Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 24 – vyšlo 9. července, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

24/2021

Radiace, která léčí – část druhá

David Zoul

V tomto dílu si představíme některé vychytávky, které jsou pro obor radioterapie charakteristické a v různé podobě víceméně společné napříč celým spektrem různých ozařovacích technik, metod a přístrojů.

Plánování radioterapeutického zákroku je realizováno na podkladě 3D snímků CTCT – Computed Tomography, počítačová tomografie. Zobrazovací metoda vyvinutá Godfreyem Hounsfieldem a Alanem Cormackem na přelomu 60. a 70. let minulého století. Využívá rozdílnou schopnost struktur různé hustoty pohlcovat rentgenové záření (vyjádřenou v tzv. Hounsfieldových jednotkách) a zpětnou Fourierovu transformaci obrazu. Zobrazuje tenké řezy (tomogramy) skenovaným objektem prostřednictvím rentgenky a protilehlého detektoru, rotujících společně okolo objektu. Složením jednotlivých tomografických řezů vznikne kompletní 3D obraz., popřípadě MRIMRI – Magnetic Resonance Imaging, zobrazení magnetickou rezonancí, lékařská zobrazovací metoda či zobrazovací zařízení, využívající jevu nukleární magnetické rezonance (NMR) pro 3D zobrazování struktur uvnitř těla. Klasická MRI je nastavena na spinovou rezonanci s jádry vodíku a rozlišuje tak struktury v těle nepatrně se lišící koncentrací vody. V současnosti existuje též tzv. funkční magnetická rezonance, která je citlivá na spinovou rezonanci s jádry železa v červeném krevním barvivu. Tato metoda dovoluje zobrazit stupeň prokrvení různých tkání a jejich částí, což umožňuje například odlišit momentálně aktivní oblasti mozku od nečinných., pořízených přístroji zvanými radio­tera­peutické simulátory (též plánovací CT/MRI). Hotový ozařovací plán je poté vložen do verifikačního systému, který řídí činnost ozařovače. Aby byla zajištěna co nejvěrnější realizace naplánované dávkové distribuce uvnitř pacienta, je zapotřebí zajistit, aby jeho poloha na ozařovacím stole vůči souřadnicovému systému lineárního urychlovače přesně odpovídala poloze, v jaké se pacient nacházel na stole CT-simulátoru, resp. MRI-simulátoru, podle jejichž výstupů byl vypočten ozařovací plán. K tomuto účelu slouží celá škála velice důmyslných systémů, z nichž některé si představíme v první části tohoto bulletinu.

Ve druhé části se seznámíme se základními technikami radioterapie s modulovanou intenzitou svazku, jež dovoluje do každého voxeluVoxel – Volumetric Element, označuje element objemu představující hodnotu v pravidelné mřížce třídimenzionálního (3D) prostoru. Jde vlastně o analogii k pixelu, který reprezentuje hodnotu v 2D mřížce. Stejně jako pixel je perfektní čtverec, voxel je perfektní krychle. ozařovaného objemu deponovat přesně definovanou dávku záření, pokrýt tak dokonale i složitě tvarované cílové objemy a vyhnout se blízkým kritickým orgánům.

Závěrečnou část bulletinu věnujeme technikám 4D plánování a 4D radioterapie, u nichž metoda léčby zářením pokročila tak daleko, že již nevnímají pacienta jako statický objekt, ale dokážou postihnout realitu živého organizmu coby dynamického systému, který je proměnlivý v prostoru a čase.

Nahoře: moderní 4D systém Trilogy, dole ovládací konzole. Zdroj: Varian.

