4 курс / Лучевая диагностика / ПРИМЕНЕНИЕ_КИЛОВОЛЬТНОГО_РЕНТГЕНОВСКОГО_ИЗЛУЧЕНИЯ_ДЛЯ_ПЛАНИРОВАНИЯ
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Т.Г. Ратнер, А.М. Дмитриев
ПРИМЕНЕНИЕ КИЛОВОЛЬТНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ
Рекомендовано УМО «Ядерные физика и технологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2013
УДК 539.26(075)+612.386(075) ББК 53.6я7+32.995я7 Р25
Ратнер Т.Г., Дмитриев А.М. ПРИМЕНЕНИЕ КИЛОВОЛЬТНОГО РЕНТГЕНОВСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ И КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ: Учебное пособие М.: НИЯУ МИФИ, 2013. 176 с.
Вучебное пособие включены сведения о методах и аппаратуре, применяемых
влучевой терапии онкологических больных для предлучевой подготовки и контроля правильности центрации пучка облучения путем симуляции положения терапевтического пучка с помощью киловольтного рентгеновского излучения. В основу пособия положен курс лекций, которые авторы читают в последние годы для студентов МИФИ по специальности «Радиационная безопасность человека и окружающей среды», (специализация «Медицинская радиационная физика»).
Учебное пособие предназначено для студентов, преподавателей, аспирантов и научных работников инженерно-физических и физико-технических вузов, обучающихся по специальности «Медицинская физика» и специализирующихся в области лучевой терапии и лучевой диагностики, а также для студентов и выпускников медицинских вузов, специализирующихся в области лучевой терапии, и работников медицинских учреждений, связанных с лучевым лечением онкологических заболеваний.
Подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензент д-р физ.-мат. наук, проф. В.А.Климанов
ISBN 978-5-7262-1746-8
©Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2013
Редактор Г.А. Петрухина
Подписано в печать 15.11.2012. Формат 60×84 1/16
Печ. л. 11,0. Уч.-изд. л. 11,0. Тираж 180 экз.
Изд. № 26/1. Заказ 7.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское шоссе,31
ООО Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г.Электросталь, ул.Красная, д.42
Оглавление
Предисловие………………….…………………………... |
6 |
Список основных сокращений и обозначений………. |
8 |
Глава 1. Что такое «симуляция» и необходимость |
10 |
ее применения….…………………………………… |
|
1.1. Обзор методов симуляции……………………………. |
10 |
1.2. История развития методов симуляции…………......... |
14 |
1.3. Возможности применения симуляторов …………… |
20 |
Контрольные вопросы ………………………………………… |
24 |
Список литературы …………………………………………..... |
24 |
Глава 2. Устройство рентгеновского симулятора ……….. |
26 |
2.1. Составные части рентгеновского симулятора………. |
26 |
2.2.Механические свойства …………………….………… |
30 |
2.3. Получение рентгеновского изображения …………… |
32 |
2.4. Конструкция стола ………………………………….... |
47 |
2.5. Дополнительные приспособления …………………… |
49 |
2.6. Оптические средства позиционирования …………… |
51 |
Контрольные вопросы …………………………….…………… |
54 |
Список литературы …………………………………………… |
54 |
Глава 3. Выбор, приемо-сдаточные испытания и |
55 |
гарантия качества рентгеновского симулятора………….. |
|
3.1. Составление спецификации и процесс закупки …… |
55 |
3.2. Приемо-сдаточные испытания ……………………….. |
59 |
3.3. Проверка перед началом клинического использования |
63 |
3.4. Гарантия качества ……………………………………… |
63 |
3.5. Профилактика и ремонт ………………………………. |
64 |
3.6. Заключение …………………………………………….. |
64 |
Контрольные вопросы ……………….……………………….. |
66 |
Список литературы ………………………….……………….. |
66 |
3
Глава 4. Применение КТ-сканирования и виртуальной |
67 |
симуляции для планирования лучевой терапии .……....... |
|
4.1. Развитие технологий КТ–сканирования ……………… |
69 |
4.2. Реконструкция КТ-изображений ………….………….. |
75 |
4.3. Виртуальная симуляция ………………….…………… |
80 |
4.4.Возможности КТ-симулятора …………….………….. 81
4.5.ПроцессКТ-симуляции ……………………….…………... 87
Контрольные вопросы ……………….…………… |
91 |
Список литературы ……………………………….. |
92 |
Глава 5. Рентгеновский симулятор с функцией |
93 |
компьютерной томографии …………………………………. |
|
5.1. История развития симуляторов с функцией КТ……… |
96 |
5.2. Требования к симулятору с функцией КТ ……………. |
