Значения самих объемов находится из ГДО для полного облучаемого объема. Величина CGIg является безразмерной. Она превышает 100 для дозовых градиентов, меньших 3 мм, и является линейной функцией эффективного расстояния между изодозовыми поверхностями для назначенной дозы и половины от назначенной дозы.
Другой важной характеристикой плана облучения в СР и СЛТ служит конформность дозы. Индекс конформность-градиент для конформности (CGIc) согласно [30] определяется по формуле:
CGIc 100 (PITV ) 1 . (12.14)
Индекс CGIg увеличивается при улучшении градиента дозы, и индекс CGIc увеличивается с улучшением конформности дозы. В идеальном случае PIVT = 1 и CGIc = 1. Полный индекс CGI учитывает в равной степени и коформность и градиент дозы. Он рассчитывается следующим образом:
CGI 0,5 (CGIc CGIg). |
(12.15) |
Что касается гомогенности дозового распределения, то относительно важности этого показателя в СР и СЛТ существуют разные точки зрения. Некоторые исследователи (например, [31]) рассматривают гомогенность дозы как важнейшую финальную меру при оценке плана облучения в СР и СЛТ. Они считают, что гетерогенность дозы (отношение максимальной дозы к дозе на периферии (англ. MDPD)), превышающая 2, ведет к повышенному риску осложнений. Другие авторы не разделяют эту точку зрения, предполагая, что статистически достоверная корреляция между дозовой негомогенностью и риском осложнений может быть связана с относительно неконформным дозовым распределением при многоцентровом облучении пациентов, у которых наблюдались осложнения. По одной из теорий экстремальные горячие пятна могут быть приемлемыми, если дозовое распределение обладает высокой конформностью относительно объема мишени и горячее пятно находится внутри этого объема. Неконформные дозовые распределения могут легко создать горячие пятна вне мишенного объема, что приводит к высокому риску осложнений. Опыт обширных исследований в области СР и СЛТ, проведенных во всем мире с γ- облучением (почти все облучения проводились при MDPD > 2), подтверждают эту теорию [32].
371
Таким образом, как общий принцип гомогенность дозового распределения является желательной, но это не такой важный фактор, как конформность области высокой дозы относительно объема мишени или дозовый градиент вне мишени.
4.7. Стереотактическая радиохирургия на линейных ускорителях
Специфика методов планирования СР, реализуемой на линейных ускорителях, тесно связана с особенностями техники облучения. Эти способы облучения и соответствующие парадигмы планирования включают:
–несколько сходящихся дуг, выполняемых с помощью круглого коллиматора (используется один или несколько изоцентров);
–несколько фиксированных конформных пучков, форма которых обычно создается с помощью МЛК или мини-МЛК;
–фиксированные пучки с модулированной интенсивностью;
–несколько сходящихся дуг с динамическими конформными полями, которые реализуется с помощью мини-МЛК;
Между планированием СР на ускорителях и планированием облучения с помощью гамма-ножа много общего [33], так как в обоих используется или одиночная сфероподобная область дозы, чью форму можно изменять только в определенных пределах, или несколько таких областей, располагаемых рядом друг с другом так, чтобы сконфигурировать в сумме область высокой дозы конформную относительно объема произвольной формы. Специфические методики планирования облучения с помощью круглых коллиматоров на линейных ускорителях были описаны ранее в работах [33
–35]. Рассмотрим их более подробно.
4.7.1. Планирование многодугового облучения с круглыми апертурами коллиматоров
Основная парадигма фотонной радиохирургии продолжительное время заключалась в применении множества круглых пучков, сходящихся в изоцентр и имеющих одинаковую входную и выходную траектории. Эта парадигма максимизирует градиент дозы вне мишени и создает острый пик дозы в изоцентре. Так, например, в гамма-ноже имеется 201 сфокусированных источников 60Со, раз-
372
мещенных равномерно в полусферическом корпусе. Радиохирургия, реализуемая на ЛУЭ, использует несколько некомпланарных дуг, сфокусированных на мишень.
