4 курс / Лучевая диагностика / ПРИМЕНЕНИЕ_КИЛОВОЛЬТНОГО_РЕНТГЕНОВСКОГО_ИЗЛУЧЕНИЯ_ДЛЯ_ПЛАНИРОВАНИЯ

видвпучкеилинареконструкцию, следуеточертитьконтрастированные структуры на поперечных срезах. Эти области появятся на соответствующих реконструкциях и послужат для выбора полей облучения.

Установкасистемыкоординат

Существуют две системы координат и соответственно две системы разметкибольного: интерактивный режим(on-line) иавтономный режим (off-line). По первому сценарию (on-line) интерактивный режим выполняется во время КТ-исследования, при этом осуществляется оконтуривание, выбор изоцентра и конфигурация поля облучения. Затем координаты изоцентра передаются в систему регулировки лазеров для разметки пациента. Автономный режим (off-line) выполняется в отсутствии пациента. Больного укладывают и определяют систему координат по отношению к меткам на теле или фиксирующем устройстве. Когда срезы получены, пациент может уходить. Здесь ВС и координаты для лечения основаны на первичной системе координат, полученной до сканирования. Данные, полученные во время сканирования, используются в любое время для оконтуривания, выбора изоцентра и конфигурации поля облучения. Позднее разметка пациента, выполненная в координатах изоцентра, передается в систему регулировкилазеровоблучающегоаппарата.

Контрольные вопросы

1.Кто и когда получил нобелевскую премию за создание метода компьютерной томографии?

2.Что такое «числа Хаунсфилда» или «КТ-числа»?

3.Чему равны КТ-числа для воздуха, воды и костной ткани?

4.Чем отличается диагностический КТ-сканер от КТ-сканера, применяемого для планирования лучевой терапии?

5.Что такое «виртуальная симуляция»? Почему она так называется?

91

Литература

1.Федоров Г.А. Медицинская интроскопия. Рентгеновская вычислительная томография / Г.А. Федоров. – М.: МИФИ, 2001. – 78 с.

2.Рудь С.Д. Основы и клиническое применение рентгеновской компьютерной томографии / Лучевая диагностика : учебник для вузов. – 2007. – С. 53–67.

3.Van Dyk J. Computerized radiation treatment planning systems / J. Van Dyk J., R.B. Barnett, J.J. Battista // Modern technology of Radiation oncology. Med. Phys. Publisher. – 2000. – P. 231–286.

4.Cormack A.M. Representation of a function by its line integrals, with some radiological application / A.M. Cormack // J. App. Phys. – 1963. – V. 34. – P. 2722–2727.

5.Goitein M. Applications of computed tomography in radiotherapy treatment planning / M. Goitein. - Progress in Medical Radiation Physics. – 1982. – P. 195–293.

6.Van Dyk J. Simulation and imaging for radiation therapy planning

/J. Van Dyk, K. Mah // Radiotherapy Physics in Practice. – Oxford. – 1993. – P. 113–134.

7.The impact of CT scanning on radiotherapy treatment planning / J. Van Dyk [et al.] // Comp. Tomog. – 1980. – V. 4. – P. 55–65.

8.Coia L.W. A Practical Guide to CT Simulation / L.W. Coia, T.E. Schultheiss, G.E. Hanks. – 1995.

9.Назначение, протоколирование и отчетность при фотонной терапии. Сокр. пер. МКРЕ-50 // Мед. физика. – 1998. – № 5. – С. 28–32.

10.Ратнер Т.Г. Иммобилизация пациента во время лучевой терапии. Теоретические основы и практическое применение / Т.Г. Ратнер, В.Г. Сахаровская. – М. : Весть, 2008. – 120 c.

11.Ратнер Т.Г. Применение в клинике гистограмм доза-объем /

Т.Г. Ратнер [ и др. ] // Мед. физика. – 2006. – № 1 (29) – С. 73–81.

12.Hunt M. Localization and field design using a CT simulator / M. Hunt // A Practical Guide to CT Simulation. – 1995. – P. 25–38.

92

Глава 5.