CT – Computed Tomography, počítačová tomografie. Zobrazovací metoda vyvinutá Godfreyem Hounsfieldem a Alanem Cormackem na přelomu 60. a 70. let minulého století. Využívá rozdílnou schopnost struktur různé hustoty pohlcovat rentgenové záření (vyjádřenou v tzv. Hounsfieldových jednotkách) a zpětnou Fourierovu transformaci obrazu. Zobrazuje tenké řezy (tomogramy) skenovaným objektem prostřednictvím rentgenky a protilehlého detektoru, rotujících společně okolo objektu. Složením jednotlivých tomografických řezů vznikne kompletní 3D obraz. MRI – Magnetic Resonance Imaging, zobrazení magnetickou rezonancí, lékařská zobrazovací metoda či zobrazovací zařízení, využívající jevu nukleární magnetické rezonance (NMR) pro 3D zobrazování struktur uvnitř těla. Klasická MRI je nastavena na spinovou rezonanci s jádry vodíku a rozlišuje tak struktury v těle nepatrně se lišící koncentrací vody. V současnosti existuje též tzv. funkční magnetická rezonance, která je citlivá na spinovou rezonanci s jádry železa v červeném krevním barvivu. Tato metoda dovoluje zobrazit stupeň prokrvení různých tkání a jejich částí, což umožňuje například odlišit momentálně aktivní oblasti mozku od nečinných. Záření X – v oboru lékařské fyziky je to fotonové ionizující záření vytvářené generátory (urychlovači elektronů, synchrotrony apod.). Od záření gama se liší především spojitostí svého spektra a tím, že není přírodního původu. V jiných oborech fyziky se používají jiná kritéria – například v astrofyzice se neřeší původ ani spektrum záření, za záření X je považováno ionizující fotonové záření o energii nižší, než má záření gama. Nikde však není striktně stanoveno, o jak velkou energii se má vlastně jednat. Jaderná fyzika považuje za záření X ionizující fotonové záření emitované kvantovými přechody v atomovém obalu, zatímco záření gama za ionizující fotonové záření emitované kvantovými přechody v atomovém jádře. V tomto případě jsou spektra obou dvou typů záření čárová a energie záření X a gama se mohou bez problémů překrývat. OK – vzdálenost Ohnisko – Kůže. V rentgenové terapii a diagnostice udává vzdálenost mezi ohniskem rentgenky a povrchem těla pacienta. SSD (radioterapie) – Source Skin Distance, vzdálenost zdroje od pokožky. Jde o anglickou obdobu české zkratky OK (vzdálenost ohnisko – kůže) používané běžně v megavoltážní teleterapii. Monitorovací jednotka – MU, Monitor Unit; nejmenší kvantum energie, které je urychlovač schopen vyzářit. Každá MU odpovídá 1 cGy v SSD 100 v tzv. referenční hloubce pod hladinou vody.

IGRT – Image Guided Radiotherapy

Systémy radioterapie řízené obrazem (IGRT) dovolují boční (LL) a předozadní (AP), respektive zadopřední (PA) snímkování vnitřních struktur pacienta přímo na ozařovacím stole, několik minut před samotným ozařováním, nebo dokonce i během něho. Snímkování může být realizováno buď prostřednictvím vestavěného kilovoltážního RTG zařízení zvaného On-Board Imaging (OBI), využívajícího klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření, nebo pomocí megavoltážního RTG zařízení zvaného PortalVision, využívajícího přímo nejměkčí složku záření X (6 MeV) generovanou samotným urychlovačem a maticový detektor citlivý na toto záření.

Obr. 1: Kompletně vysunutý systém IGRT

1. OBI – On Board Imaging

Systém OBI se z parkovací pozice vysouvá prostřednictvím dvojice protilehlých robotických ramen, z nichž jedno drží snímkovací hlavici s rentgenkou, druhé pak maticový detektor. Ten zpravidla převádí vysokoenergetické fotonové záření nejprve na viditelné světlo prostřednictvím vhodné fluorescenčníFluorescence – jev, při kterém je v důsledku absorpce světla látkou vyzářeno světlo na jiné, zpravidla delší vlnové délce. Pohlcené fotony excitují elektrony v atomárních obalech a ty poté při přechodu na nižší hladinu vyzáří opět světlo. Při pohlcení dvou fotonů naráz může být vyzářeno i světlo kratší vlnové délky. Jev poprvé pojmenoval v roce 1852 George Gabriel Stokes. vrstvy. Světlo emitované z této vrstvy je poté snímáno maticí citlivých fotodiod, které je převedou na elektrické signály, jež dále elektronika v reálném čase přetransformuje v obraz na monitoru.

