1 История развития лучевой терапии
Лучевая терапия– раздел клинической дисциплины, использующий ионизирующие излучения для лечения опухолевых и некоторых неопухолевых заболеваний. Она зародилась почти одновременно с лучевой диагностикой, т.е. тогда, когда человек узнал, что помимо привычного для него повседневного мира, существует незримый атомный мир – таинственный и странный мир фантастических скоростей и энергий, исчезающее малых длительностей и необычайных превращений.
Поздним вечером 1895 года Вильгельм Конрад Рентген сделал свое величайшее открытие. Он изучал катодные лучи, возникающие при прохождении электрического тока высокого напряжения через вакуумный стеклянный сосуд — катодную трубку. Трубка находилась перед ученым и была завернута в черную бумагу. Уже собираясь уходить, Рентген выключил свет и вдруг заметил свечение лежащих рядом кристаллов платиноцианистого бария. Оказалось, что ученый забыл отключить подачу высокого напряжения на катодную трубку. Кристаллы засветились. Известно, что катодные лучи полностью поглощаются стеклянной трубкой. Обычное свечение стекла не может пройти сквозь черную бумагу. Станет ли сама трубка источником неизвестного излучения? В тот момент Рентген, конечно, не мог знать, что он первый человек, услышавший сигнал из неизвестного атомного мира. Десятки физиков работали с катодной трубкой и, следовательно, получали рентгеновские лучи. Некоторые даже замечали странное свечение на экране или находили непонятные отпечатки на фотопластинках при работе с катодными трубками. Многие видели явление рентгеновского излучения, но видели его только рентгеновские лучи. В течение 2 недель Рентген не покидал лабораторию, неустанно исследуя новое явление. Здесь же он сделал первые рентгеновские снимки и, потрясенный, убедился, что можно видеть сквозь мягкие ткани костей человеческой руки. Скромный и осторожный, педантичный и придирчивый к показаниям эксперимента, ученый не торопился и только 28 декабря 1895 года передал научному обществу краткий доклад «Новый род лучей». 23 января 1896 года Рентген выступил с докладом перед научным обществом и сделал рентгеновский снимок кисти на глазах у изумленной публики. За выдающийся вклад в науку Рентген получил первую Нобелевскую премию по физике. В 1896 года в Чикаго американский физик Эмиль Груббе на основе трубки Крукса (прообраза электронной трубки) создал устройство, позволяющее фокусировать катодные лучи на аноде. При этом он, любопытства ради, не преминул подставить собственную кисть под пучок выходящих лучей, дабы исследовать их природу и способность воздействовать на живые ткани. Проделав сей опыт несколько раз, он заметил появление гиперемии, пузырьковых высыпаний, выпадение волос на тыльной поверхности руки в месте экспозиции, после чего решил проконсультироваться со знакомыми физиологами, чтоб объяснить природу этого явления. Один из них (история не сохранила его имя, к сожалению) заметил, что «любой физический агент, способный вызвать столь явные повреждения нормальных клеток,… мог бы способствовать и лечебной цели при наличии условий, когда разрушительный эффект являлся бы крайне желательным – например, при раке». Вскоре после того коллега переадресовал Груббе к некоей миссис Ли, страдавшей раком молочной железы. И миссис Ли впервые начала получать сеансы рентгенотерапии по поводу своей опухоли, ежедневно, по часу в день. Груббе использовал для этого трубку Крукса, непосредственно контактирующую с молочной железой, а остальные части тела пациентки учёный защищал, укрывая их свинцовыми листами от китайских чайных коробок. Таким образом и зародилась новая дисциплина – лучевая терапия. Первый (эмпирический) этап характеризовался очень спонтанным применением ионизирующего излучения (рентгеновского излучения), а также лечения препаратами радия, открытого супругами Марией Склодовской-Кюри и Пьером Кюри в конце 1898 г., для поражения поверхностных опухолей поражениями кожи. Однако первый опыт лучевого лечения оказался неудачным по причине незнания многих физических свойств излучения и особенностей его биологического действия, а также неоправданно широкого круга показаний к применению – от злокачественных новообразований, воспалительных процессов, эндокринных расстройств до заболеваний. сердечно-сосудистой системы, различные психические состояния, туберкулез, сифилис и т.