Климанов Радиобиологическое и дозиметрическое планиров. Ч.1 2011

геометрическая точность. Этот и следующий разделы этой главы посвящены анализу последней проблемы (за основу взяты материалы обзорных работ [8,21,22]). Геометрическая точность, в свою очередь, обусловлена корректным позиционированием пациента и учетом перемещения пациента и отдельных органов. Эти вопросы интенсивно изучаются последние десятилетия. И хотя многие сложные ситуации еще требуют дальнейших исследований, в настоящее время уже можно оценить величину отдельных неопределенностей в подведении дозы, обусловленные вариацией позиции пациента и перемещением органов.

12.1. Общее описание проблемы геометрической вариации

МКРЕ в своих публикациях 50 и 62 разработала концепции, позволяющие стандартизировать способы представления отчетов и публикации доз. Большинство этих концепций были одобрены и внедрены как стандарты в клиническую практику. Ключевыми структурами, требующими оконтуривания, в рекомендациях МКРЕ являются понятия «определяемого объема опухоли» – GTV и «органов риска» – OAR (см. раздел 8 главы 3). Следующим объемом интереса является «клинический объем мишени» – CTV. Последний включает вероятное пространственное распространение злокачественного процесса в соседние ткани.

Геометрическая неопределенность влияет как на объем мишени, так и на объем OAR. Для того чтобы гарантировать адекватное покрытие мишени, CTV расширяют. Внутреннее движение органа включается во внутреннюю границу (англ. IM), окружающую CTV и ограничивающую снаружи объем мишени (англ. ITV). Погрешности укладки пациента влияют на границу укладки (англ. SM) вокруг ITV, ограничивающую «планируемый объем мишени» – PTV.

При исследовании пациента с целью «обрисовки» CTV и критических структур производится выбор позиции (укладка пациента). Этот выбор делается один раз конкретно для выполнения КТ сканирования. Пациент при этом фиксируется и позиционируется с помощью типовых референсных меток, размещаемых на коже и/или на иммобилизационном устройстве относительно главных осей КТ сканера для верификации позиции и ориентации. Данный

301

выбор служит опорной моделью при планировании облучения и всех последующих «нацеливаний», и определении распределений плотности.

Предположим, что такое сканирование для планирования облучения повторяется несколько раз в течение курса типового фракционного облучения. Если не проводить специальной привязки референсных меток между отдельными сканированиями, то для каждого скана будет создаваться своя модель пациента, отличающаяся от других как в местоположении, так и в конфигурации. Эти вариации могут быть небольшими при хорошей воспроизводимости, но возможны и значительные отличия. Предположим теперь, что такие действия выполняются с целью воспроизведения местоположения пациента так, чтобы внешние референсные метки выстраивались в линию относительно лазеров КТ сканера. Подобный процесс в результате сгенерирует множество местоположений пациента и конфигураций КТ сканов. Вариация этих сканов определяет пределы, в которых конфигурируются внешняя опорная последовательность меток и местоположение пациента.

Таблица 4.5

Некоторые результаты измерения вариации местоположения отдельных частей тела [21]

Авторы	Часть тела	Результаты измерений
Хонг и др. [23]	Голова/шея	Средняя погрешность 6,7 мм
		σ = 3,63 мм
Мичальски и др. [24]	Различные части	6 % из мониторированных фракций
		имели погрешность > 10 мм
Мейджер и др. [25]	Мочевой пузырь	3 мм (1 σ)
Марш и др. [26]	Голова/шея	Интервал до 4,5 мм (облучение в те-
		чение 5 недель)
Пизани и др. [27]	Различные части	Средняя погрешность
		6,6 +/– 2,4 мм
Вебер и др. [28]	Простата	1,9 – 2,2 мм (систематическая)
		3,6 мм (случайная)
Ван де Стин и др.	Грудная клетка	Случайная σ = 4,5 мм – продольная,
[29]		σ = 5,7 мм – поперечная

Амплитуда вариации местоположения в последние два десяти-

летия изучалась в ряде госпиталей. В табл. 4.5 приводятся, собран-

302

ные в работе [21], некоторые из полученных экспериментальных результатов и указывается оценка ожидаемого диапазона вариаций. Однако эти данные специфичны для каждого госпиталя, иммобилизационного оборудования и методики измерения.

