автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.13, диссертация на тему:Использование протонного пучка для облучения внутриглазных мишеней

) и

2 Ь 1'ДР 1997

ИНСТИТУТ ТЕОРЕТИЧЕСКОЙ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ ФИЗИКИ

на правах рукописи

Р

Кубннина Наталья Александровна

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРОТОННОГО ПУЧКА ДЛЯ ОБЛУЧЕНИЯ ВНУТРИГЛАЗНЫХ МИШЕНЕЙ (МЕТОД И ТЕХНИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ)

Специальность 04.01.20 - физика пучков заряженных частиц и ускорительная техника

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА - 1997

УДК 621.039.325

Работа выполнена в Институте тератической и экспериментальной

физики

Научный руководитель:

доктор техн. наук В.О.Хорошков.

Официальные оппоненты:

доктор физ.-мат. наук, ст.науч.сотр. (ИТЭФ) B.C. Кафтанов доктор физ.-мат. наук, ст.науч.сотр. (ЫРТИ) Г.И. Кленов

Ведущая организация: Онкологический научный центр РАМН

Защита состоится "_"_1997 года в_часов на

заседании специализированного совета Д-034.01.02 при ИТЭФ по адресу: 117 259, Москва, Б.Черемушкинская 25.

С диссертацией мокно ознакомиться в библиотеке ИТЭФ. Автореферат разослан "_"_1997 года.

Ученый секретарь

специализированного совета Д-034.01.02

у

В.И.Бобылев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ Актуальность темы. Протонные пучки используются в лучевой терапии уже в течение 4 десятилетий на целом ряде ускорителей физических исследовательских центров. В последнее врвмя во многих странах разрабатываются и создаются центры протонной терапии на базе специализированных медицинских ускорителей. Эти центры размещаются в крупных госпиталях и предназначены для широкого (а не как раньше, экспериментального) клинического применения. Первый такой центр функционирует в г. Лома-Линда, США с 1990 г. Практически во всех центрах осуществляют или планируют облучение внутриглазных мишеней протонами или ионами гелия (см. табл. I) - преимущества этого вида лечения уже бесспорны.

Основным конкурируюцим методом органосохранной протонной терапии внутриглазных опухолей является аппликационная терапия 7 и р -излучениями от радиоактивных источников (60Со,^Бг,1^1 и др.). Аппликационная терапия является наиболее распространенным методом лечения внутриглазных, опухолей. В силу экспоненциального спада дозы с расстоянием у 7 и р эмиттеров, подведение деструктивных доз на вершину опухоли с большой толщиной увеличивает риск лучевых повревдений критических структур глаза (см. рис.1). Поэтому этот метод эффективен при облучении опухолей с толщиной, как правило, не превышающей 3-5 мм и расположенных нэ ближе, чем в 5 мм от радиочувствительных диска зрительного нерва и/или макулярной области. Внутриглазные меланомы, не удовлетворяющие этим

критериям, подлежали в течение долгого времени единственному методу лечения - удалению глаза (энуклеация). Эти ограничения показаний для аппликационной терапии определили поиск Солее универсального органосохранного метода лечения внутриглазной меланош.

В 1975 г впервые в Гарвардской циклотронной лаборатории в США были начаты клинические исследования протонной терапии меланом глаза. Разработанный там метод статического однопольного протонного облучения с применением рентгеновской визуализации и центрации внутриглазной мишени оказался столь эффективным

л

локальный контроль опухоли удалось достичь в 97-98% случаев, что получил в последние годы распространение в ряде стран, например, в США, Англии, Франции и Швейцарии. Во многих случаях он является альтернвтивой энуклеации.

Достижение локального контроля опухоли является одной из основных целей лучевого лечения. Накопленные в мирэ многочисленные клинические данные облучения протонами и ионами гелия внутриглазных меланом при нерандомизированных (более 6500 больных.) и рандомизированных исследованиях2 (196 больных) показали превосходство протонной терапии и терапии ионами гэлия в достижении локального контроля внутриглазной меланош в сравнении с различными методами аппликационной терапии, при условии

10тсутствие продолженного роста опухоли (ев стабилизация или полная

или частичная резорбция).

р

Сравнительное изучение эффективности двух или более методов лечения, для которого отбираются идентичные группы больных.

использования "гарвардского" метода облучения, осноезнного на рентгеновской визуализации и центрации мишени.(12)

Разработанный Московским шститутом глазных болезней им. Гельмгольца в конце 70-х - начале 80-х годов на базе ИТЭФ совместно с Отделом медицинской физики (ИТЭФ) метод протонного облучения внутриглазных меланом с помощью световой визуализации и центрации мишени применим только к опухолям првдэкваториальной локализации. Такие опухоли составляют лишь 17% от всего количества диагностируемых внутриглазных меланом. Кроме того при использовании этого метода получен больший процент локальных неудач, обусловленных во многом его неточностью.