д. По мере изучения физических характеристик различных видов ионизирующего излучения определяли единицу облучения, а затем и поглощенную дозу облучения, технически совершенствовались методы облучения, в зависимости от установленного биологического влияния на величину дозы и ее фракционирования, созданы предпосылки для теоретического обоснования лучевой терапии и . Успехи способствовали дальнейшим исследованиям, а технические усовершенствования в области техники лучевой терапии открыли путь к облучению более глубоко расположенных органов и тканей. Начался второй период развития лучевой терапии, идеологией которого стало однократное массивное облучении опухоли. Многочисленные наблюдения, накопленные к тому моменту времени, показали, что большинство опухолей значительно уменьшаются в размерах в результате гибели наиболее чувствительных элементов после воздействия большой дозой излучения одномоментно. Однако сопутствующие лечению повреждения окружающих тканей, а также выраженная интоксикация вследствие распада опухолевой ткани, лимитировали широкое применение данного способа облучения. Однако всё в жизни развивается по спирали, и в настоящее время, на новом витке радиологической науки и техники, однократное облучение опухоли прочно заняло своё место в лечении онкологических пациентов. Третий этап лучевой терапии связан с именем французского радиолога Клода Рего. Во главу угла была поставлена идеология 13 фракционирования дозы с целью избежания вышеозначенных осложнений. Учитывая кумулирование поглощённой дозы излучения в тканях, повторные облучения малыми дозами явились не менее эффективными, чем подведение всей дозы одномоментно, но позволяли избежать некроза тканей и тяжёлой интоксикации организма. В 1922 году Клод Рего и его сотрудники представили Международному конгрессу оториноларингологов в Париже 6 больных раком гортани, у которых были получены отличные результаты при проведении лучевой терапии. Трое из них хорошо себя чувствовали и не имели рецидивов даже спустя 15 лет после лечения. С этого момента стало ясно, что лучевая терапия – самостоятельная специальность, которой не должны «по совместительству» заниматься хирурги, гинекологи или онкологи общего профиля, поскольку, помимо технических знаний, требовалось самое серьёзное внимание к проблемам радиобиологии. Именно тогда французскими и русскими радиологами был выдвинут принцип индивидуального подхода к больному. На смену третьему этапу, для которого было характерно проведение лечения в условиях тщательного клинического наблюдения, но без твёрдого заранее составленного плана, пришёл новый, четвёртый этап, в основу которого группа английских физиков и радиологов (манчестерская школа) положила чёткий дозиметрический контроль и предельную точность в наводке пучка излучения на очаг. Это период ознаменовался тесным содружеством лучевых терапевтов и физиков, осуществляющих дозиметрическое планирование. Огромное значение стало уделяться скрупулёзному расчёту дозы излучения, поглощённой в опухоли и окружающих тканях, в т.ч. и критических органах (например, глаз, сердце, лёгкие), повреждение которых чревато необратимыми и порой губительными последствиями.
Наконец, пятый, современный этап в развитии лучевой терапии – этап кооперации различных подходов в лечении, не только чисто медицинских, но и физических, технических, радиобиологических, радиохимических и т.д.
2. Клинико-дозиметрическое планирование лучевой терапии
Основной принцип лучевой терапии – полное излечение опухоли при минимальном контакте со здоровыми тканями. Поэтому различают в основном 5 типов объемов облучения. Большой (макроскопический) объем –включает в себя видимую опухоль. Клинический объем мишени, включающий в себя видимую опухоль и объемы предполагаемого распространения. Планируемый объем включает клинический объем мишени и окружающие ткани с поправкой на вариации в размере, форме и положении относительно лечебных пучков, поэтому планируемый объем мишени является геометрической концепцией. Объем, получающий дозу, необходимую для радикального или паллиативного лечения с учетом реакции нормальных тканей, обозначается как объем лечения. Планируемый объем органа риска – это здоровые ткани и органы, попадающие в поле воздействия ионизирующего излучения при лучевой терапии. Все перечисленные объемы и контуры кожи должны быть изображены на всех срезах, используемых для планирования. Для перечисленных структур нужно выполнить гистограмму доза-объем. Служба предлучевой подготовки предназначена для проведения комплексной топометрии больных, подлежащих различным видам лучевой терапии с использованием биометрических, рентгенологических, изотопных, УЗ и МРТ методов исследования, для клинико-дозиметрического обеспечения курса лучевой терапии.
Предлучевая подготовка и клиническая топометрия. Основой лучевого лечения онкологических больных является правильное подведение заданной дозы к злокачественному очагу при минимальном облучении окружающих его здоровых органов и тканей. Определение размеров, площади, объема патологических образований, органов и анатомических структур, описание в количественных терминах их взаимного расположения (синтопии) у конкретного больного называется клинической топометрией. Для того, чтобы выбрать варианты и параметры программы облучения, нужно знать форму и размеры очага-мишени, ее ориентацию в теле пациента, а также синтопию окружающих органов и тканей, расстояние между мишенью и наиболее важными, с точки зрения распределения лучевой нагрузки, анатомическими структурами и «критическими органами». Эти сведения позволяют получить различные методы лучевой диагностики, но наиболее часто применяется для этих целей рентгеновская компьютерная томография.