Рентгеновский симулятор

сфункцией компьютерной томографии

Вглавах 1-4 мы подробно рассмотрели возможности рентгеновских симуляторов и компьютерных томографов с функцией виртуальной симуляции. Далее мы рассмотрим возможности рентгеновского симулятора, способного производить компьютерную томограмму в одной плоскости, и соответственно конструкции аппаратов для его осуществления.

Итак, КТ играет ведущую роль в планировании лучевого лечения, поскольку диагностика и распространенность опухолевого процесса определяют выбор метода лучевого лечения. Определение анатомического строения органов в объеме в единицах электронной плотности позволяет точно рассчитать распределение дозы и точно локализовать объем мишени и критических органов.

КТ-сканирование проводится при том же положении больного, что и при лучевом лечении, т.е. лежа на плоской поверхности стола или на специальной подставке, которая кладется на выгнутую поверхность стола диагностического томографа. Диаметр круга реконструкции на диагностическом томографе (например, 50 см) иногда недостаточен для получения томограмм для планирования облучения. Небольшой размер апертуры сканера может создать проблемы при укладке пациента, например, при облучении молочной железы, когда рука больной находится в отведенном положении.

Для целей планирования лучевого лечения был предложен метод, названный «компьютерная или виртуальная симуляция» и

создан КТ-сканер с апертурой 90 см, что позволяло легко проводить укладки пациентов в положении облучения. КТизображения представляют собой виртуального пациента. Вместо реального симулятора применяется программное обеспечение компьютерной графики, которое дает высокое разрешение цифровых реконструкций изображений, аналогичных портальным рентгеновским снимкам, сделанным на РС и возможность видеть мишень в пучке (метод BEV). Это позволяет видеть форму пучка,

93

которую отмечают на поверхности тела больного с помощью луча лазера, закрепленного на корпусе сканера [1, 2].

Однако остаются основные недостатки применения КТ для планирования облучения:

•во время процесса сканирования невозможно очерчивать объем мишени;

•из-за недостаточного размера апертуры затруднено помещение больного в положении лечения (на сканерах 3-4 поколения);

•не видно, как реально смещаются органы при дыхании больного во время сканирования.

Эти недостатки можно преодолеть, применяя рентгеновский симулятор, способный создавать компьютерные томограммы. Такой аппарат называют «Симулятор с функцией КТ», «Симулятор-КТ», или «аппарат для симуляторной томографии

(simulator computed tomography – simulator-СT)» [2]. Сокращенно будем называть его «СимКТ». Главное не путать это название с аппаратом «КТ-симулятор», т.е. c компьютерным томографом, имеющим функцию виртуальной симуляции.

На рис. 5.1 показана схема расположения оборудования для одного из первых аппаратов СимКТ [3]. Детектором излучения служил или усилитель рентгеновского изображения (УРИ) или набор твердотельных детекторов, соединенный через аналоговое устройство с цифровым конвертером и внешним компьютером, который мог создавать реконструкцию изображения и показывать его на экране. На рис. 5.2 показан современный СимКТ фирмы

Varian – аппарат «ACUITY».

СимКТ был разработан в нескольких клиниках в конце семидесятых годов прошлого столетия, но до недавнего времени не был широко распространен, поскольку в его конструкции имелись недостатки. Рентгеновские трубки, установленные на симуляторе, работают на приблизительно вдвое большем расстоянии фокус– детектор, поэтому возникают дополнительные требования к мощности трубки. На практике на РС не делается более трех КТснимков для одного пациента, хотя производители современных СимКТ утверждают, что можно получить 10 сканов до того, как рентгеновская трубка нагреется до предела.

94

уровня, который позволяет изобразить контуры тела, положение легких и костных структур с приемлемой точностью.