100 |
5.3. ПрименениесимуляторовсфункциейКТвклинике…… |
106 |
Контрольные вопросы ……………………………... |
111 |
Список литературы ………………………………… |
112 |
Глава 6. Получение изображений в киловольтном пучке на оборудовании, установленном в помещении
облучающего аппарата………………………………………... 113
6.1.Цель верификации укладки больного на столе облучающего аппарата …………………………….….. 113
6.2.Методы визуализации …………………………………. 114
6.3.Развитие методов «комнатной» визуализации……….. 116
6.4.Современное оборудование для проведения лучевой
терапии с применением контрольных изображений…. |
117 |
6.5. Тестирование кВ-систем ……………………………… |
129 |
6.6.Клинические аспекты ЛТКИ ……………….................. 137
6.7.Новые разработки ………………………...................... 142
Контрольные вопросы ……………………………... 144
Список литературы ………………………………… 144
4
Глава 7. Контроль качества изображения………………….. |
146 |
7.1. Параметры качества изображения ……………………. |
146 |
7.2. Фантомы для определения качества изображения…… |
150 |
7.3. Особенности качества изображения КТ, полученного |
|
в коническом пучке ……………………………………. |
161 |
7.4. Артефакты на томографическом изображении ……… |
162 |
Контрольные вопросы ……………………………... |
165 |
Список литературы ………………………………… |
165 |
Глава 8. Дозовые нагрузки на больного при проведении |
166 |
рентгенологических исследований …………………………. |
|
8.1. Доза, полученная пациентом при КТ-сканировании… |
168 |
8.2.Измерение и определение дозы ………………………. 168
8.3.Величины, применяемые для оценки дозы ………….. 169 Контрольные вопросы ………………………………. 176
Список литературы ………………………………….. 176
5
Предисловие
Предлагаемое пособие написано по материалам лекций, которые в течение нескольких лет читаются студентам 5 курса Московского инженерно-физического института, проходящих специализацию и клиническую практику по специальности «медицинская физика».
Вкнигу включены материалы, посвященные описанию современных методов симуляции облучения, применяемых в радиологических клиниках при проведении лучевой терапии онкологических заболеваний. Сюда относятся метод классической рентгеновской симуляции с применением аппаратов рентгенсимуляторов и симуляторов с функцией компьютерной томографии, а также метод виртуальной симуляции с применением компьютерных томографов, имеющих программное обеспечение для виртуальной симуляции. Быстро развивающиеся технологии и новые аппараты, воплощающие эти технологии, создают трудности для руководителей и персонала радиологических практических учреждений, которые не успевают следить за развитием новой техники, особенно, если встает вопрос о закупке нового оборудования. В этих вопросах особо важную роль играет медицинский физик, работающий в клинике.
Внастоящее время медицинский физик, работающий в области лучевого лечения, обязан знать не только физические и физикотехнические основы лучевой терапии, но и освоить методы и аппаратуру для лучевой диагностики (рентгеновские аппараты, компьютерные рентгеновские томографы и др.), которые применяются для предлучевой подготовки, планирования облучения и контроля качества облучения.
Вотечественной литературе практически нет сведений о методах симуляции и применении киловольтного излучения для вышеуказанных целей, поскольку почти все применяемое для этих целей оборудование производится заграничными фирмами и снабжается документацией, в основном, на английском языке.
Кроме того, новые технологии и оборудование требуют применения новых терминов и определений, которые часто трудно переводятся на русский язык. Читая публикации, описание оборудования или инструкции, написанные на английском языке, молодой специалист сталкивается с большими трудностями в
6
понимании и переводе новых терминов. Поэтому в тексте пособия новые термины выделяются курсивом, а в скобках приводится их написание на английском языке.
Мы надеемся, что предложенный материал будет полезен не только для студентов и аспирантов, специализирующихся в области радиационной медицинской физики, но и для инженернотехнических работников отделений лучевой терапии, а также для студентов-медиков, лучевых диагностов, топометристов, радиационных онкологов и лучевых терапевтов.