Компьютерная томография – основное лучевое исследование для клинической топометрии при лучевой терапии. Вместе с тем, для учета физиологических движений (в основном, при дыхании) и связанных с ними смещений облучаемого объема, необходим метод визуализации, работающий в реальном времени: рентгеноскопия. Это исследование выполняется на специальном диагностическом рентгеновском аппарате ? рентгеновском симуляторе (рис. 10.2). Симулятором он называется потому, что по конструкции и параметрам своих штативных устройств имеет большое сходство с установками для лучевой терапии, но вместо терапевтического пучка используется рентгеновское диагностическое излучение. Излучатель снабжен маркером поля облучения и световым дальномером. В диагностическом поле, совпадающем с терапевтическим, определяются облучаемые структуры и расстояние источник ? поверхность. В части случаев рентгеновский симулятор выполняется в одном устройстве совместно с компьютерным томографом. Такое устройство называется симулятор-КТ и позволяет провести более точную подготовку больного к облучению. Рис. 10.2. Рентгеновский симулятор облучения. Данные, полученные при выполнении оперативных вмешательств, также позволяют определить размеры опухоли. Затем изготавливают схемы сечения тела на уровне «мишени» – так называемые топометрические схемы (т.е. производят клиническую топометрию). Современные компьютерные системы планирования облучения воспринимают топометрическую информацию непосредственно с магнитного носителя КТ и печатают топометрическую карту с нанесенным на ней выбранным распределением изодоз (рис. 10.3). Рис. 10.3. Создание контуров на компьютерной томограмме для расчета дозного распределения в компьютерной системе планирования облучения. Изодозные линии соединяют точки с одинаковым значением поглощенной дозы. Отмечают относительные значения – в процентах от максимальной поглощенной дозы, принимаемой за 100%. Для расчета изодозных кривых используются специальные компьютерные программы, которые учитывают пространственные параметры облучаемого объекта и дозиметрическую характеристику применяемого пучка излучения. Для того чтобы составить представление о распределении поглощенных доз в облучаемом объеме, на топометрические схемы наносят изодозные кривые и получают, таким образом, карту изодоз. В практике лучевой терапии дозное распределение считают приемлемым, если вся опухоль заключается в дозе 100-90%, зона субклинического распространения опухоли и регионарного метастазирования находится в пределах 80% изодозы, а здоровые ткани – не более 50-30% изодозы.
3. Классификация методов лучевой терапии
Принято выделять методы лучевой терапии:
1. По энергии различают орто-, мега- и супервольтные излучения. Ортовольтное излучение имеет энергию от 40 до 400 кэВ, мегавольтное – от 1 до 15 МэВ и супервольтное – свыше 15 МэВ.
2. По виду излучения. При применении квантовых излучений выделяют рентгенотерапию, гамма-терапию, а при использовании корпускулярных излучений – электронную, нейтронную терапию и терапию тяжелыми заряженными частицами (протонами, пи-мезонами, альфа-частицами).
3. По способу подведения энергии к очагу. В практике лучевой терапии имеется разделение по способу облучения на наружные и контактные методы. В настоящее время лучевая терапия онкологических больных осуществляется путем использования трех основных способов подведения ионизирующих излучений: 1) дистанционное, применяемое у 95-98% больных, подлежащих лучевой терапии; 2) контактное (аппликационное, внутриполостное, внутрипросветное, внутритканевое); 3) системное (внутрисосудистое, внутриплевральное), используемое не более чем в 0,5% случаев. Дистанционными считаются все способы, при которых источник излучения располагается на расстоянии от облучаемого объекта. К контактным относятся такие методы, при которых источник непосредственно прилежит к облучаемым тканям. Дистанционное облучение может осуществляться статическим (неподвижное состояние источника и больного в процессе лечения) и подвижным (перемещение источника по отношению к неподвижному больному или больного в пучке излучения) методами. Статическое облучение чаще всего осуществляют так называемым открытым полем, когда между источником и больным нет никаких преград, и пучок имеет конфигурацию, придаваемую ему коллимирующим устройством аппарата. Помимо облучения открытым полем применяют формирующие устройства, придающие пучку излучения необходимую конфигурацию. В качестве формирующих устройств используются клиновидные и решетчатые фильтры, расщепляющие и экранирующие блоки, многолепестковые коллиматоры. Подвижное облучение проводится в виде ротационного, маятникового, а также ротационного облучения с переменной скоростью. Основу технических средств современной лучевой терапии составляют гамма-терапевтические аппараты и линейные ускорители. Причем, в последнем случае может быть использовано как фотонное, так и электронное