Рис. 5.2. Аппарат ACUITY – Рентгеновский симулятор с возможностью получения компьютерных томограмм фирмы Varian. В качестве приемника изображения используется панель из твердотельных детекторов. Стол симулятора соответствует столам линейных ускорителей серии CLINAC

5.1. История развития симуляторов с функцией КТ

Впервые аппараты CимКТ были использованы в клинике в 1978 г. Их детекторная система использовала большой флуоресцентный экран (485 мм2), установленный на гантри РС, осматриваемый телевизионной камерой. Получение проекционных данных и восстановление изображений с помощью свертки и алгоритма обратного проецирования осуществлялись независимо, как два отдельных процесса. Авторы оценили пространственную разрешающую способность в 3 мм, а разрешение по плотности в 10 %. Этот метод использовал весь широкий пучок, поэтому имел основной недостаток – диаметр круга реконструкции был ограничен до 300 мм. Систему усовершенствовали в течениедесятилет, ионаширокоиспользоваласьвклинике[4].

96

Практически в то же время первый серийный СимКТ был разработан фирмой Oldelft. В системе использовали плоский флуоресцентный экран из оксисульфида гадолиния, который оптически передавал изображение на УРИ и телевизионную камеру. УРИ был смещен в сторону от центральной оси пучка, при этом использовали геометрию половины веерного пучка, где диагонально противоположные проекцииполовиныпучкакомбинировалидляполученияданныхотвсего пучка (рис. 5.1). Было получено пространственное разрешение в 3 мм и разрешение по плотности в 3,5 % внутри круга диаметром 400 мм. Интересно, что система использовала оптический метод с применением преобразователя сканов, который получал восстановленные изображения из 1500 половинных проекций. Цифровая реконструкция этого количества данных была очень медленной при возможностях вычислительнойтехникитоговремени.

В 1984 Arnot et al. [5] применили измеренные проекции половины веерного пучка, используя УРИ с экраном на основе йодида цезия, соединенного с телевизионной камерой. Особенностью конструкции было создание фильтра для свертки, который аппроксимировал SheppLogan [6], с обратным проецированием, происходящим в быстром матричном процессоре, позволяющем восстанавливать изображение почти мгновенно. Они отметилиразрешение по плотности 3–5% внутри круга диаметром 400 мм. Практически в то же время, похожая система была разработана Redpath и Wright [7], которые получали проекции половины веерного пучка через 1° за один полный поворот и объединяли их для создания 180 полных проекций. Свертка и обратное проецирование осуществлялись с применением параллельной системы обработки изображения, что позволило получить реконструированное изображение почти за 20 с. Авторы получили разрешение по плотности 3 % внутрикруга440 мм. Этусистемуиспользоваливклиникевтечение десятилет, делаяприблизительно800 срезовкаждыйгод.

Обегруппыисследователейработалинадпроблемами, связаннымис недостатками применения УРИ, а именно, с неоднородностью интенсивностиоткликаипространственнойнелинейностьюпоплощади регистрации. Искажение изображения происходило также при повороте симулятора из-за влияния магнитного поля земли, что проявлялось при повороте вокруг центра коллимационной щели, используемой для сканирования. Все это доказывало невозможность применения УРИ в качестведетекторадляполучениятомограмм.

97

Еще более сложная проблема заключалась в поддержании видеосигнала внутри области, расположенной вблизи зоны перехода от одного слоя ткани к другому. Практически, толщина слоя ткани меняется от максимума вблизи центра до нуля на границе пучка излучения. Для компенсации этого изменения в радиационной головке симулятора располагали специальный алюминиевый фильтр в форме «бабочки» (bowtie filter) (рис. 5.3). Отметим, что в то время, когда разрабатывались вышеприведенные системы, был доступен только 8- разрядный цифровой преобразователь, что ограничивало возможности улучшениякачестваизображения.

Рис. 5.3. Фильтрввидеполовинки«бабочки» (half bowtie filter), используемый длябольшихполейвСимКТфирмыVarian

Проблемы, связанные с использованием УРИ в качестве детектора, могут быть преодолены, если использовать независимую систему детектирования. Первой такой системой был многоэлементный ксеноновый детектор, состоящий из 120 радиально расположенных датчиков. Позже была разработана оригинальная система, в которой

98

использовали детекторную сборку из 256 кристаллов CdWO4, присоединенных к кремниевым фотодиодам. Проекции полного веерного пучка регистрировали каждые 0,5° или 1,0° в круге реконструкции 540 мм. Разрешение по плотности 0,5% было гораздо ближе к результатам, полученным с помощью диагностического КТсканера. К сожалению, опять выяснилось, что эти аппараты мало полезны для клиники, но проведенная работа определила пути развития симуляторовсфункциейКТ.

