Наука - практике

В докладах на прошедших в апреле этого года ПКК по физике конденсированных сред и по ядерной физике были представлены первые результаты в разработке методики объемной конформной (то есть совпадающей с формой мишени) протонной лучевой терапии на медицинском протонном пучке фазотрона ЛЯП ОИЯИ.

Лучевая терапия (радиотерапия) играет важную роль в лечении как злокачественных, так и многих доброкачественных новообразований. Главная цель или идеология лучевой терапии заключается в том, чтобы подвести высокую дозу радиации к опухоли, при этом минимально облучая, либо, в идеале, не облучая вообще (что на практике недостижимо) нормальные ткани и органы.

В настоящее время во всем мире радиотерапия проводится, в основном, с применением пучков гамма-лучей, получаемых либо от радиоизотопов (например, так называемые кобальтовые пушки), либо от тормозного излучения высокоэнергетичных ускоренных электронов. В большинстве случаев это излучение в достаточной мере позволяет решить сформулированную выше задачу. Однако, когда рядом с мишенью, подлежащей облучению, расположены жизненно важные и радиочувствительные структуры и органы, традиционная радиотерапия часто оказывается бессильной. Это объясняется тем, что поражающее действие гамма-излучения спадает экспоненциально по мере проникновения в вещество, поэтому здоровые ткани, расположенные на пути пучка, облучаются большей дозой, чем сама мишень. Кроме того, облучению подвергаются также ткани и органы, находящиеся за мишенью. Второй недостаток гамма-лучей - это недостаточно резкий спад дозы по боковым границам пучка в силу специфики взаимодействия этого излучения с веществом. Поэтому не всегда удается сфокусировать дозное распределение соответствующим образом на мишень, с чем в первую очередь и связаны ограничения традиционной лучевой терапии.

Во второй половине прошлого века после появления протонных ускорителей на достаточную (70-250 МэВ) энергию частиц были начаты исследования по применению протонных пучков в радиотерапии. В отличие от гамма-лучей, доза от протонного пучка увеличивается с проникновением его в ткань и имеет четко выраженный максимум (так называемый пик Брэгга), за которым доза очень быстро, на расстоянии нескольких миллиметров, уменьшается практически до нуля. Кроме того, боковые градиенты такого пучка также существенно лучше, чем у гамма-лучей. Все это позволяло надеяться на повышение эффективности радиотерапии и расширение возможностей метода.

На сегодняшний день более чем в 20 ядерно-физических и медицинских центрах мира на протонных пучках уже облучено около 30 тысяч больных. Накопленный клинический опыт в полной мере оправдал возлагавшиеся надежды, подтверждением чему стало строительство на рубеже 80-90-х годов первого специализированного центра протонной терапии, имеющего свой ускоритель и базирующегося при большом госпитале (Лома-Линда, Калифорния, США). В настоящий момент в мире строится и вводится в эксплуатацию еще несколько подобных центров.

В Лаборатории ядерных проблем ОИЯИ программа по развитию адронной, в том числе протонной терапии была начата еще в 1967 году под руководством В.П.Джелепова и О.В.Савченко. На сегодняшний день здесь на базе фазотрона ЛЯП построен и функционирует семикабинный медико-технический комплекс (МТК) для проведения терапии пучками протонов, отрицательных пионов и нейтронов высоких энергий. Новый импульс этим работам придало открытие в декабре 1999 года при МСЧ-9 специализированного радиологического отделения, что позволило привлечь в Дубну квалифицированных врачей радиологов из Москвы, Обнинска, Омска.