Авторы выражают сердечную признательность сотруднику Российского онкологического центра им. Н.Н.Блохина РАМН, руководителю группы лучевой топометрии, врачу-рентгенологу высшей квалификации В.Г.Сахаровской за постоянную помощь при написании лекций и проведении практических занятий со студентами в клинике по данной теме, а также профессору Б.Я. Наркевичу за просмотр рукописи и ценные советы, и профессору В.А. Климанову за поддержку и помощь при публикации данного труда.
7
Список основных обозначений и сокращений
ВС – виртуальная симуляция
Гантри (gantry) – С-образный штатив любого аппарата, на котором крепится источник излучения и приемник изображения (например, штатив ЛУЭ, КТ-сканера, симулятора и т.д.)
ГДО – гистограмма «доза–объем» ГК – гарантия качества
кВ – напряжение на рентгеновской трубке, выраженное в киловольтах
мА – сила тока в рентгеновской трубке, выраженная в миллиамперах
ИК – инфракрасное излучение КИ – контрольное изображение
конКТ – компьютерная томография с применением конусного пучка
КТ или РКТ – рентгеновская компьютерная томография КТС – компьютерный томограф с функцией виртуальной
симуляции ЛТКИ – лучевая терапия с применением контрольных
изображений (IGRT – image guided radiation therapy)
ЛУЭ – линейный ускоритель электронов
МКРЕ (ICRU) – международная комиссия по защите и радиационным единицам
МРТ – магнитно-резонансная томография ПО – программное обеспечение ПЭТ – позитронно-электронная томография
РИП – расстояние источник–поверхность РИО – расстояние источник–изоцентр РС – рентгеновский симулятор
РЭОП – рентгеновский электронно-оптический преобразователь
СимКТ – симулятор с функцией компьютерного томографа СП – система планирования облучения УРИ – усилитель рентгеновского изображения
8
ALARA – as low as reasonably achievable – основной принцип лучевой диагностики и терапии
BEV (beam’s eye view) – функция 3D СП «вид в пучке» или «вид из источника»
Blades – независимые коллимирующие шторки
CTV (clinical target volume) – клинический объем мишени
Delineator wires – независимо движущиеся нити, показывающие границы поля
CTDI (CT dose index) –дозовый индекс, применяемый при определении лучевой нагрузки в компьютерной томографии
CTDIvol (CT dose index) – объемный дозовый индекс, применяемый при определении лучевой нагрузки в компьютерной томографии
DRR (digital radiograph reconstruction) – цифровое реконструированное изображение, цифровая реконструкция
EPID (electronic portal imaging device) – электронное устройство для получения портального изображения
FOV (field of view) – поле видимости
In room imaging – «комнатные» аппаратные средства получения изображений, установленные в том же помещении, где стоит облучающий аппарат
Margin – добавляемая область, отступ между CTV и PTV
PTV (planning target volume) – планируемый объем мишени
9
Глава 1.
Что такое «симуляция» и необходимость ее применения
Процесс лучевого лечения является сложным, включает много этапов и требует тесного взаимодействия разных специалистов как медицинского профиля (радиационных онкологов, лучевых терапевтов и диагностов), так и медицинских физиков, специализировавшихся в области радиационной медицинской физики [1, 2].
Лучевое лечение имеет целью уничтожение и подавление роста злокачественной опухоли онкологического больного путем ее облучения с использованием разных видов ионизирующего излучения. Для дистанционного облучения больных применяются пучки фотонов с энергией от 1,25 МэВ (источник – радионуклид 60Со) до 20 МВ (источник – медицинский ускоритель электронов), пучки электронов с энергиями в диапазоне 4–20 МэВ. Реже применяются пучки ускоренных протонов с энергиями 70–220 МэВ, нейтроны или нейтрон-захватная терапия [3].
1.1 Обзор методов симуляции
Один из важных этапов процесса дистанционной лучевой терапии называется «симуляция (simulation)» облучения с использованием диагностических рентгеновских методов при применении для получения изображений диапазона энергий излучения 70–120 кВ. Симуляция используется для моделирования плана облучения терапевтическим пучком с целью наглядного представления объема, подвергающегося облучению, а также для подтверждения правильности положения и размера полей облучения. Симуляция дает возможность смоделировать, а затем и контролировать правильность укладки больного для последующей терапии с использованием методов рентгеноскопии (визуальное наблюдение за органами больного на экране) и рентгенографии (производство снимков на рентгеновской пленке, или получение изображений в виде цифрового файла).
10