Другая группа исследователей разработала независимый детектор, который состоял из стержня пластмассового сцинтиллятора, соединенного с обоих концов с фотоэлектронным умножителем. Собранные данные представляли 100 полных проекций широкого пучка в круге 360°. Разрешение по плотности составило только 13% в круге 460 мм, а времясборарезультатов, равное 5 мин, было чрезмерно долгим для применения в клинике. Однако систему использовали для получения изображений при планировании послеоперационного облучениямолочнойжелезы.

Хотя это открытие представляло интерес для развития аппаратов СимКТ в коммерческих целях, разработки были сокращены. Ведущие производители оборудования для лучевой терапии хотели увидеть, будет ли эта техника успешно внедряться, и будет ли она востребована клиницистами. Так было в начале девяностых. Применялись системы по существу такие же, как описанные в [5] и [7], за исключением того, что использовалось оборудование с более высоким разрешением оцифровки видеоизображения. ВголовкуРСвставлялипредварительныйколлиматор, содержащий фильтр, создающий форму пучка, а второй коллиматор помещалинадУРИ, которыйсдвигаливсторонунавремясбораданныхот половины веерного пучка. Самый большой круг реконструкции имел диаметр 550 мм, при этом получали качество изображения с пространственной разрешающей способностью, меньшей 2 мм, и разрешениемпоплотностилучше, чем2%.

В это время была разработана линейная детекторная система из полупроводников. Так, Elekta применила 288 отдельных детекторов из CdWO4 со считыванием сигнала с помощью АЦП с разрешением 18 бит. В данном динамическом диапазоне нет необходимости применять формирующие пучок фильтры, поэтому использование внешнего детекторанеприводиткповреждениюлюминофораУРИ. Детекторную матрицу можно было легко надеть или снять с УРИ, используя такой

99

же держатель, что и для установки кассеты. Получали срезы шириной от10 ммдо2,5 мм.

Всистеме Siemens детекторная матрица автоматически поворачивалась в позицию держателя кассеты. Диаметр поля реконструкции составил 500 мм при апертуре 1000 мм. Разрешающая способность 1,2 мм, разрешение по плотности меньше 1%, возможная толщинаслоя3,2 мм.

Вобеих системах было доступно поле реконструкции 300 мм при центральном положении детекторов, а данные для получения

изображения собираются внутри дуги 180° за 30 с. Для поля 500 мм детектор автоматически становился в эксцентричное положение, чтобы собрать данные от половины веерного пучка за полный поворот гантри втечение60 с. Применениевнешнегодетекторазначительноупростило использованиеиулучшилохарактеристикиСимКТ.

ОтечественныйСимКТ(топометрическаясистемадлярадиотерапии

– ТСР-100) был создан в НИИЭФА им. Д.В.Ефремова в СанктПетербурге в 2002 г. и работает в Институте Онкологии им. Н.Н.Петрова (рис. 5.4) [8, 9]. Аппарат представляет собой рентгеновский симулятор, в головке которого размещены подвижные нити (рис. 5.5). В качестве приемника изображений использована линейка твердотельных детекторов типа «сцинтиллятор – фотодиод», которая оснащена механизмом перемещения, а для реализации принципа сканирующего веерного пучка симулятор оснащен щелевым коллиматором.

5.2. Требования к симулятору с функцией КТ

Клинически необходимые условия для пространственного и контрастного разрешения и геометрической точности, необходимые для планирования лучевой терапии, зависят от используемых методов облучения: проводится обычная или конформная терапия с вычислением дозы в плоскости или в объеме (2D или 3D). Современный СимКТ подходит только для двумерной радикальной ЛТ. Считается, что погрешность 2 % в расчете дозы соответствует погрешности определения плотности ткани в диапазоне 4–10 % и пространственному разрешению 5 мм. Этого

100