Радиотерапевтическое оборудование

Медицинское оборудование в современной лучевой терапии	41

E+ = E0 sin(w(t			x	)) (6)
			c
Наличие диафрагм в ускорительно й секции позволя-

ет изменять фазовую скорость электромагнитной волны иудерживатьчастицыводнойфазесволной.Длятогочтобы происходило ускорение на бегущей волне,частицадолжна находиться с ней в одной фазе.Электроны инжектируются изэлектроннойпушкисначальнойэнергией50кэВизатем взаимодействуютсэлектромагнитнымполемвускоритель- ной секции,набирая энергии порядка МэВ.

Высокоэнергетические электроны вылетают из вы- ходного окна секции в форме тонкого пучка около 3 мм вдиаметре.Ввысокоэнергетичныхлинейныхускорителях ускорительнаясекцияввидуеебольшойдлины(130–150см)

Рис.16. Схема головки ускорителя: А — облучение фотонами, Б — облучение электронами

42	Библиотека медицинского физика

расположена горизонтально вгантри.Вэтом случае пучок электроновпроходитчерезсистемуповоротныхмагнитов (обычно90или270градусовмеждуускорительнойсекцией и мишенью) в головке гантри.

Головка ускорителя имеет сложную конструкцию для обеспечения широкого выбора энергий и режимов рабо- ты (см. рис. 16). После прохождения через отклоняющие магниты пучок электронов падаетнатормознуюмишень, если аппарат используется в режиме гамма-облучения. Тормозные фотоны возникаютприторможении электро- нов в поле ядра и атомных электронов мишени из веще- ства с высоким атомным номером, например,такого как вольфрам.В результате рассеяния максимальная энергия тормозных фотонов будет равна максимальной энергии электронов первичного пучка,а средняя энергия фотонов примерно равна однойтретьей отмаксимальной энергии электронов.

Замишеньюрасполагаетсяпервичныйколлиматор,ко- торый отсекает частицы с неправильной траекторией. Его форма,аточнеескошенныевнутренниестенки,позволяют добиться минимизации полутени пучка.

После первичного коллиматора в головке ускорителя установлена«карусель»,вкоторойрасположенывыравнива- ющиефильтрыдлявсехнеобходимыхтиповэнергийпучков фотонов, и рассеивающая фольга в случае электронного пучка.Выравнивающийфильтриспользуетсядлятого,что- быпрофильпучкасталравномернымнавсемполе(рис.16, А).Обычно он изготавливаются из свинца,атакже из пла- тины,урана,стали,аллюминия или их сплава в некоторой комбинации.Прииспользованиипотокаэлектронов,пучок падает не на мишень, а на рассеивающие фольги (рис. 16, Б).Онинеобходимыкакдляуширенияпучка(навыходеиз ускорительной секции его диаметр составляет 3 мм), так

Медицинское оборудование в современной лучевой терапии	43

идляполученияоднородногофлюенсаэлектроновнавсем профиле пучка. Первая фольга имеет маленькую толщину

исостоитизметалласвысокиматомнымномером(напри- мер,свинец,тантал).Электроны первичного пучка теряют небольшую часть своей энергии на тормозное излучение, котороеявляетсязагрязняющим.Длятого,чтобыэтогоиз- бежать этого эффекта,толщина рассеивающей фольги для каждой энергии электронов подбирается индивидуально.

Рис.17. Головка линейного ускорителя производства Varian в разрезе

Двесовмещенныеионизационныекамерынаходятсяниже «карусели»ипредназначеныдляконтроляпараметровпучка во времялечения (рис.17).Поданным камер отслеживают мощность дозы, плоскость и симметрию профиля пучка. Камеры запаены в металлический кожух таким образом, чтобыуменьшитьвлияниевнешнихпараметров,такихкак температура и давление.

На выходе в голове ускорителя расположен вторичный коллиматор.Толщинаегосвинцовыхшторокравнапримерно 8смдляослабленияинтенсивностипучкадо~1%,чтоможно

44	Библиотека медицинского физика

рассчитать по формуле ослабления потока γ-излучения от точечного источника.

, (7)

гдеI0 —интенсивностьγ-излучения,измереннаяприборами вотсутствиипоглотителя;Ix —интенсивностьγ-излучения, измереннаяприбором,приналичиипоглотителятолщиной xсм;μ—линейныйкоэффициентослабленияγ-излучения, который характеризует относительное изменение интен- сивности на единицу толщины поглотителя.