Поэтому для обеспечения облучения внутриглазных меланом любой локализации, а также для достижения еысокого уровня локального контроля опухоли при максимальном щажении окружающих здоровых тканей, было необходимо исследовать иной метод протонного облучения внутриглазных опухолей - на основе рентгеновской визуализации и центрации мишеней, что и определило актуальность работы (14).

Цель работы заключалась в разработке и исследованиях физико-технических, технологических, методических и программных средств для клинической апробации на экспериментальной базе ИТЭФ метода однопольного протонного облучения внутриглазных опухолей на основе рентгеновской визуализации и центрации мишени.

На защиту выносятся:

I) разработка позиционера для размещения и перемещения офтальмологических больных на протонном пучке ( совместно с

в

Институтом физики высоких энергий (ИФВЭ));

2) разработка устройства для иммобилизации головы при облучении внутриглазных мишеней;

3) разработка устройства для фиксации взора и индикации положения зрительной оси глаза относительно оси протонного пучка;

4) технология точного выведения глаза в положение облучения протонным пучком;

5) разработка телевизионной системы контроля за положением глаза в процессе облучения;

6) разработка компьютерной программы трехмерного планирования протонного облучения внутриглазных опухолей;

7} исследования геометрических аспектов гарантии качества3 протонного облучения внутриглазных опухолей;.

8) технология юстировки и тестирования взаимного пространственного расположения всех элементов протонно-лучевого стенда для облучения внутриглазных мишеней.

Э. результаты клинической апробации метода однопольного статического облучения внутриглазных опухолей модифицироЕнным пиком Брэгга протонного пучка с использованием рентгеновской визуализации и центрации мищени.

Научная новизна работы заключается в том, что впервые в стране исследован и апробирован совместно с Московским институтом глазных болезней им. Гельмгольца Министерства здраБохранения РФ

■^Совокупность мероприятий, обеспечивающих соответствие дозы, поглощенной в любой точке мишени, предписанной дозе с точностью +5%, при минимизации облучения окружающих тканей.

метод протонного облучения внутриглазных опухолей на основе рентгеновской визуализации и центрации мишки. Для этого впервые в стране разработаны и исследовании средства физико-технического, технологического и программного обеспечения использования протонного пучка для облучения внутриглазных мишеней. Созданая компьютерная программа планирования протонного облучения внутриглазных опухолей, обеспечила пространственную оптимизацию направления облучения, расчет параметров облучения и верификацию плана облучения.

Работа выполнена в Институте теоретической и экспериментальной физики (ИТЭФ) совместно с Институтом глазных болезней им. Гельмгольца. Научно-практическое значение

Нэучно-практическов значение полученных в ходе работы результатов заключается в создании методической, технической и программной базы для осуществления и дальнейшего развития метода протонного облучения внутриглазных опухолей, который считается наиболее эффективным для лечения более 80% внутриглазных меланом, а для значительного их числя является методом, альтернативным энуклеации. Разработаны основные положения программы гарантии-качества данного вида облучения и обоснованы направления дальнейшего развития данного метода, направленные на повышение эффективности лечения онкоофтальмологических больных.

Апробация работы. Результаты работы доложены на секции медицинской физики Всесоюзного общества рентгенологов и радиологов ВОНЦ АМН России (март 1939 г.), на Международном симпозиуме

"Опухоли глаза" (Суздаль 1990 г), на конференциях "Медицинская физика - 93" (Москва) и " Медицинская физика - 95", (Москва) "Новые технологии в радиационной медицине" (ноябрь 1995 г. г. Санкт_Петербург) и на семинарах Отдела медицинской физики ИТЭФ.

Непосредственно по теме диссертации опубликовано 13 статей и тезисов, получено I авторское свидетельство на изобретение и 5 удостоверений на рационализаторские предложения. Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, 5 глав и заключения. Содержит 147 страницы машинописного текста, 38 рисунков, II таблиц, I схему и библиографию - 168 наименований (56 отечественных и 112 иностранных публикаций).

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

В первой главе проанализирована история применения ионизирующего излучения для лечения внутриглазных меленом. Сравнение возможностей контактного (аппликационного) и дастанционного протонного облучений показало, что преимущества протонного облучения заключаются в: I) локальности облучения (спад дозы от 90% до 10% происходит, как правило, на дистанции 1-2,5 мм); 2) равномерности облучения всего объема опухоли; 3) возможности облучения как малых, так и больших опухолей, расположенных вблизи радиочувствительных структур - диска зрительного нерва и/или центральной ямки ; 4) несколько большей относительной биологической еффективности (ОБЭ) излучения, благодаря более высоким значениям линейной передачи энергии (ЛПЭ), что важно при облучении относительно гипоксичных опухолей; 5)

возможности более точного совмещения дозных шлей с мишенью.

