Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

генерируются CT-числа, которые связаны с коэффициентами ос-

лабления. Нормализованные КТ-числа (-1000 для воздуха и + 1000 для кости) называют числами Хаунсфильда (Hounsfield):

H	tissue water 1000 ,	(4.1)
	water

где μ – линейный коэффициент ослабления.

Рис. 4.3. Пример изображения внутренней структуры головы, полученный с помощью КТ

Хотя КТ-числа коррелируют с электронной плотностью, эта связь не является линейной во всем диапазоне плотностей. Нелинейность вызывается атомным номером тканей. На рис. 4.4 видно, что связь линейна между легкими и мягкой тканью и нелинейна между мягкой тканью и костью.

Информация от КТ очень полезна в двух аспектах:

а) очерчивание объема мишени и окружающих структур в отношении внешних контуров;

251

б) количественные данные (распределение ρe) для определения поправок на гетерогенность ткани.

С практической точки зрения первый аспект более важен, чем второй. Даже поправку на гетерогенность для пучков мегавольтного излучения можно выполнить с приемлемой точностью, используя литературные данные по электронной плотности органов и КТ

–поперечные сечения для определения протяженности негомогенности. Авторитетные медицинские физики утверждают [6]: «Наиболее серьѐзные ошибки в расчете дозовых распределений вызываются неточным очерчиванием геометрических контуров тканевых негомогенностей. Менее суровые ошибки в дозовых расчетах вызываются использованием неточных относительных электронных плотностей для негомогенностей при условии точного внешнего контура».

КТ - числа

500

300

100

-100

-300

-500

-700

-900

головка бедра

кровь

подкожный жир

легкие

0.51.0 1.5

ρе ρH2O

Рис. 4.4. Типовая зависимость чисел Хаунсфильда от электронной плотности для разных видов тканей и органов

252

4.3.3. Магниторезонансные исследования

Магниторезонансное исследование (МРТ) представляет собой важное дополнение к КТ, особенно при оконтуривание мишени. Хотя его чаще применяют для получения изображения в аксиальных сечениях, с помощью МРТ возможно получение изображений также в коронарной и сагиттальной плоскостях.

В основе МРТ лежит измерение радиочастоты излучения, возникающего при изменении состояния спина ядер водорода в присутствии сильного магнитного поля. В то время как КТ связана с различием в коэффициентах ослабления излучения в зависимости от атомного номера и плотности электронов в тканях, относительная интенсивность пикселей на МРТ изображениях является функцией плотности протонов и времени спиновой релаксации в разных тканях.

В силу принципов МРТ и восстановления изображения костные структуры не создают ответного сигнала, т.е. проявляются на изображении как черные участки, в то время как небольшие различия в составе тканей легко различаются. Для иллюстрации на рис. 4.5 представлены КТ и МРТ изображения черепа. Основное преимущество МРТ перед КТ заключается в лучшей демонстрации особенностей опухолей и мягких тканей.

Рис. 4.5. Сравнение КТ изображения (слева) и МРТ изображения черепа [7]

253

4.3.4. Ультразвуковое исследование

Ультразвуковое обследование является дешевым, относительно простым и легко переносится пациентами. Оно обеспечивает разумную визуализацию опухоли, когда она находится недалеко от пробника, и не подходит для визуализации глубоко расположенных опухолей. Кости значительно ограничивают глубину проникновения ультразвука и их изображения недостаточно детальны. В последние годы удалось существенно повысить качество ультразвуковой визуализации за счет разработки специальных датчиков, вводимых внутрь пациента в различные полости.

Из-за разницы в скорости распространения звука возможно появление геометрических искажений. Другим недостатком ультразвуковых исследований является невозможность получать полные трехмерные данные.