Большим прорывом в 1980-е гг. в лучевой терапии ли- нейными ускорителями стала разработка коллиматоров смеханизированнымизменениемформы,такназываемого многолепестковогоколлиматора(MLC,multi-leafcollimator). Онпредставляетсобойсистемуиздесятковтонкихпластин из свинца или его сплава с платиной,расположенных друг напротив друга и плотно соприкасающихся между собой. В современных ускорителях их количество достигает 120, по 60 штук с каждой стороны. Толщина лепестков может варьироватьсяот1смдо1.25мм.Каждаяпластинапередви-

Рис.18. Формы лепестков МЛК

Медицинское оборудование в современной лучевой терапии	45

гается независимо под управлением компьютера. Специ- альныекомпьютерныепрограммы(системыпланирования) сучетомлокализации опухоли издоровых органов задают передвижение каждого лепестка в коллиматоре. В резуль- тате формируется индивидуальный коллиматор, который обеспечиваетоптимальноеоблучениекаждогобольногосо всех направлений.

Очевидно,чтолепесткинеплотноприлегаютдругкдругу, существуетнебольшойзазордлябеспрепятственногодвиже- ниябезсильногомеханическоготрения.Чтобыуменьшить утечкуизлучениячерезтакоймежлепестковыйпромежуток (interleafleakage), применяются так называемые язычки ипазы,потипуключа(Varian,Siemens),либолепесткирас- полагаютсяподнаклономиимеютмолниеобразнуюформу (Elekta),как показано на рис.18.

Для улучшения изодозного распределения втеле паци- ентаиповышениякачествалучевойтерапиииспользуется дополнительное оборудование, такое как клиновидные фильтры(ручные,встроенныеидинамические),свинцовые блоки,болюсы,многолепестковыеколлиматоры,устройство электроннойпортальнойдозиметрииикомпьтернаятомо- графиявконическомпучке.Некоторыеизнихидутвходят в пакетпоставки аппарата,другие необходимо заказывать какдополнительныйакссесуар.Причемобязательнодляих работытребуетсяотдельнопрограмноеобеспечение,которое не входит в исходный комплект поставки оборудования.

Присложнойформеопухолиилиееблизкомвытянутом расположениикповерхностителапациента(например,при раке молочной железы) используются клиновидные филь- тры, сделанные из свинца (рис. 19). При облучении такого рода опухолей открытым полем возникает негомогенное распределениеизодозыпобиссектрисеугла,котороеможно компенсировать при помощи данных клиньев. Профиль

46	Библиотека медицинского физика

пучкатакимобразомперестаетбытьплоскимистановится наклонным, с таким же углом, как у клина. Это позволяет снизить дозу у поверхности опухоли и повысить в её цен- тральной части.

Рис.19. Клинья производителя Siemens различного наклона

Клиновидный фильтр устанавливается между головкой аппарата и пациентом. Кроме того, важно отметить, что использование свинцовых клиньев приводит к увеличе- нию времени лечения пациента. В современных моделях линейныхускорителейклиновидныефильтрыреализованы другим способом, значительно упрощающим их исполь- зование.Вместо внешних приспособлений в роли клиньев выступают шторки коллиматора, также изготавлемые из свинца.Эффектдостигается за счетих движения с некото- рой постоянной скоростью со старта и до конца лечебного поля, в зависимости от желаемого угла наклона плоскости пучка.Чеммедленнееперемещаетсяшторка,тембольший угол возможно получить.

Врежимеработыэлектронногопучкадляприданияему формы,максимальноприближеннойкопухоли,используются

Медицинское оборудование в современной лучевой терапии	47

индивидуальные блоки из сплава Вуда. Это связано с тем, что при взаимодействии электронов с корпусом головки ускорителя,многолепестковымколлиматоромивоздушной средойвозникнетбольшоеколичестворассеянногоизлуче- ния.Поэтому,блокустанавливаетсяв5–10смотповерхности телапациента.Самблоквставляетсявспециальныйаппли- катор, который в свою очередь устанавливается в разъем вколлиматоре(рис.20).Взависимостиотразмераполяне- обходимоподбиратьподходящиеаппликторыстандартных размеровотнебольших10х10см2 до40х40см2,квадратных или прямоугольных.

Рис.20. Аппликатор с блоком из сплава Вуда фирмы Varian

СплавВудабылвыбрандляблоковврадиотерапиизасвои физические свойства,так как он имеетнизкуютемперату- ру плавления — 68,5 °C и плотность, близкую к плотности свинца—9,4г/см3(83%плотностисвинца).Послесоздания

48	Библиотека медицинского физика

плана облучения, медицинский физик загружает размер иформублокаваппаратвырезкишаблонов,гдесоздаются формы для последующей заливки сточностью до 1 мм.