Первым подтверждением достоинств облучения тяжелыми заряженными частицами явились результаты обширных радиобиологических экспериментов. Был продемонстрирован исключительно локальный характер поражения сетчатки глаза обезьян и кроликов в строгом соответствии с формой дозного поля и поглощенной дозой (1,2,4). Экспериментальные исследования различных методов центрации внутриглазной мишени показали, что только с помощью метода рентгеновской визуализации и центрации мишени достижима субмиллимвтровая точность центрации необходимая для конформного облучения4 (2). Полученные в дальнейшем многочисленные клинические данные нерандомизированных и рандомизированных исследований подтвердили преимущества терапии протонами и ионами гелия в достижении более высокого уровня локального контроля опухоли: локальные неудачи при этом виде облучения составляют 2-3% по сравнению с более чем 1356, полученными при аппликационной терапии.

Анализ влияния метода протонного облучения внутриглазной мишени на клинические результаты показал, что только с помощью принципа рентгеновской визуализации и центрации мишени при оптимизации параметров облучения о помощью трехмерного дозиметрического планирования достижим столь высокий уровень локального контроля внутриглазной меланомы при низком уровне

40блучение, при котором изодозная поверхность высокого уровня, например ¡30%-Э0Ж хорошо повторяет форму мишени, в окружающие ткани находятся в зоне как можно более низких изодоз.

осложнений со стороны критических структур глаза.

Определенные выводы о перспективности протонной терапии внутриглазных опухолей мокно сделать из данных, представленных в табл.1. В 70-е годы облучение протонами и ионами гелия цроводилось в 3 центрах, в 80-е года начали работу еще 4 центра, а за первые 6 лет ЭО-х годов подключились еще 6 центров.

Вторая глава посвящена разработке в ИТЭФ метода протонного облучения внутриглазных мишеней с использованием рентгеновской визуализации и центрацш мишени. Опухоль сама по себе не является рентгеноконтрастной. Рентгеноконтрастная маркировка опухоли осуществляется путем подливания во время хирургической операции четырех или пяти танталовых кольцеобразных маркеров по границе тени опухоли на поверхности глазного яблока - склере. Тень опухоли на склере выявляют в результате трансиллюминации глаза. Измеренные во время операции подшивания рентгеноконтрастных маркеров расстояния мевду ниш и нормальными структурами глаза, а также между самими маркерами, являются важными параметрами, характеризующими геометрию глаза и локализацию основания опухоли. Важную топометрическую информацию несут в себе также координаты маркеров, измеренные на прямой и боковой рентгенограммах, полученных во время репетиции сеанса облучения. Схема технологических процедур подготовки и облучения внутриглазных опухолей приведена на рис. 2.

В этой же Главе рассмотрении физические, физиологические и радиобиологические особенности глаза как объекта облучения. Показано, что они определяют оптимальность однопольного облучения

внутриглазной меланомы и высокие требования к его точности, а также обусловливают поиск частных технических и методических решений, касающихся практически всех сторон обеспечения протонного облучения, включая предлучевую подготовку, визуализацию и центрацию мишени, иммобилизацию головы и глаза, дозиметрическое планирование облучения, контроль за положением мишени во время облучения и др.

Требования к характеристикам протонного пучка при облучении внутриглазной мишени определяются задачей ее конформного облучения в согласии с рекомендациями МКРЕ (Международная комиссия по радиационным измерениям) по обеспечению соответствия между планируемой и поглощенной дозами в любой точке мишени в пределах

При облучении внутриглазной мишени используется протонный пучок с анергией 80 МэВ. Максимальная глубина проникновения протонов в ткань при етой энергии и заданных условиях формирования еоставлет по В0% изодозе 33,5 мм, что достаточно для облучения любой внутриглазной опухоли. В зависимости от глубины залегания мишени, энергия пучка регулируется с помощью тормозителей из оргстекла. Модификация (расширение) пика Брэгга (изменение энергетического спектра частиц в пучке) в соответствии с протяженностью мишени по глубине производится с помощью гребенчатых фильтров (6).