Многократная выборка позиции пациента (только трансляция, т.е. параллельное перемещение) будет образовывать распределение рассеяния относительно КТ скана, принятого при планировании облучения в качестве отображения пациента. Пример такого распределения приводится на рис. 4.35.

Рис. 4.35. Распределение рассеяния позиции пациента при многократной выборке (вокруг двух осей) относительно отображения пациента, полученного при томографии и принятого при планировании облучения [21]

Примем позицию (местоположение), имевшую место при первоначальном КТ сканировании, за «истинную» позицию пациента и условимся рассматривать среднюю координату этого распределения как систематическую погрешность. Разброс выборочных позиций около средней координаты представляет случайную вариацию укладки (см. рис. 4.35). Отметим, что КТ скан, принятый при планировании облучения, не отражает среднюю позицию пациента, в лучшем случае, он является одним из выборочных значений позиции.

Предположим теперь, что позиционирование может быть описано распределением Гаусса. Тогда средняя величина погрешности любого выборочного значения порядка 0,8 σ и можно показать, что типичная разность между двумя выборочными значениями приближенно равна 1,1 σ. В табл. 4.6 приводятся некоторые вариации случайной выборки, измеренной, исходя из местоположения пациентов, и оцененной через ежедневную визуализацию.

303

Таблица 4.6

Случайные вариации в позиции разных частей тела, измеренные с помощью ежедневной визуализации пациентов [17]

Части тела	Средняя σ	Интервал σ
Почечная лоханка	3 мм	1–7 мм
Голова и шея	2 мм	1–5 мм
Грудная клетка	4 мм	1–12 мм

В данной простой модели не учитывается ряд факторов. Наиболее важный из них – отсутствие временного тренда в позиционировании пациента. Он не всегда имеет место, вместе с тем такой тренд может различаться для разных частей тела, и поэтому требует отдельного учета.

Очевидно, что вариации укладки пациентов требуют введения дополнительных контуров, чтобы обеспечить полное покрытие мишени. Расширение с этой целью CTV проводится через введение границы (контура) укладки SM. Результатом является образование PTV. Сокращение размеров SM приводит к уменьшению объема нормальной ткани, находящейся в области высокой дозы, и, следовательно, может уменьшить токсичность облучения нормальных тканей. Поэтому исследованию проблемы точного позиционированию пациентов и реализации ее на практике уделяется большое внимание.

12.2. Методы коррекции позиции

12.2.1. In-line коррекция

Как правило, in-line корректировку позиции относят к процессам измерения и коррекции погрешности укладки, которые проводятся в начале каждого фракционного облучения. Эта область, на которую нацелено большинство последних технических разработок. Этот процесс состоит из трех, а иногда и четырех этапов: измерение, принятие решения и корректирование. Четвертым этапом может быть верификация.

Системы измерения включают сбор данных и их анализ. Данные могут приходить от устройств визуализации (рентгенография, КТ сканирование, ультразвук, видео) или различных маркеров

304

(электромагнитных, внешние координатные метки и др.). Анализ заключается в сравнении референсных изображений или позиционной информации с таковыми, собранными перед началом сеанса облучения. Принятие решения является процессом выбора на базе результатов измерений: корректировать или нет. При принятии решения следует учитывать, что системы измерения и технологии коррекции не являются совершенными и могут в определенных обстоятельствах увеличить ошибки в укладке. Использование пороговой концепции позволяет достичь компромисса между «стоимостью» (частотой корректировки) и реальным выигрышем (действительное уменьшение погрешностей). На рис. 4.36 показана зависимость стоимости от величины порога для коррекции укладки при облучении простаты, а на рис. 4.37 демонстрируется влияние стратегии позиционирования на размеры контура для разных значений систематической ошибки.