4.3.5. Позитронная эмиссионная томография

Позитронная эмиссионная томография использует эмиссию позитронов и биологически активные молекулы. Таким образом, ПЭТ визуализация отражает скорее биологическую функцию тканей и органов, чем их структуру, и предоставляет дополнительную информацию к КТ и МРТ визуализации. От ПЭТ получают 3- мерный массив данных, который передается в компьютер системы планирования. Эти данные могут сыграть полезную роль в определении краевых участков плохо определяемых, но метаболически высокоактивных опухолей, как, например глиома в мозге. КТ и МРТ изображения не дают достаточной информации, относящейся к вовлечению в злокачественный процесс региональных лимфатических узлов, особенно когда эти узлы еще мало увеличились. Напротив, ПЭТ способна определить вовлечение как узла пограничного размера, так и наличие опухолевого процесса в узлах, кажущихся нормальными при КТ и МРТ диагностики. Поэтому ПЭТ можно использовать для прямой оценки CTV, так как она дает важную информацию о микроскопическом распространении заболевания. Особенно полезна ПЭТ в диагностике опухолей головы, шеи и легких.

254

Рис. 4.6. Изолированный метастаз в правом легком, видимый на ПЭТ изображениях: а) – коронарный срез через метастаз; b) – результат 3-мерной реконструкции в режиме проецирования с максимальной интенсивностью [7]

По причине низкой разрешающей способности по сравнению с КТ и МРТ, позитронный томограф часто объединяют с рентгеновским томографом для одновременного получения наборов двух изображений. Дополнительным преимуществом такого решения

255

является то, что данные по распределению плотности, получаемые от КТ, позволяют существенно улучшить качество ПЭТ изображений. Главным недостатком ПЭТ является достаточно высокая стоимость аппаратуры. Пример ПЭТ изображения метастазов в легких показан на рис. 4.6.

4.3.6. Плоскостная радиография

Преимущество плоскостной радиографии (или рентгенографии) заключается в простоте получения и интерпретации. Однако очень важно, чтобы геометрия этого исследования была такой же, как и при облучении. Поэтому его рекомендуется проводить на специальном устройстве, называемом симулятором (см. ниже). Рентгеновское обследование может применяться для определения первичных опухолей в легких или вторичных опухолях в костях, где получается сравнительно высокий контраст между опухолью и окружающими тканями. Надежность такой 2-мерной радиографии является достаточной при планировании неконформного облучения в тех случаях, когда неточное определение контура мишени не имеет большого значения, а токсичность нормальных тканей не очень велика, если применяются относительно низкие дозы облучения. Рентгенография с увеличенным контрастом является полезной при идентификации положения органа в целом.

5.Симулирование и проверка облучения

5.1. Симулирование (имитация) лучевой обработки

Перед процедурой облучения рекомендуется проводить как бы его "репетицию" на специальном устройстве – симуляторе. Симулятор – это аппарат с диагностической рентгеновской трубкой, который копирует облучающее устройство в плане геометрических, механических и оптических свойств, и имеет радиографическую и флуоресцентную систему. Главная функция симулятора – отображение полей облучения с целью аккуратного обозначения объема мишени для уменьшения облучения нормальных тканей. Выполнение процедуры симулирования позволяет, в частности, провести:

- определение позиции пациента при облучении;

256

-идентификацию объемов мишени и ОР;

-определение и верификацию геометрии облучения;

-генерацию симуляционных рентгенограмм для каждого пучка,

используемого при облучении, с целью сравнения их с контрольными снимками (англ.―film ports‖( пленочные порты)) во время об-

лучения пациента; - получение данных о пациенте, необходимых для планирова-

ния.

С помощью радиографической визуализации внутренних органов можно проводить корректное позиционирование полей и защитных блоков относительно внешней разметки.

Необходимость в симуляторах связана со следующим:

-геометрическое соответствие между радиационным пучком и внешней и внутренней анатомией пациента не может быть сдублировано на обычном рентгеновском аппарате;

-хотя локализация поля и определяется на контрольном снимке (пленочном порте), качество радиографии является неважным для фотонов высокой энергии;

-локализация поля – времязатратный процесс, который существенно уменьшает эффективность использования терапевтических машин;

-во время симуляции можно решить непредвиденные проблемы укладки пациентов или техники облучения, экономя время зала облучения.