Курс протонного облучения внутриглазной меланомы проводится за 5 фракций в суммарной дозе 70 Гр. Доза за фракцию Вф составляет около 14 Гр и подводится примерно в течение I минуты. Импульсы

пучка длительностью tp=200 не подаются раз в три секунды. Число протонов, проходящих через коллиматор с площадью апертуры см^ за один импульс составляет по порядку величины

о о

№р= Бф х У/1,6x10 щхЕ» 10° протонов, где V - облучаемая масса (~3 х ХО^кг), п - число импульсов ("20),

с

Е - энергия протонов ("60 х 10 эВ)

Использование ионизационной камеры (Ж) для мониторирования дозы при указанных рабочих диапазонах оказывается неудобным из-за высокой импульсной интенсивности, приводящей к объемной рекомбинации ионов в камере, ухудшающей эффективность их сбора и в конечном итоге, к нелинейной зависимости сигнал-доза. Реальная импульсная интенсивность единичного пучка при облучении внутриглазной мишени по порядку величины составляет I =И /(Б х

1С п т

прот. х см х с . Опыт показывает, что создание надежно и точно работающей в линейном диапазоне ионизационной камеры возможно лишь в случав, когда диапазон импульсной интенсивности пучка 1рВКС не превышает 1013прот. х см-2х с-1. Поэтому в системе мониторирования дозы используется индукционный датчик, имеющий линейную зависимость сигнал - число частиц в импульсе во всех рабочих диапазонах. Индукционный датчик предварительно калибруется по показаниям ИК. Калибровка осуществляется при сниженной

тп 1 у

импульсной интесивности пучка ниже 10 прот. х см~Л х с , когда сигнал ИК пропорционален дозе.

Расчет абсолютной дозы и абсолютная калибровка ионизационной

камеры осуществляются с помошыо метода наведенной активности в

тр тт

углероде С (р,рп)С . Результаты сравнительной абсолютной

дозиметрии между ИТЭФ и другими центрами протонной терапии отличаются не более чем на +5%.

Измерения дозных распределений протонного пучка проводились с помощью ионизационной камеры (продольное дозное распределение) и фотопленочным методом (поперечное дозное распределение).

В третьей главе изложен материал, относящийся к разработке программы дозиметрического планирования облучения внутриглазных мишеней. Обоснована необходимость разработки специализированной программы планирования облучения внутриглазных мишеней.

Предложена математическая трехмерная модель облучаемого глаза и показаны особенности моделирования опухоли в ней. Для описания пространственного расположения злементов глаза наиболее удобной является сферическая система координат, в которой любая точка глаза задается радиус - вектором р и углами 9 и <р, которые связаны с декартовыми координатами точки следующим соотношениями: х=р*э1п9*созср, у=р*э1п8»з1п<{> и г=р*соз9, при условии, что горизонтальная плоскость, совпадающая со зрительной осью, есть плоскость Х(Э20, а перпендикулярная зрительной оси, и проходящая через экватор глаза, - плоскость х т . Для точного помещения рентгеноконтрастных. маркеров в модель глаза (на поверхность глазного яблока) программа варьирует значения координат рентгеноконтрастных колец х^у-^я^, добиваясь минимизации значения Х2=£(рк-ггл)?У02, где гн - радиус-вектор кольца, а ггл~ радиус глаза, при этом минимальное значение п=4. Рассмотрены принципы графического воспроизведения трехмерной модели облучаемого глаза. Получена возможность оптимизации направления облучения и формы

дозного поля (геометрическая оптимизация) с помощью метода фронтальных проекций (beam's eye view), которая потребовала компьютерного моделирования в системе координат стенда как собственных движений глаза, так и угловых перемещений глаза в результате поворотов головы на стенде. Моделирование угловых перемещений осуществляется с помощью подпрограммы, которая вычисляет угловые значения координат точек глаза 8' и ср' в новой системе координат (8',cp',R), полученной путем вращения старой системы (0,<p,R).

Критерием оптимизации является охват всего объема мишени 80% изодозой при минимизации облучения здоровых тканей и исключении облучения критических структур, например, хрусталика, макулярной области и др. (13). Осуществлено компьютерное моделирование прямых и боковых рентгенограмм глаза с рвнтгеноконтрастными кольцами, благодаря которому, путем сравнения смоделированных и реальных рентгенограмм, достигается верификация плана облучения. С помощью программы определяются следующие параметры: форма апертуры коллиматора, глубина облучения по 80% изодоэв, величина плато модифицированного пика Брэгга по 80% изодозе, углы фиксации взора (7 и 0), определяющие оптимальное направление облучения, и величины котировочных перемещений Ах и Ау в плоскости XY. О помощью перемещений объекта облучения на величины 7,8,Ах и Ау осуществляется выведение глаза в положение облучения.

Программа написана на языке Фортран. Графическое отображение оптимизированного плана облучения представлено на рис.3.