Obr. 2: Snímkování pacienta systémem OBI. Zdroj: Archiv LBP.

2. CBCT – Cone Beam Computed Tomography

Krom snímkování z diskrétních poloh (zpravidla AP a LL) umožňuje kilovoltážní systém OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření. provést rovněž snímkování během celého kyvu gantryGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta., kdy se rentgenka a „flat panel“ postupně otočí okolo pacienta o 360°. Zpětnou Fourierovou transformacíFourierova transformace – integrální transformace, která skládá neperiodický signál ze sinů a kosinů (resp. kmitavých komplexních exponenciál), v případě prostoročasu z rovinných vln. Původní signál (vzor) je integrálem všech parciálních signálů (obrazů). Transformace probíhá buď mezi časovou a frekvenční oblastí, nebo mezi prostoročasem a k-prostorem daným vlnovým čtyřvektorem. se pak získá 3D obraz nitra pacientova těla zcela analogicky, jako u výpočetního tomografu (CT)CT – Computed Tomography, počítačová tomografie. Zobrazovací metoda vyvinutá Godfreyem Hounsfieldem a Alanem Cormackem na přelomu 60. a 70. let minulého století. Využívá rozdílnou schopnost struktur různé hustoty pohlcovat rentgenové záření (vyjádřenou v tzv. Hounsfieldových jednotkách) a zpětnou Fourierovu transformaci obrazu. Zobrazuje tenké řezy (tomogramy) skenovaným objektem prostřednictvím rentgenky a protilehlého detektoru, rotujících společně okolo objektu. Složením jednotlivých tomografických řezů vznikne kompletní 3D obraz.. Na rozdíl od klasického výpočetního tomografu, kde je paprsek plochý, detektor lineární a po jednom kyvu je získána rekonstrukce pouze jediného tenkého řezu (řecky tomos), vytváří systém OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření. kónický paprsek ve tvaru protáhlé pyramidy, který je snímán nikoliv jen jednou řadou fotodiod, ale celou maticí fotodiod. Již v průběhu jediného kyvu tak získáme 3D rekonstrukci značně rozsáhlého objemu těla.

Obr. 3 (video): Snímkování pacienta systémem CBCT. Zdroj: Varian, Siemens.

Díky zmíněnému kónickému tvaru svazku dostala uvedená metoda snímkování anglický název Cone Beam Computed Tomography (CBCT). Na rozdíl od dvourozměrných AP a LL projekcí, dovoluje systém CBCT získat ve velmi krátké době úplný 3D obraz kostních a dalších struktur v místě, které se následně bude ozařovat. To představuje daleko více informací, podle kterých se poté ozařovač řídí během tzv. matchingu, kdy přístroj automaticky analyzuje obraz, srovnává polohu struktur na snímcích z CT-simulátoru s aktuální polohou stejných struktur získaných metodou CBCT, počítá a následně též fyzicky provádí korekci polohy pacienta ve všech třech osách pravoúhlého souřadnicového systému, než dojde k samotné iradiaci nádorového ložiska.

3. PortalVision

Systém PortalVision se vysouvá na dalším, v pořadí již třetím robotickém ramenu přímo do cesty magavoltážnímu svazku generovanému lineárním urychlovačem. Konstrukce jeho maticového detektoru je podobná jako u systému OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření., rozdíl je především ve složení luminoforu, který musí v tomto případě reagovat na megavoltážní záření X. Tato vlastnost předurčuje PortalVision Imager nejen k velmi rychlému stanovení polohy pacienta, ale umožňuje provádět rovněž tzv. portálovou dozimetrii, o které budu hovořit za chvíli.