В течение 2000-2001 годов одна из процедурных кабин медико-технического комплекса была модернизирована в соответствии с требованиями прецизионной протонной терапии. В процедурную выводится горизонтальный протонный пучок с энергией 155 МэВ и глубиной проникновения в воде 149-151 мм в зависимости от используемого модификатора пучка - технического устройства, позволяющего получить дозное распределение с плоским растянутым максимумом (пиком Брэгга), наиболее соответствующим размерам облучаемой мишени. Ширина плато пика Брэгга может меняться от 10 до 45 мм. Максимальный размер прямоугольного в сечении пучка равен 80х77 мм, из которого с помощью многолепестковых коллиматоров (шаг лепестка 5 или 7 мм) формируется необходимой формы терапевтический лечебный пучок.

Больной во время сеанса размещается в процедурной в специальном позиционере, выполненном в виде кресла, которое имеет четыре степени механического перемещения - два ортогональных горизонтальных, одно вертикальное и вращательное.

Для иммобилизации (фиксации) головы пациента во время предлучевой топометрической компьютерной томографии (КТ) и последующих протонных облучений был разработан и изготовлен рентгенопрозрачный функциональный фиксатор головы с индивидуальной маской из перфорированного термопластика.

Для фокусирования пучка на мишень по наиболее надежным внутренним костным ориентирам на оси пучка была смонтирована рентгеновская трубка.

Подготовка к предлучевой диагностике начинается с изготовления индивидуального иммобилизирующего облучаемую область устройства - маски из термопластической перфорированной пластмассы, размягчающейся в воде при температуре около 70oС.

Диагностические исследования (рентгеновская компьютерная томография, магнитно-резонансная томография, ангиография) проводятся уже в маске в одном из медицинских учреждений Москвы, так как, к сожалению, Дубна не располагает ни одним из этих дорогостоящих приборов.

Затем эти томограммы специальным образом обрабатываются и вводятся в трехмерную компьютерную систему планирования облучения. С помощью этой системы составляется трехмерный план облучения и рассчитываются индивидуальные формирующие пучок приспособления (сложной формы коллиматоры, компенсирующие болюсы - сложной формы замедлители, учитывающие гетерогенную структуру тканей и органов пациента, расположенных на пути пучка), которые затем изготавливаются в мастерских медико-технического комплекса.

После этого проводится терапевтическое облучение пациента на протонном пучке, которое, как правило, является многопольным (с трех-семи направлений) и фракционированным (10-30 лучевых сеансов).

По окончании курса лучевой терапии пациент через определенное время регулярно проходит повторные диагностические исследования, где контролируется динамика процессов, происходящих в облученном очаге.

Трехмерная лучевая терапия невозможна без компьютерного моделирования облучения. В результате сотрудничества с первым в мире госпитальным центром протонной терапии в городе Лома-Линда разработанная в этом центре трехмерная компьютерная система планирования протонного облучения "TPN" была адаптирована к оборудованию и протонным пучкам фазотрона ЛЯП ОИЯИ. После серии дозиметрических экспериментов, верифицирующих алгоритм расчета дозы, система используется в клинической практике. Одновременно, планы дублируются на местной двухмерной системе планирования, разработанной в МТК.

Трехмерный массив топометрической информации, полученный при детальной компьютерной томографии, вводится в систему планирования облучения. На каждом аксиальном срезе врач-радиолог очерчивает мишень облучения и критические структуры (например, ствол мозга, зрительный нерв и др.). В результате получается объемный массив топометрической информации. Кроме того, задаются количество полей облучения и их направления.

По этим данным система планирования генерирует трехмерные модели очерченных структур. С помощью функции "beam's-eye-view" (вид со стороны пучка) и цифровых реконструированных рентгенограмм черепа для каждого направления облучения определяется и очерчивается протонный пучок сложной формы, который при реальном облучении формируется с помощью многолепесткового коллиматора.

Для придания конформности дозного распределения протонного пучка по глубине форме мишени рассчитываются и затем изготавливаются уже упомянутые болюсы.

При сложении всех одиночных пучков с разных направлений рассчитывается суммарное дозное поле. Сечения трехмерных структур облучаемой области и дозного распределения могут быть визуализированы в трех ортогональных проекциях - аксиальной, сагиттальной, коронарной.