Четвертая глава посвящена разработке лучевого стенда для

протонного облучения офтальмологических больных.

Схема стенда для облучения внутриглазных мишеней представлена на рис. 4. Бее элементы стенда организованы ъ единой неподвижной декартовой системе координат, в которой ось протонного пучка р совпадает с осью Ъ. Центр системы координат лежит ш» пересечении оси 1 с вертикальной осью позиционера У. С помощью лазерной системы осуществляется визуализация этой системы координат. В ее центре располагаются: полюс ротации позиционера, центр координатной сферы устройства фиксации взоре и индикации положения зрительной оси глаза, точка пересечения осей двух рентгеновских трубок и точка пересечения световых линий лазерного центратора (ТО).

Для того чтобы обеспечить правильную ориентацию и совмещение дозного поля с мишенью, (фиксированное положение протонного ¡тучка в пространстве требует угловых и линейных перемещений облучаемого объекта в процессе центрации. Необходимые диапазоны и точность перемещений позиционера определялись на основе антропометрического анализа различных вариантов и ситуаций при облучении офтальмологических больных (5,9).

Основные процедуры выведения внутриглазной мишени в положение облучения сводятся к следующему. Больного размещают на позиционере, его голову иммобклизируют и затем выводят облучаемый глаз в нулевое положение (положение при котором зрительная ось глаза совпадает с осью протонного пучка, а центра вращения глаза -с центром координат стенда, при этом зрительные оси обоих глаз лежат в горизонтальной плоскости). Производят рентгеновскую

верификацию нулевого положения, и затем с помощью поворотов глаза и, при необходимости, с помощью угловых перемещений стенда смещают глаз на рассчитанные в процессе планирования углы 9 и 7. Вслед за втим с помощью позиционера перемещают глаз на величины Ах и Ду. Производят рентгеновскую верификацию положения облучения, При совпадении реальных и смоделированных прямых и боковых рентгенограмм глаза с маркерами мишень оказывается правильно ориентированной и выведенной на ось пучка.

Для реализации этих процедур потребовалось разработать и исследовать ряд устройств.

Нами было разработано иммобилизирующее голову устройство и неинвазнвный способ оценки смещений головы в нем. (13). Способ заключается в измерении смещений стержня относительно иммобилизируящего устройства в процессе принудительных перемещений головы позиционером. Стержень жестко соединялся с капой, закрепленной на верхней челюсти, (то есть с черепом).

Смещения головы в разработанном нами устройстве иммобилизации, измеренные указанным выше способом, показали, что их величина не превышает 0,3 мм при доверительном интервале 1,5 а. (измерения производились на добровольцах). Полученные в дальнейшем данные о воспроизводимости положения мишени при протонной терапии опухолей глаза подтвердили высокую надежность иммобилизации головы при достаточной степени комфорта.

Для фиксации взора в нужном направлении и задания выбранного направления облучения разработано устройство фиксации взора и индикации положения зрительной оси глаза. Взор добровольно

фиксируется на точечный, закоордишфованный в соответствии с планом облучения, источник света (фотодиод). Этот источник света перемещается с помощью пантографа, закрепленного на системе коллимирования таким образом, что совокупность положений фотодиода представляет собой шаровой сектор с центром в полюсе ротации позиционера. Координаты источника определяются в полярной системе координат: задаются координата точки в меридианной плоскости и азимут этой меридианной плоскости (3).

Для оценки смещений глаза в процессе центрации и облучения нами была разработана телевизионная реперная система в виде подвижных линий, представляющих строку и столбец электронной развертки - реперный крест на ТУ экране (10). После выведения глаза в требуемое положение и получения на ТУ экране 10х увеличенного его изображения, к удобной для наблюдения структуре глаза (край зрачка, радужки и др.) подводится реперный крест. Таким образом становится возможным выявление субмиллиметровых смещений глаза.

В пятой главе рассмотрены проблемы гарантии квчества облучения и проанализирован (с точки зрения достаточности используемых технических средств) опыт клинической апробации метода протонного облучения внутриглазных опухолей с использованием принципа рентгеновской визуализации и центрации мишеней. В соответствии с рекомендациями МКРЕ гарантия качества облучения заключается в обеспечении соответствия с точностью +5% предписанной и поглощенной доз е любой точке мишени, при минимизации дозы на окружающие ткани, чтобы гарантировать качество

облучения необходимо минимизировать ошибки предлучевой подготовки, дозиметрического планирования и собственно облучения- Это приводит к улучшению клинических результатов, делает возможным значимое и правомерное их сравнение, позволяет наиболее полно использовать возможности протонной терапии а также обеспечивает безопасность облучения.