Для упрощения дозиметрического планирования радиохирургические команды обычно применяют стандартный набор дуг. Например, в Университете Флориды (США) набор состоит из девяти (при одном изоцентре) или пяти (при многоцентровом облучении) дуг, в Гейдельберге (Германия) набор включает одиннадцать дуг. Так как эти схемы основаны на коллиматорах с круглой апертурой и сферически симметричном расположении пучков, результирующее дозовое распределение является номинально сферическим. Наиболее значительное различие в дозовых распределениях, производимых различными наборами дуг, заключается в дозовом градиенте, достигаемом снаружи объема мишени. На рис. 12.27 демонстрируется стандартный девятидуговой набор, применяемый в Университете Флориды [35]. Этот набор состоит из сагиттальной дуги и четырех равно отстоящих некомпланарных дуг по обеим сторонам. Каждая дуга включает 100-градусное вращение гантри и 20-градусное вращение стола, разделяющее каждую из девяти дуг. Результирующее дозовое распределение является номинально сферическим на 80 %-ом (от максимума) изодозовом уровне, и диаметр 80 %-ной изодозовой оболочки приближенно соответствует диаметру круглого вторичного коллиматора. Кроме того, 80 %-ный изодозовый уровень в клинике Университета Флориды является, как правило, назначаемым уровнем изодозы, так как в этом случае достигается наибольшее значение градиента дозы (табл. 12.2).
Таблица 12.2
Типичные расстояния, на которых происходит уменьшение дозы до 50 % от назначаемого уровня изодозы [35]
Назначенная изо- |
10-мм диаметр |
24-мм диаметр |
35-мм диаметр |
доза (% от макси- |
коллиматора |
коллиматора |
коллиматора |
мума) |
|
|
|
95 |
3,6 |
5,7 |
8,3 |
90 |
3,1 |
4,5 |
6,2 |
80 |
2,5 |
3,8 |
5,7 |
70 |
2,5 |
3,9 |
6,3 |
Рис. 12.27. Значения углов стандартного набора из девяти дуг, наложенных на AP (anterior-posterior) рентгенограмму, реконструированную в цифровом виде (a).
Одиннадцать дуговых лучей, представляющих сагиттальную 100-градусную дугу. Передняя часть каждой дуги отстоит на 30о от вертикали, задняя часть каждой дуги отстоит на 50о от вертикали (б). Сферическое дозовое распределение, создаваемое стандартным набором из девяти дуг с 24-мм диаметром коллиматора. 80, 40 и 16 %-ные изодозовые кривые наложены на аксиальную, сагиттальную и коронарную проекции через изоцентр (в). Дозовый профиль в поперечном направлении в плоскости изоцентра, иллюстрирующий скорость спада дозы для двух разных значений назначенных изодоз. Левая часть демонстрирует назначение 95 %- ной изодозовой оболочки со спадом дозы до 47,5 %, происходящее через 5,7 мм.
Правая часть показывает назначение 80 %-ной изодозовой оболочки со спадом дозы до 40 %, происходящее через 3,8 мм (г) [35]
Назначаемая доза в СР обычно находится в пределах 10 – 30 Гр за одну фракцию, поэтому важно выбрать градиент дозы как можно более резким. Учитывая, что как 80 %-ные, так и 40 %-ные значения изодоз лежат на линейном участке дозового профиля, для планов облучения при одном изоцентре является оправданным использование 80 %-го изодозового уровня в качестве назначаемого. Для многоцентрических планов наложение изоцентров приводит к увеличению дозовой негомогенности. Если дозовое распределение нормируется на максимальную дозу, то наиболее резкий градиент дозы обычно тоже располагается снаружи 80 %-ной изодозовой поверхности. Поэтому понижение назначаемого уровня и здесь оказывается целесообразным.