Obr.4: Vysunutý detektor PortalVision

4. kV – MV snímkování

Simultánním použitím OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření. a PortalVision lze získat předozadní a boční projekci pacienta bez nutnosti rotace gantryGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta., tzn. prakticky v jediné minutě.

Obr. 5 (video): Schéma kV – MV snímkování Zdroj: Varian.

5. Matching

Jakmile je získán dostatečný objem informací o aktuální poloze pacienta na ozařovacím stole, provede systém na příkaz radiologického asistenta automatický matching. Při něm umělá inteligence srovnává obraz pořízený v souřadnicovém systému radioterapeutického simulátoru, podle něhož byl připraven ozařovací plán, s aktuálně získaným obrazem polohy pacienta v souřadnicovém systému radioterapeutického ozařovače. Následně vypočte korekci polohy, po níž oba obrazy navzájem přesně splynou. Lékař si může následně prohlédnout vypočtený výsledek a v případě potřeby ještě provést jeho manuální korekci (tzv. manuální matching). Poté radiologický asistent tlačítkem Aply Shift vydá ozařovači příkaz k fyzické korekci polohy pacienta na ozařovacím stole. Ozařovací stůl automaticky provede změnu polohy ve všech třech osách s přesností lepší než 1 mm. Teprve po této korekci může úspěšně proběhnout iradiace nádorového ložiska.

Obr. 6 (video): Ovládací terminál moderního ozařovače TrueBeam a matching

MLC – MultiLeaf Colimator a konformní radioterapie

V „pravěkých“ dobách radioterapie bývalo ozařovací pole vymezeno pouze rovnými clonami, takže jsme byli nuceni pracovat jen s obdélníkovými tvary polí. Pro přesnější vymezení svazku záření na cílový objem bylo nutno pro každé ozařovací pole extra navrhovat a odlévat speciální clony z Roseova kovuRoseův kov – slitina tří kovů s velmi nízkou teplotou tání – bismutu, cínu a olova. V metalurgii platí, že slitiny mívají zpravidla nižší teplotu tání než jejich složky. Teplota tání Roseova kovu je necelých 100 °C. Technicky se jedná v podstatě o známý Woodův kov (teplota tání 63 °C), který je pouze ochuzen o toxické kadmium. přímo na radioterapeutickém pracovišti.

S vynálezem mnohalistového kolimátoru (MLC) se vše od základů změnilo. MultiLeaf Colimator sestává zpravidla z 60 párů protilehlých masivních wolframových lamel, širokých v některých případech pouhý jeden milimetr. Každá lamela je poháněna vlastním motorem a může se proto pohybovat zcela nezávisle na ostatních. Vymezení ozařovacího pole je tak možno velmi přesně nastavit již v plánovacím systému a lineární urychlovač jej během iradiace věrně reprodukuje prostřednictvím MLC. Zrodila se tzv. konformní radioterapie (CRTCRT – Conformal RadioTherapy, radioterapie s přesným vymezením ozařovacího pole na oblast nádorového ložiska, prostřednictvím mnohalistového kolimátoru (MultiLeaf Colimator).).

Obr. 7: Vymezení ozařovacího pole lamelami MLC

IMRT – Intensity Modulated Radiotherapy

Vynález MLC předznamenal ještě odvážnější krok konstruktérů, který vyústil v další revoluci v radioterapii. Tzv. dynamický MLC (který představuje v podstatě jen změnu v řídícím softwaru) umožnil, aby se lamely MLC i v průběhu ozařování neustále pohybovaly a namísto ozařování staticky ohraničeného pole prováděly v podstatě jeho skenování. Do každého pixelu (vymezeného v jednom směru pouze šířkou lamely MLC a ve směru kolmém takřka libovolně úzkého), pak lze vhodným pohybem „skenovací štěrbiny“ dynamického MLC vyzářit v podstatě libovolnou předem definovanou dávku záření.

Obr. 8: Znázornění principu využití dynamického MLC v ozařovací technice IMRT

V principu tak není problém vložit do plánovacího systému libovolnou fotografii a lineární urychlovač ji poté „vypálí“ například na radiografický film, nebo na PortalVision a zobrazí na monitoru – viz obr. 9.