Для каждого больного предварительно, как правило, составляется сразу несколько отличающихся между собой (по количеству полей, их направлениям и др.) планов облучения. Для качественной и количественной их оценки используются рассчитанные программой так называемые гистограммы "доза-объем", показывающие, насколько хорошо мишень охватывается высокой дозой и сколько ее приходится на радиочувствительные органы. Гистограммы представлены в графическом и числовом виде. В результате этих сравнений отбирается наилучший план лучевого лечения.

Затем проводится репетиция облучения, для чего пациент фиксируется в терапевтическом кресле в том же положении, в котором он будет затем облучаться протонным пучком. С помощью рентгеновской трубки и рентгенодиагностической установки ЭРГА изготавливается серия снимков с соответствующих облучению направлений. При этом положение кресла корректируется таким образом, чтобы центр мишени находился на оси протонного пучка.

Кроме того, проводится серия дополнительных топометрических измерений с помощью разработанного в МТК горизонтального рентгеновского компьютерного томографа, совмещенного с терапевтическим креслом. По результатам этих измерений контролируется воспроизводимость фиксации головы пациента относительно диагностических исследований.

На этом этап подготовки к облучению заканчивается.

Перед началом каждого сеанса облучения в процедурную выводится терапевтический протонный пучок и проводится тщательная его дозиметрия.

Пациент фиксируется в кресле точно в таком положении, в каком он находился при репетиции. Для этой цели на всех фиксирующих устройствах кресла имеются лимбы.

Для каждого направления облучения изготавливается рентгеновский снимок головы пациента. Кроме, того одновременно снимок экспонируется протонным пучком низкой интенсивности. В результате на снимке отчетливо видно положение протонного пучка относительно несмещаемых костных структур черепа. Если это положение не совпадает с точностью 1 мм с тем, которое было рассчитано программой планирования, производится коррекция положения кресла относительно пучка.

Сразу после этого проводится терапевтическое облучение протонным пучком. Значение необходимой дозы контролируется с помощью прокалиброванной в начале сеанса мониторной ионизационной камеры, расположенной на пучке перед пациентом. Там же расположена многопроволочная камера, позволяющая следить за горизонтальным и вертикальным профилями пучка во время облучения.

С апреля по декабрь 2001 года с использованием технологии конформной протонной лучевой терапии было пролечено 16 пациентов (всего 49). У них было облучено 20 мишеней - патологических очагов. С больными провели 203 сеанса протонной лучевой терапии. При этом облучено 770 радиационных полей, что заняло около 190 часов работы в процедурной.

Распределение мишеней облучения по видам заболеваний было следующим: 12 - менингиомы, 4 - злокачественные глиомы головного мозга, 3 - метастазы в головной мозг, 1 - артериовенозная мальформация (АВМ) мозга.

Прежние результаты клинически и рентгенологически подтвердили, что разработанная техника облучения обеспечивает точное подведение дозы к планируемому патологическому объему. Один метастаз полностью исчез по данным магнитно-резонансной томографии, одна глиобластома существенно уменьшилась в размерах через 6 месяцев после курса протонной терапии. Менингиомы и АВМ требуют более длительных сроков наблюдения для оценки эффекта лучевого воздействия.

Впервые в России разработана технология протонной трехмерной лучевой терапии, которая соответствует по многим параметрам уровню протонной терапии в США и превосходит его в ряде других стран, развивающих протонную терапию.

Современные методы протонной лучевой терапии являются высокоэффективным, часто безальтернативным средством лечения онкологических и некоторых других неопухолевых заболеваний.

Ограниченное время работы ускорителя, к сожалению, препятствует более полному развитию имеющихся в МТК возможностей. Также необходимо приобретение дополнительного оборудования для увеличения пропускной способности и дальнейшего повышения качества лечения.

Е. Лучин, врач-радиолог, Г. Мицын, начальник МТК.