Когда форма мишени отличается от сферической, то номинальное сферическое дозовое распределение становится неадекватным, так как область высокой дозы распространяется на соседние нормальные ткани. В тех случаях, когда мишень имеет эллипсоидальную форму, оптимальная конформность дозового распределения при использовании одного изоцентра может быть достигнута вариацией следующих средств: весовая корректировка дуг, выбор диаметра коллиматора, выбор начального и конечного углов дуг. В более сложных случаях может потребоваться применение метода нескольких изоцентров, при котором происходит суперпозиция сферических дозовых распределений, пространственно прилегающих одно к другому внутри объема мишени.
Весовая корректировка дуг. Взвешивание дуг является важным механизмом влияния на дозовое распределение. Вклад в дозу от каждой дуги можно изменять независимо от других дуг. В типичном варианте независимое манипулирование относительными дозовыми вкладами заключается в исключении определенных дуг из принятого стандартного набора. Исключение конкретной дуги (уменьшение ее веса до нуля) удлиняет изодозовое распределение в направлении оставшихся дуг. Тщательный выбор ориентации исключаемых дуг позволяет с помощью наклона изодозовых кривых согласовать изодозовое распределение с любым эллипсом, главные оси которого лежат в коронарной плоскости. Для примера на рис. 12.28,а показано удлинение изодозового распределения в направлении верх-низ с помощью исключения из стандартного девятидугового набора четырех поперечных дуг. Подобным образом
375
изодозовое распределение удлиняется в поперечном направлении при исключении трех верхних дуг (рис. 12.28,б).
Рис. 12.28. Влияние исключения дуг из стандартного девятидугового набора с 24мм коллиматором на изодозовое распределение: а – изодозовое распределение после исключения четырех поперечных дуг. 80, 40 и 16 %-ные изодозовые кривые показаны в аксиальной, сагиттальной и коронарной плоскостях, проходящих через изоцентр; б – изодозовое распределение после исключения трех верхних дуг [35]
В результате исключения дуг дозовый градиент увеличивается вдоль меньшей оси и уменьшается вдоль большей. Чаще всего данный прием используется не столько для улучшения конформности дозового распределения по отношению к мишени, сколько для уменьшения облучения на критические нервные ткани (OAR), находящиеся близко к мишени.
Изменение диаметра коллиматора. Вклад конкретной дуги в суммарное дозовое распределение эффективно варьируется также с помощью уменьшения или увеличения диаметра коллиматора. В некотором отношении этот механизм является более гибким, чем исключение дуг. Общая идея заключается в выборе конкретного диаметра коллиматора отдельно для каждой дуги, так чтобы апертура коллиматора близко соответствовала размерам проекции BEV мишени на конкретную дуговую плоскость. Так протяженность изодозового распределения по направлению «верх-низ» (высота) определяется величиной диаметра, выбранного для поперечных
дуг. В то время как поперечные размеры изодозового распределения (ширина) связаны в большей степени с величиной диаметра коллиматора у верхних дуг. Данный эффект демонстрируется на рис.12.29. Как можно видеть из рисунка, вариация диаметра коллиматора не приводит к экстремальному уширению изодозового распределения и изменению градиента дозы, как имеет место при исключении дуг. Скорее этот механизм служит для тонкой подгонки дозового распределения к объему мишени.
Рис.12.29. Влияние изменения диаметра коллиматора для каждой дуги на изодозовые распределения 80, 40, 16 и 8 % от максимальной дозы: а – сферическое изодозовое распределение в коронарной плоскости, проходящей через изоцентр, при одинаковых диаметрах коллиматоров; б – сжатие изодозового распределения при уменьшении диаметра у поперечных дуг [35]
Изменение углов начала и окончания дуг. Как показано на рис.