Obr. 9: Portrét dívky vyzářený metodou IMRT, zaznamenaný
prostřednictvím PortalVision

Co by mohlo na první pohled vypadat jen jako neškodná zajímavůstka či drobné vylepšení, mělo nakonec dramatický dopad na celý další vývoj a směřování oboru radioterapie.

Pokud spojíme výhody dynamického MLC s možnostmi terapeutického urychlovače libovolně rotovat okolo pacienta a ozařovat nádorové ložisko z mnoha různých úhlů, zjistíme, že jsme se od možnosti vyzářit přesně definovanou dávku do každého nepatrného pixelu, rázem posunuli k možnosti vyzářit libovolnou přesně definovanou dávku do každého voxeluVoxel – Volumetric Element, označuje element objemu představující hodnotu v pravidelné mřížce třídimenzionálního (3D) prostoru. Jde vlastně o analogii k pixelu, který reprezentuje hodnotu v 2D mřížce. Stejně jako pixel je perfektní čtverec, voxel je perfektní krychle. uvnitř pacientova těla. A to už je opravdu zajímavé.

Výše popsaná technika se nazývá radioterapií s modulovanou intenzitou svazku (IMRT) a po roce 2000 se postupně stala radioterapeutickým standardem. Ačkoli je poměrně náročná na výpočetní kapacitu, technika počátku 21. století si s tím již dokázala hravě poradit. Výpočetní náročnost je přesto natolik vysoká, že je vhodné většinu IMRT ozařovacích plánů ještě dozimetricky verifikovat, než je aplikujeme živému pacientu. Také k tomuto účelu se perfektně hodí portálová dozimetrie, zejména vzhledem k bezkonkurenčně vysoké hustotě detektorů uvnitř PortalVision Imageru.

Obr. 10: Verifikace IMRT ozařovacích plánů prostřednictvím portálové dozimetrie

Plošná dávková distribuce vypočtená plánovacím systémem pro každé jednotlivé IMRT pole (levý obraz na monitoru – obr. 10) je při této tzv. gama analýze porovnávána s dávkovou distribucí vyzářenou pokusně lineárním urychlovačem na PortalVision detektor (pravý obraz na monitoru – obr. 10) dle tohoto ozařovacího plánu. Vzájemným odečtením obou dvou obrazů (prostřední obraz na monitoru – obr. 10) získáme informaci o tom, nakolik věrně je ozařovač schopen reprodukovat daný ozařovací plán do reálného pacienta. V ideálním případě bychom po odečtení obou obrazů měli dostat v celé ploše nulovou hodnotu. V reálu však výsledek vypadá zpravidla nějak tak, jako na obr. 11 a pouze podrobná matematická analýza rozhodne, zda jsou rozdíly v mezích tolerance a ozařovací plán je možno aplikovat.

Obr. 11: Gama analýza IMRT ozařovacího plánu během
jeho verifikace portálovou dozimetrií

Výhody IMRT oproti CRT

Jak plyne z předešlého, dovoluje technika IMRTIMRT – Intensity Modulated Radiotherapy, radioterapie s modulovanou intenzitou svazku. lepší pokrytí cílového objemu při současném šetření důležitých orgánů ležících v jeho těsné blízkosti, než umožňuje CRTCRT – Conformal RadioTherapy, radioterapie s přesným vymezením ozařovacího pole na oblast nádorového ložiska, prostřednictvím mnohalistového kolimátoru (MultiLeaf Colimator).. Na obr. 12 je dvakrát stejný CT řez pánevní oblastí pacienta s karcinomem prostaty. V levé části vidíme ozařovací plán technikou IMRT, vpravo pak ozařovací plán klasickou technikou „box“ bez použití IMRT. Červená kontura uprostřed označuje cílový objem, který je potřeba pokrýt minimálně 95% izodózouIzodóza – plocha v prostoru, kterou charakterizuje všude stejná velikost absorbované dávky, popřípadě dávkového příkonu.. Kruhový útvar v dolní části je rektum, modře konturovaný objekt ve střední části spíše nahoře, představuje močový měchýř. V obou případech se jedná o kritické orgány, neboť jsou relativně radiosenzitivní a leží v těsné blízkosti ozařovaného cílového objemu. Teplejší barvy značí vyšší absorbovanou dávku. Je dobře patrné, kterak se technika IMRT mistrně vyhýbá rektu, zatímco technika „box“ jej zasahuje minimálně ze 2/3 plnou dávkou. Rovněž procentuální ozáření objemu močového měchýře vychází u techniky IMTR o něco příznivěji.