Рассмотрены вопросы обеспечения необходимой геометрической точности облучения. Показано, что значение геометрических аспектов гарантии качества, в случае прецизионного облучения внутриглазных мишеней исключительно велико и определяется целым рядом факторов: характеристиками систем позиционирования мишени, формирования дозных распределений, световой и рентгеновской центрации, методикой облучения, программой дозиметрического планирования облучения и др. В рамках программы гарантии качества разработана технология гастировок и тестирования всех элементов стенда (II), определяемая их пространственной и функциональной взаимосвязью (см. рис. 5.а).

Критерии тестирования определялись исходя из медико-технических требований к точности юстировки стенда. Так среднеквадратичная ошибка позиционирования (биение полюса ротации, нелинейность и неперпендикулярность перемещений и др.) не должна превышать 0,2 мм при доверительном интервале 1,5 о.

Юстировку и тестирование указанных систем производили с помощью зрительной трубы ППС-П, юстировочного приспособления штыря и светового экрана. Отъюстированные положения коллимирующей, позиционирующей и рентгеновской систем представлены

на рис. 6.а и 6.6.

Проверку разработанной программы дозиметрического планирования облучения внутриглазных мишеней производили с помощью программных и функциональных тестов. Важным фактором, гарантирующим качество облучения, является адекватность компьютерного моделирования вариантов облучения реальной ситуации. При всех угловых перемещений модели глаза точность ее геометрического отображения была не хуже 0,3 мм .

Совместное тестирование программных, методических и физико-технических средств было осуществлено при симулировании облучения внутриглазной мишени с помощью фантома глаза (см. рис. 5.6). При сравнении реальных и смоделированных на компьютере рентгенограмм фантома при различных вариантах облучения было получено совпадение расчетных и экспериментальных данных координат маркеров фантома глаза в пределах 0,5 мм, что позволило перейти к клинической апробации этого метода.

Апробация метода протонного облучения внутриглазных мишеней с использованием принципа рентгеновской визуализации и центрзции мишени, была проведена при оптимизации параметров облучения путем трехмерного дозиметрического планирования. Апробация подтвердила правильность подхода к этому виду облучения и верность технических решений. Получена воспроизводимость координат маркеров и, соответственно, положения глаза и мишени от сеанса к сеансу не хуже 0.5 мм при доверительном интервал 1,5 о (рис. 7). Одновременно зпробация позволила выявить направления и объем дальнейших работ для внедрения этого метода в клиническую рутинную

практику.

В заключении сформулированы следующие основные результаты разработки и исследования физико-технических, технологических, программных и методических средств для использования протонного пучка при однопольном облучении внутриглазных меланом на основе рентгеновской визуализации и центрации мишени:

IОсуществлена (совместно с ИФВЭ) разработка позиционера для размещения и перемещения больного, обеспечивающего три линейных и два угловых перемещения с суммарной ошибкой позиционирования не превышающей 0,2 мм для всех диапазонов перемещений;

2)разработано устройство для иммобилизации головы офтальмологических больных с использованием капы и теменного и затылочного прижимов;

3) разработан неинвазивный способ оценки смещений головы в различных иммобилизирующих устройствах и проведены измерения смещения головы в них: в офтальмологическом устройстве смещения головы не превышали 0,-3 мм при доверительном интервале 1,5 а;

4)создано устройство для фиксации взора и индикации положения зрительной оси глаза;

Б)разрабогана технология точного выведения глаза в положение облучения;

6)разработана система телевизионного реперного контроля за положением глаза в процессе облучения;

7)разработана компьютерная программа трехмерного дозиметрического планирования облучения внутриглазых мишеней, обеспечившая моделирование объекта облучения, пространственную

оптимизацию направления облучения но методу фронтальных проекций, расчет параметров облучения и верификацию плана облучения;

8)рззработана технология вотировок и тестирования взаимного пространственного расположения всех элементов стенда, являющаяся частью программы гарантии качества облучения внутриглазных мишеней;

Э) при клинической апробации получена воспроизводимость положения глаза от сеанса к сеансу не хуже 0,5 мм при доверительном интервале 1,5 о;

Таблица I.

Центры облучения внутриглазных опухолей пучками протонов и

ионов гелия

город-центр страна начало облучения число б-ных на дату

Гарвард (Ж 1975 1870 дек.1992

Москва Россия 1977 ИЗ дек.1995

Беркли* США 1978 312 1989

Чиба Япония 1985 27 1991

Лозанна Швейцария 1984 2054 декЛ995

Уппсала Швеция 1989 20 1991

Клаттербридж Англия 1989 Б98 ишь Л 996

Ломэ-Линда США 1990*

Лувен-ля-Нев Бельгия 1991 209 апр.1993

Ницца Франция 1991 &3S нояб Л995

Орсей Франция 1991 673 нояб.1995

U. С.Davon США 1994 71 майЛ996

ТВ1Ш Канада 1995 5 дек.1995

*Облучают пучками ионов гелия

*Облучение ведется, но данных о числе больных нет.