При отсутствии в клинике специализированного симулятора процедуры симуляции можно выполнить и непосредственно на самом облучателе, используя устройства для выполнения контрольных снимков (пленочные порты). Однако такой вариант не позволяет решить многие задачи и является экономически невыгодным.

Большие перспективы открываются перед компьютерными системами виртуальной симуляции, использующими информацию от КТ.

Эти перспективы связаны с возможностью создавать при помощи программной обработки КТ-данных синтетические цифровые рентгенограммы (ЦР) пациента для произвольных геометрий (рис.

4.7). Такие ЦР получаются путем лучевого анализа от точки виртуального источника излучения через КТ-данные пациента к виртуальной плоскости пленочного детектора. Сумма коэффициентов

257

ослабления вдоль определенного луча дает количественный аналог оптической плотности радиографической пленки. Такие суммы вдоль множества лучей от виртуального источника затем визуализируются в соответствующей позиции на виртуальной пленке.

В настоящее время возможности виртуальной симуляции активно используются для получения изображений с точки зрения пучка, т.е. от источника через пациента. В английской литературе этот прием называется ―Beam’s eye view ‖ (BEV), в отечественной литературе часто используется термин «вид в пучке».

Рис. 4.7. Рентгенограмма, реконструированная в цифровом виде

Отметим следующие особенности BEV:

•BEV является проекцией осей пучка, границ поля и выделенных структур через пациента на соответствующую виртуальную плоскость пленки;

•BEV часто накладывается на соответствующую ЦР (цифровую рентгенограмму), создавая таким образом синтетическое симуляционное изображение;

258

• форма поля определяется как по отношению к анатомии, визуализированной на ЦР, так и по отношению к выделенным структурам, проектируемым с помощью BEV ( рис. 4.8).

Рис. 4.8. Цифровая рентгенограмма с наложением проекции от источника ( beam’s eye view) для бокового поля для пациента с опухолью простаты

5.2. Верификация (проверка) облучения

Верификация (проверка) лучевого лечения включает:

• штатные порты машины (пленочные порты или ―on line‖ визуализационные системы) и сравнение их с симуляционной радиографией или с ЦР;

259

• проведение ―in vivo‖ дозиметрии с помощью диодов, термолюминесцентных дозиметров и других детекторов.

Чаще всего для верификации применяются пленочные порты. Пленочный порт представляет собой пленку с эмульсией, которая располагается в зоне пучка за пациентом. Главная цель пленочного порта – верификация облучаемого объема в реальных условиях лучевой обработки. Хотя качество изображения мегавольтных пучков на пленочном порте хуже, чем с помощью диагностической или симуляционной пленки, эта процедура является в клиниках обязательной, так как выполняет роль официальной записи (регистрации).

В настоящее время получают распространение электронные портальные системы, использующие флуоресцентные экраны и ви-

деокамеры, регистрирующие изображение, матричные ионизационные и кремниевые детекторы (англ. electronic portal).

6. Поправки на нерегулярность контуров

До сих пор мы рассматривали дозовые распределения, полученные в стандартных условиях, которые включают гомогенную тканеэквивалентную среду единичной плотности и нормальное падение пучка на плоскую поверхность. Реальные же условия лучевого лечения сильно отличаются от стандартных. Поэтому важным этапом дозиметрического планирования является введение поправок на негомогенность тела пациента, нерегулярность формы контуров пациентов и наклонное падение пучков. Ниже рассматриваются методики расчета поправок на нерегулярность контуров, обзор которых приводится в работе [8].

6.1. Метод эффективного РИП ( SSD)

Пусть SS – нерегулярный контур (рис.4.9). Необходимо определить процентную дозу в точке А относительно Dmax в точке Q при наличии дефицита ткани h над точкой А.

Так как PDD не быстро меняется с РИП (когда РИП велико), относительное глубинное дозовое распределение вдоль линии, соединяющей источник и точке А, не изменится, если изодозовую

карту опустить на расстояние h и установить на позицию S’ – S’.

260