излучение. В настоящее время условно все методы дистанционной радиотерапии можно разделить следующим образом: конвенциальное облучение (conventional irradiation), конформное (conformal irradiation) и интенсивно модулированная радиотерапия (intensity-modulated radiation therapy – IMRT), корректируемая по изображениям (image guided radiation therapy – IGRT). Конвенциальное (традиционное) лучевое лечение базируется, в основном, на использовании сравнительно простых методик облучения пациентов (формированием полей облучения при помощи диафрагм с неизменяемой степенью поглощения ионизирующего излучения, стандартных свинцовых блоков и клиновидных фильтров, болюсов). Выбор центра и границ поля при конвенциальной лучевой терапии осуществляется на основе проекционного изображения, полученного под заданным углом. Для конвенциального лучевого лечения также характерно применение двумерного планирования с использованием для позиционирования облучаемого объема рентгенографии или шаговой компьютерной томографии и рентгеновского симулятора облучения. В конвенциальной лучевой терапии, как правило, не вводятся цифровые копии рентгенограмм и компьютерных томограмм в компьютерную систему планирования облучения (КСПО), а используются твердые копии лучевых изображений. План облучения проверяется на симуляторе и реализуется на линейном ускорителе электронов или дистанционном гамма-аппарате. Для дозиметрического обеспечения лечебного процесса используются водные фантомы с устройствами перемещения датчиков и простейшие тканеэквивалентные фантомы. Традиционная лучевая терапия до сих пор используется в клинической практике. Конформное облучение (conformal irradiation) явилось следующим этапом развития лучевой терапии. При конформном радиационном воздействии обязательно используется трехмерное планирование облучения. Применяются аппараты, включающие рентгеновский симулятор облучения и компьютерную томографическую приставку (симулятор-КТ), что позволяет провести более точную подготовку пациента к лучевой терапии, в том числе и чрез поля облучения сложной конфигурации. Более современные средства определения облучаемого объема представлены КТ-симулятором, в основе которого спиральный рентгеновский компьютерный томограф, обеспечивающий трехмерное изображение опухоли и окружающих здоровых тканей. При конформном облучении для создания более точного дозового распределения в облучаемом объеме применяются различные варианты фигурных блоков. Одной из разновидностей конформной лучевой терапии является технология гамма-нож (Leksell Gamma Knife) – установка для стереотаксической радиохирургии преимущественно патологий головного мозга. Источниками ионизирующего излучения в гамма-ноже являются источник радиоактивного кобальта ( 60Co. Излучение от всех источников собирается вместе и действует подобно неинвазивному хирургическому ножу (к патологическому очагу однократно подводится доза до 60-70 Гр, достаточная для гибели опухоли или облитерации сосудистой мальформации). Диаметр изодозовой сферы определяется вторичным сменным коллимационным шлемом из вольфрама. Подобно нейрохирургической операции, процедура лечения проводится однократно, однако при этом отсутствуют разрезы кожи и нет необходимости проводить трепанацию черепа. Радиохирургия считается самым значимым достижением в развитии нейрохирургии за последние 20 лет. Благодаря своей надежности, точности и эффективности гамма-нож считается «золотым стандартом» в радиохирургии. Стоимость процедуры лечения с помощью стереотаксической радиохирургической системы гамма-нож дешевле, чем хирургическая операция вместе со всем комплексом лечебных и реабилитационных услуг. Метод эффективен и может применяться при наличии патологических очагов размером не более 3-3,5 см. Обусловлено это тем, что при больших размерах лучевая нагрузка на здоровую ткань, а, следовательно, и вероятность развития постлучевых осложнений, становится чрезмерно высокой. К стереотаксической радиохирургии относится также применение в лечебных целях заряженных частиц – протонов. За счет реализации пика Брэга и формирования всего двух-трех конформных полей удается добиться такого же дозного распределения, как и при использовании многопольной (5 и более полей) модулированной по интенсивности лучевой терапии. В настоящее время в мире функционируют 28 центров протонной лучевой терапии. Основной частью аппаратов для протонной терапии является циклический или линейный ускоритель. Наилучших клинических результатов протонное облучение позволило достичь при хордомах основания черепа, саркомах, офтальмологических опухолях. Так, десятилетняя выживаемость больных с меланомой сетчатки достигает 98% при сохраненном зрении. Применение этих установок для лучевой терапии сдерживается их высокой стоимостью (?100 000 000$). Следующим шагом в развитии лучевой терапии стала интенсивно модулированная радиотерапия (intensity-modulated radiation