12.27,в стандартный набор из девяти дуг создает небольшой наклон изодозового распределения относительно направления AP. Это вызвано 10-градусным поворотом сагиттальной дуги в переднем направлении. Достаточно часто опухоли имеют разную ориентацию в AP плоскости. Для согласования изодозового распределения с ориентацией применяется изменение углов начала и конца дуги. Этот прием показан на рис. 12.30, где иллюстрируется к какому эффекту приводит удаление 50-градусной части дуги с заднего направления. Результирующее изодозовое распределение становится эллипсоидальным и симметрично повернутым относительно поворота раствора дуги. Другими словами, AP ориентация дозового распределения согласуется с центром раствора дуги. Данный меха-
низм чаще используется в случаях, когда необходимо избежать облучения критических структур, при этом изменяется также направление дозового градиента.
Рис. 12.30. Изменение изодозового распределения в сагиттальной плоскости, проходящей через изоцентр, при удалении части дуги (раствор дуги уменьшен со 100о
до 50о – правый нижний угол рисунка). Приводятся 80, 40 и 16 %-ные изодозовые кривые [35]
Многоцентровое облучение. Применение нескольких изоцентров является эффективным средством для создания конформного изодозового распределения для мишеней, форма которых отличается от эллипсоидальной. Теоретически, с помощью упаковки небольших сферически симметричных изодозовых распределений возможно достигнуть хорошей конформности с любой формой мишени [36]. Например, цилиндрическое изодозовое распределение можно получить, используя два изоцентра, а треугольное – используя три изоцетра, прямоугольное – четыре. При упаковке изоцентров важно не только достичь конформности назначенной изодозы по отношению к внешней поверхности мишени, но и полу-
378
чить достаточно гомогенное дозовое распределение внутри объема мишени. Для этого изоцентры необходимо правильно расположить относительно друг друга. Перекрытие дозовых распределений, естественно, вводит дополнительную негомогенность в дозовое распределение, поэтому для планов многоцентрового облучения обычно в качестве назначаемой берут 70 %-ную изодозовую обо-
лочку (рис. 12.31).
Рис.12.31. Суперпозиция на аксиальном срезе двух изоцентровых облучений (1 и 2), каждое из которых состоит из пяти дуг с 20-мм коллиматором и имеет наиболее резкий градиент дозы от 80 до 40%. Комбинация двух изоцентровых облучений с расстоянием между изоцентрами в 21 мм приводит к перекрытию распределений и образованию горячего пятна. Перенормировка на горячее пятно вызывает перемещение 80 % линии на плато в дозовом профиле. Выбор 70 %-ной (от мак-
симума) изодозы в качестве назначаемой приводит к существенно большему градиенту дозы, чем имеет место для 80 %-ной изодозы [35]
Оптимальное пространственное расположение изоцентров является сложной задачей. В Университете Флориды [28, 34, 35] для ее решения была разработана итерационная процедура (рис. 12.32) с использованием предварительно рассчитанных таблиц для каждого размера коллиматора. Алгоритм включает все рассмотренные выше степени свободы для управления дозовыми распределениями.
Пример применения многоцентрового плана облучения для облучения мишени нерегулярной формы приводится на рис. 12.33.
Рис. 12.32. Итерационный алгоритм, применяемый в Университете Флориды [35] для оптимизации изодозовых распределений в СР
На раннем этапе развития СР планировщики решали задачу оптимизации дозового распределения вручную. Используя СДП для расчета дозовых распределений, планировщик целенаправленно изменял расположения изоцентров, размеры коллиматоров и другие параметры пока не получал удовлетворительного изодозового распределения (см. рис. 12.32). Как отмечалось выше, это очень трудоемкая и требующая большого опыта процедура. Позднее были предложены разные варианты так называемых геометрических и морфологических алгоритмов для автоматического компьютерного планирования данной задачи (например [37 – 39]). Однако даже с их помощью не всегда удается в условиях клиники получить разумное решение.