Рис I. Дозные распределения излучений р и 7-эмиттеров при аппликационной терапии внутриглазных опухолей. Источники излучения: а)905г/90Т, Ъ)60Со, с)1251. Сплошными линиями показаны изодозные кривые. I- склера; 2- роговица; 3- опухоль; 4-макулярная область; 5- зрительный нерв; 6- хрусталик; 7- аппликатор. Наиболее радиочувствительными структурами являются периферия хрусталика, макулярная область, зрительный нерв и роговица. Однако при аппликационной терапии даже относительно радиорезиствнтная склера является критической структурой.

Технологические процедуры подготовки и осуществления протонного облучения внутриглазных мишеней

Предлучевэя клиническая и физико-техническая подготовка

- диагностические и топометрическке исследования (УЗИ, офтальмоскопия, трансшшюминация и др);

- рентгеноконтрастная маркировка опухоли во время операции, прямые измерения расстояний между маркерами и структурами глаза при трансиллюминации;

- подтовка стенда к репетиционному сеансу, (юстировка и тестирование систем коллимирования, позиционирования, фиксации взора, рентгеновской и лазерной центрации);

- репетиция сеанса облучения (получение данных для планирования облучения, иммобилизация головы, определение допустимых углов фиксации взора, рентгенография в двух положениях и др.);

- дозиметрическое планирование облучения (моделирование вариантов облучения, выбор оптимизированного плана облучения, моделирование прямых и боковых рентгенограмм с кольцами и определение параметров облучения);

- подготовка стенда к облучению (тестирование систем коллимирования, позиционирования, рентгеновской и лазерной центрации и индикации взора, вывод и мониторирование пучка, калибровка индукционного датчика;;

Облучение

- выведение глаза в нулевое положение, иммобилизация головы, верификация нулевого положения, выведение в положение облучения, верификация положения облучения;

- мониторирование пучка, облучение при непрерывное контроле за положением глаза;

- контрольная нротонорентгенографи».

гис.й

2 б \ i Ji 1 з 4 ~4<Л j Ж \ 5

г 1 ЖШ оШк if

в)

Рис.з Оптимизированный план облучения

Точка 0 - проекция центра вращения глаза. I- склера; 2-роговица; 3- мишень; 4-макула; 5-диск зрительного нерва; 6-рентгеноконтрвстные маркеры; XYZ - оси координат стенда; а}-Фронтальная проекция глаза (beam's eye view) с поперечным дозным распределением на уровне центра мшени. Азимут меридианной плоскости (8) равен 105 градусам. Роговица полностью выведена из зоны облучения. АХ - центрирующее перемещение вдоль оси X, ДУ -центрирующее перемещение вдоль оси У. Фронтальная проекция моделирует передне-зяднюю рентгенограмму глаза, б)- Меридианная плоскость глаза с глубинным дозным распределением. Зрительная ось повернута на (7) 30 градусов в меридианной плоскости. При таком повороте глаза макулярная область сетчатки полностью выведена из зоны облучения. Пунктиром показаны изодозные кривые, в)- Боковая проекция моделирует боковую рентгенограмму глаза.

Рис.4 Схема стенда для облучения внутриглазных мишеней.

I) Показаны оси координат стенда и степени свободы перемещений позиционере: 3 линейных перемещения вдоль осей Х,У Ъ и два угловых поворота относительно осей У и X; 2) и 3) световой имитатор оси протонного пучка: источник света и зеркало; 4) система формирования пучка; 5) устройство фиксации взора и индикации положения зрительной оси глаза; 6) рентгеновская трубка на оси протонного пучка; 7) рентгеновская трубка, перпендикулярная оси протонного пучка; 8) электронно-оптический преобразователь; э) миниатюрная телекамера; 10) телевизионное изображение - видны глаз и электронный реперный крест; II) глаз с рентгеноконтрастшми кольцами у основания опухоли; 12) рентгеновская кассета; 13) один из лазеров, задающий горизонтальную световую плоскость, имитирующую ось X.

Рис.5а. Последовательность юстировок и тестирования протонно-лучевого стенда для облучения внутриглазных мишеней.

Рис.56. Протоннорентгенограмма фантома глаза. Светлое пятно между маркерами - след протонного пучка.