Obr. 12: Srovnání IMRT (vlevo) a CRT (vpravo)
ozařovacích plánů radioterapie prostaty

Dynamická IMRT radioterapie. Zdroj: Varian Medical Systems.

RapidArc

Když už jsme se naučili provádět techniku IMRTIMRT – Intensity Modulated Radiotherapy, radioterapie s modulovanou intenzitou svazku. z diskrétních úhlů (vždy lichého počtu), proč nejít ještě dál, a nezkusit totéž v průběhu spojitého kyvu (podobně, jako když jsme OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření. techniku nahradili technikou CBCT). Z této myšlenky se na konci prvního desetiletí nového století zrodila ozařovací metoda zvaná RapidArc. Pusťte si ilustrační video k metodě – vydá za tisíc slov. Jak dokládají ozařovací plány na obr. 13, dovoluje RapidArc v porovnání s technikou IMRT další zpřesnění v doručení požadované dávky do cílového objemu.

Ozařovací metoda RapidArc. Zdroj: Varian Medical Systems.

Obr. 13: Srovnání ozařovacích plánů IMRT (vlevo) a RapidArc (vpravo) radioterapie. Je dobře patrné, že obě dvě metody dokážou velmi kvalitně pokrýt nádorové ložisko, avšak metoda RapidArc je ještě šetrnější k okolním zdravým tkáním..

Tomoterapie

Jedná se o metodu realizace IMRTIMRT – Intensity Modulated Radiotherapy, radioterapie s modulovanou intenzitou svazku., která je založena na principu počítačové tomografieCT – Computed Tomography, počítačová tomografie. Zobrazovací metoda vyvinutá Godfreyem Hounsfieldem a Alanem Cormackem na přelomu 60. a 70. let minulého století. Využívá rozdílnou schopnost struktur různé hustoty pohlcovat rentgenové záření (vyjádřenou v tzv. Hounsfieldových jednotkách) a zpětnou Fourierovu transformaci obrazu. Zobrazuje tenké řezy (tomogramy) skenovaným objektem prostřednictvím rentgenky a protilehlého detektoru, rotujících společně okolo objektu. Složením jednotlivých tomografických řezů vznikne kompletní 3D obraz.. Zdrojem záření je lineární urychlovač s fotonovou energií zpravidla 6 MeV, který rotuje kolem pacienta. Svazek záření je modulován binárním MLC, který realizuje buď otevřený, nebo uzavřený obdélníkový ozařovací segment. Tímto způsobem je svazek rozdělen na mnoho menších svazků a dochází tak k jeho modulaci v rámci ozařovacího pole. Tato technika v sobě kombinuje výhody počítačového tomografu a lineárního urychlovače vybaveného technikou RapidArc. Ozařovací pole je plošší než u klasického gantry systémuGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta. a k pokrytí celého cílového objemu je využíván longitudinální posun pacienta v průběhu ozařovacího procesu.