Рис. 4.36. Зависимость стоимости (частоты корректировки) от порога принятия решения для in-line коррекции позиции, полученная для пациентов с облучением тазовой области, используя σ = 6 мм [21]

12.2.2. Off-line коррекция

Исследование дозиметрического влияния погрешности позиционирования [30–33] показало, что систематическая погрешность укладки оказывает наибольшее воздействие на размеры контура,

305

требуемые для адекватного дозового покрытия мишени. В то же время геометрическое расширение контура, необходимое для учета случайных погрешностей в общем невелики (около одного σ). Отсюда следует вывод, что наибольшую выгоду можно получить от стратегии, которая направлена на быстрое уменьшение систематической погрешности укладки. Для минимизации систематической

погрешности разработан ряд методов. Наиболее общими из них являются стратегия «сжимания уровня» (англ. shrinking action level (SAL)) и стратегия « уровень нулевого действия» (англ. no action level (NAL)) [34–36].

Рис. 4.37. Зависимость размеров контура от порога корректировки для разных значений систематической погрешности (σ = 4 мм для укладки, σ = 1,5 мм для не-

определенности при измерении, σ = 1 мм для неопределенности при коррекции)

[21]

В протоколе SAL укладка верифицируется ежедневно для первых нескольких фракций, коррекция же проводится с допусками, которые уменьшаются по величине с каждой следующей фракцией. Эта стратегия показала многообещающие результаты.

306

В протоколе NAL используются визуализация для n фракций (обычно 3 – 5). Эти изображения анализируются off-line (таким образом, минимизируется время простоя облучательной машины). С помощью усреднения позиции для нескольких анализируемых фракций создается наилучший прогноз систематической ошибки. Перед облучением следующей фракцией проводится корректировка позиции на базе этого прогноза. Тестирование данного протокола показало драматическое уменьшение систематической ошибки. В табл. 4.7 приводятся средние погрешности для различных частей тела, определенные на основе четырех дневной визуализации. Корректировка позиции пациентов проводилась на первой фракции. Изображения с трех последующих фракций передавались для off-line анализа. Систематические ошибки, выявленные на этапе off-line анализа, впоследствии не изменялись и учитывались при облучении остальными фракциями.

Таблица 4.7

Средняя погрешность в позиционировании, выявленная после анализа четырех фракций [17]

Часть тела	Поперечная, мм	Передне-задняя,	Краниаально-
		мм	каудальная, мм
Почечная лоханка	3,1	2,5	2,6
Грудная клетка	3,3	3,8	3,7
Живот	2,9	2,6	3,9
H/N	2,5	2,5	3,0

12.2.3. Адаптивная коррекция

Адаптивная стратегия коррекции впервые была предложена в работе [33]. Адаптивный метод углубляет концепции in-line и offline стратегий. Существенно, что перед началом специфических измерений пациента считается, что вариабельность позиции пациента соответствует популяционной модели. Далее по мере сбора информации о вариации позиционирования пациента (например, через многократное КТ сканирование или ежедневную портальную визуализацию) модель улучшается, и прогноз, получаемый из этого уточнения модели, используется для корректировки позиции и

307

контуров. Частота последующих измерений также корректируется. По мере возрастания уверенности в улучшении позиционирования пациента частота измерений корректируется и становится более редкой. Такая стратегия формирует основу для модификации плана, которая является предметом активных исследований и развития в ЛТ.

12.3. Движение органов

Внутреннее движение органов выступает еще одним, иногда очень важным фактором в геометрической неопределенности, лимитирующей уменьшение PTV. Наиболее изученной формой движения органов является перемещение простаты и перемещения в грудной клетки и животе, вызванные дыханием пациентов. Прекрасный обзор этой проблемы сделан в работе [38].

Вариабельность местоположения простаты представляет собой комбинацию вариации укладки таза пациентов и внутреннего перемещения простаты в пределах почечной лоханки. Первичными факторами, влияющими на смещение простаты является заполнение прямой кишки и мочевого пузыря. Большая часть пациентов с раком простаты облучается в позиции лежа на спине, так как это более удобно для пациентов и проще контролировать и корректировать укладку пациентов. В ряде работ доказывается преимущество позиции лежа на животе, обусловленное разделением стенки прямой кишки и простаты. Однако в этой позиции увеличивается внутреннее перемещение простаты, связанное с дыханием, а также возрастает погрешность укладки.

Амплитуда типичного перемещения простаты составляет 1 см и меньше в передне-заднем направлении и меньше, чем 0,5 см в ле- вом-правом направлении. Эти перемещения можно уменьшить с помощью диеты и специального баллона, вставляемого в прямую кишку.