Рис.6а. Отъюстированное положение пары РТ-ЗОП

Рис.66. Результат проверки юстировки рентгеновской трубки, расположенной на оси протонного пучка. Виден светлый след протонного пучка.

Рис. 7. Прямые рентгенограммы, верифицирующие нулеюе положение глаза при облучении больного А. и иллюстрирующие воспроизводимость нулевого положения глаза от сеанса к сеансу. Видан маркеры и перекрестив, имитирующее оси стенда X и У.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ,

Т. Гольдин Л.Л., Ломанов М.Ф., Лукьяшин В.Е., Хорошков B.C., Шимчук Г.Г., Зарубей Г.Д., Бровкина А.Ф., Гуртовой Г.К., Минакоза E.H., Кубынина H.A.

Физико-технические и экспериментальные подхода к облучению опухолей глаза протонным пучком.

В сб."Использование протонных пучков в лучевой терапии", Вып.З, 1979, 133-140.

2. Зарубей Г.Д., Минакова Е.И., Будкина Г.П., Решетникова И.М., Хорошков B.C., Кубынина H.A.

Экспериментальные и клинические подходы к использованию протонных пучков в офтальмоонкологии.

Труды У Всесоюзного съезда офтальмологов М., 1979, т. 36, с 153-154.

3. Зарубей Г.Д., Кубынина H.A.

Использование узкого протонного пучка для облучения опухолей глаза.

Мед.радиология, I9S0, МО, с 73-76.

4. Гольдин Л.Л., Ломанов М.Ф., Лукьяшин В.Е., Хорошков B.C., Кубынина H.A.

Физико-технические и экспериментальные подходы к облучению опухолей глаза протонным пучком.

В кн. "Советская онкология" АМН СССР "Медицина" 1931, с I0I-I03.

5. Хорошков B.C., Кубынина H.A., Решетникова И.М., Лукьяшин В.Е. Развитие методик и техники лучевого лечения офтальмологических больных на протонном пучке синхротрона МТЭФ.

В сб. научных работ МНШ глазных болезней им. Гельмгольца "Офтальмология", М., 1983, с IT5-II7.

6. Бровкина А.Ф., Зарубай Г.Д., Решетникова И.М., Кубынина H.A., Мелешко A.A.

Протонная терапия внутриглазных опухолей.

YI Всесоюзный съезд рентгенологов и радиологов, тезисы докладов, 2-4 октября 1984, Таллин-Москва-Обнинск 1984, с 33.

7. Хорошков B.C., Кубынина H.A., Пеотрецов Ю.В., Носов В.К., Мелешко A.A., Зарубей Г.Д.

Физико-техническое обеспечение протонного облучения опухолей глаза.

В сб. научных трудов Международного симпозиума по офтальмоонкологии,

Москва, 30 окт - I нояб. 1984 "Диагностика и лечение внутриглазных опухолей" М., 1986, с II5-II6. З.Кубынина H.A.

Технические аспекты облучения протонами внутриглазных опухолей в ИТ ЭФ.

Мед. радиология T99I, J6 9, с 49-53.

9. Н.А.Кубынина, М.Ф.Доманов, В.И.Дюлевич, В.Я.Медведь, Е.Й.Минакова, В.П.Похвата, К.К.Оносовский, В.С.Хорошков. Протонно-лучевые стенда: особенности, тенденции развития. Медицинская техника 1993, ä 2 о 24.

10. Кубынина H.A.

Планирование облучения внутриглазных опухолей в ИТЭФ. Медицинская техника, 1993, Je 2, с 23-24.

11. Кубынина H.A., Полонский П.Б., Похвята В.П., Костюченко В.И., Солонецкая O.A.

Гараш'яя качества протонного облучения внутриглазных мишеней. Медицинская физика, 1995, ЖЗ, с 49

12. Бровкина А.Ф., Зарубей Г.Д., Кубынина H.A., Хорошков В,С. Современные возможности протонной терапии внутриглазных меланом. Тезисы докладов научной конференции "Новые технологии"' в радиационной медицине" G-Петербург 1995, с I05-T0S.

13. Зарубей Г.Д., Кубынина H.A.

Облучение внутриглазных опухолей протонным пучком ИТЗФ. Сб. статей по офтальмологии. Якутск, 1995, с 65-G7.

14. Кубынина H.A., Милехин H.A., Фарбер Е.Б., Хорошков B.C. Способ определения фиксации головы при лучевой терапии. Авторское свидетельство Ж393437.

Подписано к печати 07.02.97 Формат 60x90 1/16 Офсетн.печ.

Усл.печ.л.2,0 Тярак 100 экз. Заказ 437

Отпечатано в ИТЭФ, 117259, Москва, БЛеремушкивская, 25