therapy, IMRT). Дополнительное формирование пучка достигается использованием многолепесткового коллиматора. Он имеет подвижные лепестки, блокирующие определенную часть радиационного пучка. Обычно многолепестковые коллиматоры имеют от 20 до 80 и более лепестков, расположенных парами. Компьютерное управление положением лепестков дает возможность генерировать поле необходимой формы. Устанавливая лепестки в требуемую позицию, получают поле, наиболее соответствующее форме опухоли. Регулировка поля делается посредством изменений в компьютерном файле, содержащем установки для лепестков. Для распознавания положения лепестка видеооптическая система использует тот же источник света, что и для позиционирования пациента. Обратный рефлектор монтируется вблизи конца каждого лепестка. Видеосигнал оцифровывается и формируется изображение, демонстрирующее положения рефлекторов. При IMRT имеет место непрерывная регулировка формы терапевтического радиационного поля в проекции запланированного объема мишени во время сеанса облучения. Использование IMRT в клинике требует абсолютно обязательного выполнения следующих условий: ? наличия корректного изображения первичной опухоли и окружающих ее структур, полученного с помощью лучевых методов диагностики; ? учета возможного физиологического движения мишени (опухоль) и других органов; ? жесткой иммобилизация пациента на лечебном столе радиотерапевтического аппарата. Для иммобилизации при IMRT используется более жесткая иммобилизация, чем при конформной и конвенциальной лучевой терапии. Обычно на стол накладывается специальная планка из карбонового волокна, которая, в сочетании с применением термопластических материалов, дает возможность сохранять одно и то же положение пациента в течение всего времени проведения сеанса радиотерапии. К планированию IMRT предъявляются достаточно жесткие требования. Дозное распределение должно полностью соответствовать следующим критериям: 95% PTV получает >95% от планируемой дозы; 120% от планируемой дозы. IMRT обеспечивает более избирательное лучевое воздействие на опухоль по сравнению с конвенциальной и конформной лучевой. Быстро развиваются также методы преодоления проблемы перемещения опухолей и органов. Части тела перемещаются как в период сеансов лучевой терапии, так и между ними вследствие дыхания, пищеварения и небольших отличий в положении пациента во время каждого сеанса лучевой терапии. Такое перемещение может приводить к получению чрезмерной дозы излучения нормальными тканями, окружающими опухоль, и неправильному лечению самой опухоли. Лучевая терапия, корректируемая по изображениям (image guided radiation therapy – IGRT), предусматривает получение лучевых изображений опухоли, окружающих здоровых тканей непосредственно перед сеансом лучевой терапии и во время него. Эти изображения используются для определения перемещения опухоли и здоровых тканей и коррекции направления терапевтического пучка излучения в соответствии с вышеуказанными перемещениями. В соответствии с системой дыхательного «затвора», которая включает и отключает терапевтический пучок излучения синхронно с дыханием, можно ограничить лечение частью дыхательного цикла, когда опухоль находится в поле терапевтического пучка, и тем самым ограничить планируемый объем облучения. Это дает возможность увеличить поглощенную дозу в опухоли и уменьшить дозу, приходящуюся на окружающие ее здоровые ткани. При этой технологии может использоваться конусный или веерный пучок терапевтического излучения. Веерный пучок излучения используется в наиболее современном методе лучевой терапии – томотерапии. Томотерапия представляет собой инновационный радиотерапевтический метод, позволяющий реализовать Конвенциальная лучевая терапия Конформная лучевая терапия Лучевая терапия с модулированной интенсивностью PTV CTV GTV интенсивно модулированную радиотерапию (IMRT) и лучевую терапию с коррекцией изображения (IGRT). Метод основан на послойном облучении веерным пучком фотонов с модуляцией интенсивности и реализуется при помощи установки, комбинирующей в себе функциональные возможности линейного укорителя и спирального компьютерного томографа. Установка для томотерапии представляет собой кольцевую консоль, в которой монтируются подсистемы линейного ускорителя и детекторов для компьютерной томографии. В томотерапевтической системе вместо рентгеновского излучения, генерируемого рентгеновской трубкой для получения компьютерных томограмм, используется терапевтическое тормозное излучение высоких (мегавольтных) энергий, которое коллимируется в веерный пучок при помощи щелевидного многолепесткового коллиматора. Модуляция интенсивности радиационного пучка достигается при помощи многолепесткового коллиматора, состоящего из набора пластин или лепестков. В процессе облучения лепестки могут перемещаться между двумя положениями – «закрыто» и «открыто», блокируя радиационный пучок в соответствии с заданным планом.