Всовременнойлучевойтерапиибольшуюрольиграетве- рификацияположенияобъемаопухолииостальныхорганов, черезкоторыеможетпройтипучок,передлечением,атакже непосредственного распределения дозы в лечебном плане. В наше время такая терапия называется лучевой терапией с визуальным контролем (IGRT, Image guided radiotherapy).

Раньшедляэтогоиспользовалисьспециальныепортальные пленки, которые затем обрабатывались и физики могли сравнитьреальноераспределениедозысрасчетным.Сейчас ихместозанялиустройстваэлектроннойпортальнойвизуа-

лизации(EPID,Electronicportalimagingdevices).Вотличиеот пленокданныеустройствапозволяютполучатьизображения вреальномвременидоначалаиливовремялеченияпациента. Устройстваэлектроннойпортальнойдозиметриипредстав- ляют собой плоские панели ствердотельными аморфными кремниевымидетекторами.Аморфныйкремнийиспользуется из-засвоейвысокойрезистентностикрадиационномуизлу- чению.Такиепанелидостаточнокомпактныдляразмещения их на выдвижной руке из корпуса гантри (рис.21).

Рис.21. Слева пример портального изображения, справа схема использования устройства портальной дозиметрии

Рис.22. Встроенная визуализация. Рентгеновский источник и детектор

Медицинское оборудование в современной лучевой терапии	49

Принцип работы заключается в следующем: Сцинтил- ляторпреобразуетжесткоегамма-излучениевфотоныви- димого света. Они регистрируются массивом фотодиодов, расположенных на аморфной кремниевой подложке для дальнейшей обработки компьютером.

Другимспособомверификациивсовременныхлинейных ускорителяхявляетсякомпьютернаятомографиявконическом пучке (cone-beam computed tomography, CBCT). В обычном аппаратекомпьютернойтомографиииспользуетсякольцо, накоторомрасположенисточникидетекторынапротивнего. Темнеменее,возможнорасположитьдетекторынаплоско- сти,а не надуге окружности,что и применяется в компью- терной томографии в коническом пучке. Во время записи регистрируетсясерияплоскостныхизображенийсразличных направлений, пока детектор и источник вращаются на 180 и больше градусов вокруг пациента.Этих изображений до- статочнодляреконструированиятрехмерногоизображения.

Снимкипроизводятсяобычнонепосредственнопередса- мимлечениемисовмещаютсясреференснымиизображения- ми,которыебылисделаны во время симуляции или разметочных процедур.

Так как изоцентр, и, со- ответственно, положение стола, ускорителя и диа- гностического аппарата компьютерной томогра- фии связаны между со- бой,топослесовмещения изображений,полученные сдвигипереводятсявсме- щениядлястолавлечебной комнате. Киловольтный

50	Библиотека медицинского физика

источникидетекторрасполагаютсятакже,какиустройство портальной визуализации, на выдвижных руках корпуса гантри (рис.22).

Существенную сложность представляет облучение подвижных органов. Разработаны несколько методик, позволяющих отслеживать дыхание пациента и, либо корректировать направление воздействия излучения, либоприостанавливатьегодовозвращениявдопустимый диапазон положений.

В целом они схожи и называются респираторным кон- тролем(RespiratoryGating).Чащевсегоониспользуетсяпри лечении метастазов в легких, ребрах или печени, а также при облучении молочной железы. Суть метода заключа- ется в следующем. На подвижной части поверхности тела пациента устанавливается небольшой маркер-блок со све- тоотражающиминаклейками.Напротивнегорасполагается камера с инфракрасными излучателями и датчиками для отслеживания положения маркер-блока. Во время сеанса компьютернойтомографиипроизводитсязаписькомпью- тернойтомограммысзадержкойдыханияиодновременно определяютсяграницынаположениемаркер-блока.Вовремя лечениякамераснимаетположениемаркер-блока,иеслион попадает в заданные рамки,то линейный ускоритель дает пучок, как только маркер-блок выходит за рамки, пучок приостанавливается (рис.23).

Другойметодсостоитвведениинебольшихзолотыхзерен

вопухольиотслеживанииихположенияприпомощиконус- но-лучевой компьютерной томографии во время лечения.

Обычно лучевая терапия длится 30–40 курсов, и при этом необходимо соблюдать точность укладки пациента

впределах половины сантиметра. Для этих целей исполь- зуютсяразличныеметодыфиксацииположенияпациента, начиная от фиксирующих масок, до надувных матрасов