Týdeník věnovaný aktualitám a novinkám z fyziky a astronomie. Vydavatel: AGA (Aldebaran Group for Astrophysics) Číslo 26 – vyšlo 23. července, ročník 19 (2021) © Copyright Aldebaran Group for Astrophysics Publikování nebo šíření obsahu je zakázáno. ISSN: 1214-1674, Email: bulletin@aldebaran.cz

26/2021

Radiace, která léčí – část třetí

David Zoul

V této části se seznámíme s tzv. stereotaktickou radioterapií. Ta je charakteristická tím, že používá zpravidla velmi úzkých svazků (někdy i tenčích než tužka – odtud anglický název pencil beams), které dokáže velmi přesně cílit na nádorové ložisko z neomezeně mnoha radiálních směrů na povrchu pomyslné hemisféry (2π srSteradián – zkratka sr, jednotka prostorového úhlu, který je definován jako podíl plochy kuželové výseče na sféře ku druhé mocnině vzdálenosti poloměru sféry. Plný prostorový úhel má hodnotu 4πsr.), nebo dokonce sféry (4? sr).

CyberKnife – nástroj stereotaktické radioterapie. Zdroj: CyberKnife.

Radioterapie – metoda léčby využívající destruktivních účinků ionizujícího záření na buňky živých tkání. Teleterapie – část radioterapie, při níž se zdroj záření nalézá vně ozařované tkáně a v definované vzdálenosti od povrchu těla pacienta. Brachyterapie – část radioterapie, při níž je zdroj záření v těsném kontaktu s ozařovanou tkání, nebo se zavádí přímo do nitra ozařované tkáně. Ionizující záření – jakékoli radiační pole, jehož kvanta mají dostatečnou energii, aby ionizovaly atomy a molekuly. V biomedicíně musí proniknout do těla a ionizovat biomolekuly. 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.

Leksellův gama nůž

Stereotaktická radiochirurgie je jediný obor teleterapieTeleterapie – část radioterapie, při níž se zdroj záření nalézá vně ozařované tkáně a v definované vzdálenosti od povrchu těla pacienta., kde mají dlouhodobě své pevné místo radionuklidové ozařovače, založené na radioizotopu ⁶⁰CoKobalt – Cobaltum, namodralý, feromagnetický, tvrdý kov. Používá se v metalurgii pro zlepšování vlastností slitin při barvení skla a keramiky a je důležitý i biologicky. Kov, který byl součástí rud využívaných k barvení skla, objevil roku 1735 švédský chemik George Bradnt.. Tato třída přístrojů nese název Leksellovy gama nože. Švédský neurochirurg Laris Leksell se svými spolupracovníky zahájil výzkumné práce v radiochirurgii pomocí gama nože již koncem padesátých let. První gama nůž se 179 zdroji záření byl instalován ve Stockholmu. V roce 1974 byl spuštěn druhý gama nůž, který již obsahoval 201 zdrojů záření a poskytoval dávkovou distribuci vhodnou pro ozařování klinických cílových objemů.

Obr. 1: Leksellův gama nůž, skutečné provedení a schéma. Zdroj: Elekta.

Radiační jednotka

Radiační jednotka obsahuje 201 zdrojů záření ⁶⁰Co umístěných v hemisférické centrální jednotce o průměru 400 mm, rozložených na pěti kružnicích. Každý zdroj záření sestává z dvanácti až dvaceti zrn ⁶⁰Co ve tvaru tabletky o jednotném průměru a tloušťce 1 mm, které jsou hermeticky uzavřeny do dvou válcových pouzder z nerezavějící oceli.

Záření každého zdroje je kolimováno třemi různými kolimátory, z nichž dva jsou umístěny v centrálním tělese radiační jednotky gama nože a jeden (koncový kolimátor) je umístěn v kolimační helmici. Dva kolimátory jsou vyrobeny z wolframové slitiny a jeden z olova. Každý kolimační otvor z celkového počtu 201 tvoří kónický kanál o kruhovém průřezu, jehož osa směřuje do bodu – ohniska v centru radiační jednotky s přesností 0,3 mm. Délka celého kolimačního kanálu je 217,5 mm.

V kolimační helmici lze libovolný kolimátor zaslepit zátkou a tak příslušný svazek záření odstínit až na 0,2 % primární intenzity. To se využívá k zaslepení svazků záření, které by procházely například oční čočkou nebo k vykrytí mozkových oblastí ležících mimo cílový objem. Gama nůž je vybaven celkem čtyřmi vyměnitelnými kolimátorovými helmicemi s 201 kolimačními kanály, které vytvářejí průměr ohnisek o hodnotách 4, 8, 14 a 18 mm. Dle velikosti mozkového tumoru se volí konkrétní kolimační helmice.

Leksellův stereotaktický rám

Koordinační systém může být definován pomocí kartézských, cylindrických nebo sférických souřadnic, přičemž musí splňovat několik základních požadavků – umožnění zmapování cílového objemu prostřednictvím standardních vyšetřovacích metod (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., 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. apod.), jednoznačné určení polohy kteréhokoliv bodu v mozku pomocí tří souřadnic vzhledem ke zvolenému počátku, zajištění stability při všech potřebných diagnostických a terapeutických výkonech.

V praxi je takovýto systém realizován stereotaktickým rámem, který je invazivně nebo neinvazivně fixován k lebce pacienta. Invazivní rám bývá připevněn k lebce třemi nebo čtyřmi šrouby, jejichž hroty proniknou do lebeční kosti. Neinvazivní stereotaktický systém tvoří fixační orfitováOrfit – 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. maska, individuálně zhotovená pro každého pacienta, jejíž prostřednictvím je rám fixován k hlavě.