Obr. 14: Schéma tomoterapeutického ozařovače

Výhodou tomoterapie je především celkově vyšší konstrukční rigidita zařízení. GantryGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta. klasického clinacuLINAC – zkratka používaná pro lineární urychlovače (LINear ACcelerator). Příkladem může být první urychlovací předstupeň Velkého hadronového kolideru v CERNu. V případě radioterapeutických účelů někdy užívá zkratky clinac. má tvar písmena L, přičemž ozařovací hlavice je stíněna masivními bloky olova z důvodu pohlcení neužitečného zářeníNeužitečné záření – všesměrové záření X vznikající při dopadu elektronového paprsku na terčík, které míří jiným směrem než do štěrbiny kolimátoru vymezující primární svazek. emitovaného z terčíku všemi směry, dále je vybavena masivními wolframovými clonami vymezujícími obdélníkové ozařovací pole a mnohalistovým kolimátorem. Z toho důvodu činí celková hmotnost gantry okolo šesti tun. Ačkoli je nosná konstrukce gantry velice robustní, při tak vysokém zatížení se v průběhu otáčení kolem pacienta přeci jen nepatrně deformuje. Tyto deformace způsobují, že izocentrumIzocentrum – bod v prostoru, okolo kterého probíhá buď kyv, nebo rotace veškerých komponent teleterapeutického ozařovače. Izocentrum musí ležet vždy uvnitř ozařovaného cílového objemu. již není pevným bodem v prostoru, ale během otáčení gantry nepatrně putuje prostorem, opisujíc uzavřenou křivku o poloměru až 1 mm.

U tomoterapeutických přístrojů jsou linacLINAC – zkratka používaná pro lineární urychlovače (LINear ACcelerator). Příkladem může být první urychlovací předstupeň Velkého hadronového kolideru v CERNu. V případě radioterapeutických účelů někdy užívá zkratky clinac. i OBIOBI – On-Board Imaging, snímkování prováděné vestavěným kilovoltážním RTG zařízením, které využívá klasickou radiodiagnostickou rentgenku a maticový detektor (flat panel) citlivý na kilovoltové záření. systém umístěny na společném masivním prstenci a rotují okolo společného těžiště, což minimalizuje deformace konstrukce během kyvu a tím pádem i precesi izocentra. Přístroj je proto schopen ještě přesnějšího cílení dávky, než klasické gantry systémyGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta., od kterých se ale jinak neliší ničím zásadním. I zde existuje dynamický MLC, i zde lze provádět ozařování IMRTIMRT – Intensity Modulated Radiotherapy, radioterapie s modulovanou intenzitou svazku. a RapidArc technikami a samozřejmě rovněž přesné polohování pacienta metodami IGRTIGRT – Image Guided Radiotherapy, systémy radioterapie řízené obrazem..

Obr. 15: Lamely MLC různých typů tomoterapeutických ozařovačů

4D radioterapie

1. Respiratory Gating

Ačkoli některé části lidského těla, jako jsou napříkload končetiny, pánev, hlava a krk, je možno na ozařovacím stole pevně fixovat prostřednictvím orfitovýchOrfit – speciální polymer, který při teplotě nad 50 °C změkne a dá se snadno tvarovat. Při teplotě pod 40 °C opět ztuhne a získá pevnost srovnatelnou například se silonem. Speciální orfitové mřížky se používají jako fixační pomůcky v radioterapii. Tvarují se na míru konkrétnímu pacientovi a slouží k pevnému upínání různých částí těla na simulátoru a později na ozařovacím stole lineárního urychlovače. Například orfitový pelvicast slouží k fixaci pánve při ozařování prostaty nebo orfitová obličejová maska pro fixaci hlavy při radioterapii mozku. fixačních pomůcek a lze je považovat za víceméně statické, u jiných částí to možné není. Bez pravidelné činnosti dýchacích svalů by pacient nepřežil a právě tento pohyb cyklicky mění prostorovou distribuci orgánů a tkání v dutině hrudní a minimálně v horní části dutiny břišní. Obrázek 16 dokládá, jak výrazná tato změna ve skutečnosti může být.

