю.В. Журову и преподавателю НИЯУ МИФИ А.Н. Моисееву за неоценимую помощь в подготовке материалов и иллюстраций для книги. Особо сердечную благодарность автор выражает в.н.с. РОНЦ им. Н.Н. Блохина д.б.н., профессору А.А. Вайнсону за внимательное изучение материала первой главы и сделанные по ней ценные замечания.

Список литературы

1.Steel G.G. Introduction: the significance of radiobiology for radiotherapy // In: Basic clinical radiobiology. 3 rd edition / Edited by G.G. Steel. 2002. Hodder Arnold. P.1 – 7.

2.Souhami R., Tobias J. Cancer and its management / 1986. Blackwell. Oxford.

3.Tibiana M. The role of local treatment in the cure of cancer // Eur. J. Cancer. 1992. V. 28A, P.2061 – 2069.

16

Список основных обозначений и сокращений

ЛТ – лучевая терапия ДП – дозиметрическое планирование

ЛУЭ – линейный ускоритель электронов D – поглощенная доза

SF – выжившая фракция клеток

TCP – вероятность локального контроля над опухолью NTCP – вероятность осложнения в нормальных тканях ККУ (OER) – коэффициент кислородного усиления

ОБЭ (RBE) – относительная биологическая эффективность ЛПЭ – линейная потеря энергии ВДФ – фактор время-доза-фракционирование

BED – биологически эффективная доза

α/β – отношение коэффициентов LQ-модели

EQD2 – суммарная доза стандартного режима по 2 Гр за фракцию, которая биологически эквивалентна суммарной дозе D, передаваемой в режиме с фракционной дозой, равной dref.

K – керма

X – экспозиционная доза

Ds – поглощенная доза, создаваемая рассеянным излучением

Dp – поглощенная доза, создаваемая первичным (нерассеянным) излучением

PDD или P% – глубинная процентная доза РИП (SSD) – расстояние источник-поверхность ОТВ (TAR) – отношение ткань-воздух

ОРВ (SAR) – отношение рассеяние-воздух

ФОР (BSF) – фактор обратного рассеяния

ПФР (PSF) – пиковый фактор рассеяния

NPSF – нормированный пиковый фактор рассеяния Sc – фактор рассеяния в коллиматоре

Sp – фактор рассеяния в фантоме

РИО (SAD) – расстояние источник-ось вращения гантри ОТФ (TPR) – отношение ткань-фантом

ОТМ (TMR) – отношение ткань-максиум ОРМ (SMR) – отношение рассеяние-максиум

17

ВОО (OAR) – внеосевое отношение МЕ (MU) – мониторная единица FOF – выходной фактор поля

МКРЕ (ICRU) – международная комиссия по радиационным единицам

ААМФ – Американская ассоциация медицинских физиков КФ – клиновидный фильтр ИК – изодозовая кривая

GTV – определяемый объем опухоли

CTV – клинический объем опухоли

PTV – планируемый объем опухоли TV – терапевтический объем

IV – облучаемый объем

ОР (OR) – орган риска

ГДО (DVH) – гистограмма доза-объем

BEV – изображение (проекция поля), видимая из источника КТ – рентгеновская компьютерная томография

CF – поправочный фактор, учитывающий наличие негомогенности МЛК – многолепестковый коллиматор 3-МДП – трехмерное дозиметрическое планирование ДТЛ – дифференциальный тонкий луч ТЛ – тонкий луч

КТЛ – тонкий луч с конечным поперечным сечением Kдл – дозовое ядро дифференциального тонкого луча Kтл – дозовое ядро тонкого луча

KКТЛ – дозовое ядро тонкого луча с конечным поперечным сечением

T – интегральная терма

TE – дифференциальная по энергии терма S/ρ – массовая тормозная способность

L – линейная передача энергии

CET – коэффициент эквивалентной толщины ПЛТ – протонная лучевая терапия ППД – плато с повышенной дозой НТ – нейтронная терапия ФМ – фантомный материал

НЗТ – нейтронно-захватная терапия

18

НЗТБ – нейтронно-захватная терапия, использующая реакцию захвата на боре

ТБН – терапия быстрыми нейтронами

БУТБН – борное усиление терапии быстрыми нейтронами КТЛ – конформная лучевая терапия

ЛТМИ (IMRT) – лучевая терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучков

ФЦФ – физическая целевая функция БЦФ – биологическая целевая функция

EUD – эквивалентная доза при однородном облучении LDR – брахитерапия с низкой мощностью дозы

MDR – брахитерапия со средней мощностью дозы HDR – брахитерапия с высокой мощностью дозы SK – сила воздушной кермы

CP – стереотактическая радиохирургия СЛТ – стереотактическая лучевая терапия

СДП (TPS) – система дозиметрического планирования РНТ – радионуклидная терапия РФП – радиофармпрепарат

ГК – гарантия качества лучевой терапии КК – контроль качества лучевой терапии АК – аудит качества лучевой терапии СО – стандартное отклонение

19

Глава 1. Радиобиологические основы лучевой терапии

1. Роль радиобиологии в лучевой терапии

Результаты экспериментальных и теоретических исследований в области радиобиологии вносят важный вклад в развитие лучевой терапии (ЛТ) как на идейном, так и на специфическом уровнях [1]:

•Идеи. Радиобиология обеспечивает концептуальный базис ЛТ, идентифицируя механизмы и процессы, которые лежат в основе реакции опухоли и нормальных тканей на облучение и помогая объяснить наблюдаемые явления. В качестве примеров можно привести открытие эффектов гипоксии, реоксегинации, репопуляции клеток опухоли или механизм репарации повреждений ДНК.

•Стратегия лучевого лечения. Разработка новых технологий в ЛТ. Примерами служат сенсибилизация гипоксических клеток, лучевая терапия излучениями с высокой ЛПЭ (линейная потеря энергии) , гиперфракционирование.

•Протоколы. Рекомендации по выбору графика ЛТ, например, формулы пересчета для внесения изменений в режим фракционирования или в мощность дозы. Рекомендации по применению химиотерапии одновременно или после облучения. Рекомендации по определению оптимальных параметров облучения для конкретного пациента.

Безусловно, радиобиология является очень плодотворной в генерации новых идей и в определении потенциальных перспектив для практического использования новой аппаратуры и новых методик облучения. С участием радиобиологов было предложено большое количество разных новых технологий облучения, но, к сожалению, немногие из них продемонстрировали свое преимущество в условиях клиники. Что касается третьего отмеченного уровня, то похоже, что формулы пересчета для внесения изменений в режим фракционирования получают все большее признание. Однако за пределами этого случая способность лабораторной науки руководить лучевыми терапевтами в выборе специальных протоколов имеет ограниченные возможности в силу неадекватности на сегодняшний день теоретических и экспериментальных моделей

20