Много усилий было сфокусировано на проблеме перемещения тканей, связанной с дыханием пациентов. Дыхание является сложным процессом, оно контролируется как сознательно, так и автоматически. Для контроля дыхания возможно использование различные комбинации мышц грудной клетки и живота, поэтому форма пациента может быть разной при одной и той же фазе дыха-

308

ния. Дыхание каждого пациента специфично, поэтому применение популяционных моделей многие авторы считают нежелательным. Хороший обзор этой проблемы, а также влияния сердцебиения сделан в работе [39].

К настоящему времени предложен целый ряд различных технологий для управления дыханием. Наиболее общей из них является технология «отпирания-запирания» пучка в определенные фазы дыхания. Для мониторирования процесса используются различные внешние маркеры. При таком подходе, правда, уменьшатся эффективность использования пучка, поэтому есть поле для компромиссного решения [40,41].

Другая тоже часто используемая технология заключается в активном контроле дыхания. Впервые предложенная в работе [42] технология включает использование устройства мониторирования дыхания и «запирание» дыхания при вдохе на данной фазе дыхательного цикла и/или определенного объема выдыхаемого воздуха.

Исследования показали хорошую воспроизводимость в течение короткого времени позиции мишени в грудной клетке и животе. Однако точность воспроизводимости уменьшается на длинном временном отрезке. Хорошим решением является применение методики визуализационного управления (англ. image-guided) на старте фракции и второй методики в течение фракционного облучения.

Более сложные технологии управления перемещением органов при дыхании включают прослеживание траектории мишени. Оценка траектории используется для корректировки стола, ориентации ускорителя или апертуры поля. Такие системы находятся сейчас на начальной стадии развития.

13. Позиционирование и иммобилизация пациентов

Как правило, план облучения требует совмещения центра объема мишени с изоцентром машины и нацеливания на центр мишени пучков различной апертуры, испускаемых при разных углах гантри и/или стола (рис. 4.38,А). Каким образом следует расположить пациента, чтобы гарантировать, что мишень будет находиться в изо-

309

центре? Предположим для простоты, что пациент представляет собой жесткое твердое тело с плоской задней поверхностью, и поэтому объем опухоли и все окружающие органы как бы заморожены. Тогда укладка пациента будет достаточно простой и хорошо определенной.

Пусть пациент лежит на спине на плоском, абсолютно горизонтальном столе. Тогда для локализации центра мишенного объема будет достаточно одной точки (координатная метка, часто татуировка или несмываемые чернила), размещенной на передней поверхности кожи, при условии, что из предварительной визуализации известна глубина расположения d этого центра относительно поверхности. При вертикальном угле гантри и направленной вниз центральной осью пучка стол машины подгоняется в направлениях влево-вправо, голова-ноги, пока оптический визир не пересечется с кожной координатной меткой. Далее регулируется высота стола пока оптический указатель расстояния (англ. ODI) не покажет, что расстояние поверхность-мишень ускорителя TSD = TAD – d (обычно расстояние мишень ускорителя-ось TAD фиксировано и равно 100 см). Таким образом, центр мишени совмещается с изоцентром машины.

Последние модели ускорителей имеют высокоточные моторизированные столы, перемещение которых контролируется компьютером. Дополнительно к горизонтальному и вертикальному перемещению такой стол может вращаться вокруг вертикальной оси, обеспечивая возможность сложного некомпланарного облучения. Описанная выше простая процедура позиционирования в этом случае будет уже недостаточной и для модели «твердого» пациента. При вращении стола с пациентом, даже если центр мишени остается совмещенным с изоцентром, полный объем мишени и окружающих органов будут облучены не так, как планировалось.

Современные симуляторы для ЛТ, виртуальные симуляторы и кабинеты облучения оборудованы, по крайней мере, тремя лазерами. Два из них укрепляются на боковых стенах слева и справа от пациента, направлены горизонтально и проходят через изоцентр машины. Третий лазер укрепляется на потолке и указывает прямо на изоцентр. Все кабинеты (симуляции, КТ и др.) имеют одинаковое лазерное оснащение. Если пациент лежит на столе, то его система координат определена и к точкам, где пучки лазеров пересе-

310