Obr. 16: Změna polohy, tvaru a velikosti tumoru plic během dýchání pacienta

V situaci, kdy radioterapie s přesností jednoho milimetru přesně cílí dávku záření do jednotlivých voxelůVoxel – Volumetric Element, označuje element objemu představující hodnotu v pravidelné mřížce třídimenzionálního (3D) prostoru. Jde vlastně o analogii k pixelu, který reprezentuje hodnotu v 2D mřížce. Stejně jako pixel je perfektní čtverec, voxel je perfektní krychle. nádorového ložiska, zatímco toto ložisko v průběhu ozařování mění svoji polohu, velikost a tvar v řádu jednotek centimetrů, by se vynaložené prostředky a úsilí poněkud míjely účinkem, pakliže bychom již v průběhu plánování nepracovali s CT snímky zohledňujícími časové změny ložiska vlivem dýchání. Nejjednodušší možností je samozřejmě vybrat na časové ose pouze určité body, ve kterých se periodicky oscilující cílový objem nachází vždy na témže místě a má vždy stejnou velikost i tvar. Pro tyto pozice se poté vytvoří klasický ozařovací plán.

Obr. 18: Princip Respiratory Gating plánování – axiální CT skeny
v různých transverzálních rovinách pacienta

Protože pacient není stroj a jeho dýchání nelze předem naprogramovat, musí být systém CT-simulátoru vybaven zařízením, které jej informuje, kdy se cílový objem nalézá právě v těch bodech dýchací periody, pro něž je anatomicky výhodné vytvořit ozařovací plán. K tomu slouží speciální stropní kamera, která v průběhu snímkování pacienta sleduje pohyb markeru umístěného na středu jeho hrudníku.

Stejným monitorem je vybaven i systém ozařovače. Urychlovač pak v průběhu ozařovacího cyklu monitoruje dýchání pacienta a periodicky přerušuje a opět zapíná ozařovací svazek přesně v okamžiku, kdy se cílový objem nalézá v poloze, pro níž byl vytvořen ozařovací plán. Této metodě ozařování říkáme respiratory gating.

Obr. 19: Princip Respiratory Gating radioterapie

Respiratory Gating – sledování markeru dýchání

Pro monitoring dechu lze rovněž použít přesnější systém OnBoard Imaging, který dokáže přímo sledovat periodický pohyb struktur uvnitř hrudníku v reálném čase a předávat tyto informace lineárnímu urychlovači.

Monitoring dechu systémem OBI

2. Respiratory Tracking

Další možností je využití nikoliv jen diskrétních časových bodů, ale všech bodů dýchací periody. Vytvořit ozařovací plán, který dynamicky spojitě mění tvar ozařovacího pole v čase. Namísto každého jednotlivého tomografického řezu pak potřebujeme v každé transversální rovině pacienta pořídit sérii tomografických řezů v různých bodech na časové ose. Tak dostaneme 4D sken pacienta a můžeme připravit 4D ozařovací plán, zohledňující vývoj cílového objemu v čase.

Obr. 20: Princip Respiratory Tracking plánování – axiální CT skeny
v různých transverzálních rovinách pacienta

Technicky lze takovýto ozařovací plán realizovat zakomponováním časových změn cílového objemu do pohybů lamel dynamického MLC v průběhu CRTCRT – Conformal RadioTherapy, radioterapie s přesným vymezením ozařovacího pole na oblast nádorového ložiska, prostřednictvím mnohalistového kolimátoru (MultiLeaf Colimator)., či dokonce IMRTIMRT – Intensity Modulated Radiotherapy, radioterapie s modulovanou intenzitou svazku. ozařování.

Respiratory Tracking

Pro monitoring lze opět použít speciální stropní kameru sledující pohyb hrudníku pacienta, nebo přesnější OnBoard Imaging. Popsaná ozařovací technika se nazývá respiratory tracking a v porovnání s gatingem dovoluje výrazně zkrátit ozařovací čas, neboť během ní probíhá ozařování kontinuálně bez zbytečného přerušování svazku. Metoda je však velice náročná jak z hlediska plánování, tak i stran výpočetního a řídícího hardwaru a softwaru.

Obr. 21: Respiratory Gating/Tracking kamera a hrudní marker

Radioterapeutický systém TrueBeam. Zdroj: YT/Community Health Network.

Pokračování příště

Odkazy