U invazivní metody se stereotaktický rám nejprve v lokální anestezii na pevno přichytí do pacientovy lebky speciálními šrouby zakončenými ostrými hroty. S nasazeným stereotaktickým rámem poté pacient stráví několik dnů a nocí, během kterých jsou na rám postupně nasazovány nejrůznější nástavce. S nimi pacient absolvuje přesné zaměření cílového objemu na MRI, popřípadě pomocí kombinace 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. + 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. (ve speciálních případech též ANGIOANGIO – Angiografie, rentgenová zobrazovací metoda využívající injekčně podaných kontrastních látek pro zobrazení cévních struktur v těle. či PETPET – Pozitronová Emisní Tomografie, lékařská zobrazovací metoda spadající do oboru nukleární medicíny. Principem je lokalizace místa vzniku fotonů, emitovaných v těle při anihilaci elektronů s pozitrony uvolněnými podaným beta plus aktivním radiofarmakem. Metoda umožňuje trojrozměrnou rekonstrukci koncentrace radiofarmaka v těle.). Poté je v souřadnicové soustavě stereotaktického rámu vytvořen ozařovací plán.

Obr. 2: Stereotaktický rám – demonstrace na figuríně. Vlevo fixace rámu do lebky pacienta, uprostřed nasazení speciálního nástavce pro zaměření cílového ložiska na MRI, vpravo nasazení nástavce pro zaměření cílového ložiska na CT.

Obr. 3: Schéma základních kroků při stereotaktické radioterapii Leksellovým gama nožem: 1) upevnění nástavce na sterereotaktický rám; 2) MRI zaměření cílového objemu; 3) tvorba ozařovacího plánu; 4) ozařování.

Obr. 4: Ukázka ozařovacího plánu v plánovacím systému Gamma Plan

Po vytvoření funkčního ozařovacího plánu následuje samotné ozařování Leksellovým gama nožem. Pacient se stereotaktickým rámem se uloží na lůžko gama nože, jeho hlava je prostřednictvím stereotaktického rámu pevně fixována do kolimační helmice tak, aby cílový objem ležel přesně v ohnisku radiační jednotky. Poté, co personál opustí prostor ozařovny, je vydán povel k otevření stínících dveří gama nože a lůžko s kolimační helmicí a pacientem zajede do terapeutické polohy uvnitř radiační jednotky. Tam dojde k přesnému zakrytí primárních kolimátorů s kolimátory helmice, a to s osovou přesností 0,1 mm. Vybranými otvory v hemisférickém stereotaktickém kolimátoru je záření gama emitované malými kobaltovými zdroji přesně cíleno do ložiska uvnitř hlavy. Po uplynutí ozařovací doby, která je dána ozařovacím plánem, aplikovanou dávkou a korekcí na rozpad ⁶⁰Co, se lůžko vrátí do výchozí polohy a stínící dveře gama nože se opět uzavřou. Veškeré procesy jsou řízeny počítačem z odstíněné ovladovny.

Video 1: Ukázka přípravy a ozařování pacientky

Leksellovým gama nožem lze provádět nejen radioterapii zhoubných i nezhoubných nádorů, ale též neurochirurgické a dokonce psychochirurgické zákroky. Tyto operace zpravidla spočívají v neinvazivním radiačním přepálení vybraných svazků nervových vláken či cévních struktur prostřednictvím vysokoenergetického záření gama.

Moderní stereotaktické ozařovače již plně využívají 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. (On Board Imaging) popsaného v předešlém bulletinu, jakož i nejrůznějších optických senzorů pro přesné zaměření polohy pacienta. Tyto metody dovolují postupné upouštění od používání invazivního stereotaktického rámu a jeho nahrazování orfitovýmiOrfit – 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. maskami.

Obr. 5: Detail fixace hlavy pacienta prostřednictvím orfitové masky,
demonstrovaný na figuríně

Ačkoli nasazení invazivního stereotaktického rámu není bolestivé, jeho nahrazení neinvazivní metodou fixace zcela pochopitelně představuje pro pacienta daleko větší komfort a méně stresu. OrfitováOrfit – 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. maska je tvarována každému pacientovi přesně na míru a slouží coby fixační pomůcka vždy pouze v okamžiku, kdy je pacient podrobován zaměření cílového objemu na 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./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. simulátoru, nebo radioterapeutickému zákroku na odpovídajícím typu ozařovače.

Přesnost neinvazivního systému je o něco menší, je však vhodný pro frakcionované ozařování v intervalech několika dnů. Přesnost lokalizace cílového objemu pomocí stereotaktických systémů závisí nejenom na konstrukci rámu, ale i na kvalitě zobrazovací metody. V současné době je již přesnost zaměření cílového objemu lepší než 1 mm.

Obr. 6: Zaměřování cílového objemu prostřednictvím speciálního CT-kontrastního
nástavce u pacienta fixovaného orfitovou maskou

Video 2: Moderní Leksellův gama nůž vybavený systémem OBI a optickým zamě­řo­va­čem přesné polohy umožňující fixaci lebky pomocí orfitu. Zdroj: Elekta.

Clinac

Stejné metody fixace využívají též radioterapeutické ozařovače typu clinacLINAC – 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., vybavené klasickým gantry systémemGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta. a lineárním urych­lovačem. Stereotaktického ozařování je u nich docilováno kombinací rotace gantry a stolu s pacientem.

Obr. 7: Příklady ozařovacích plánů pro stereotaktickou
radioterapii na přístroji typu clinac

Používají se buď tužkové svazky (pencil beams) různého průměru vymezeného speciálními kolimačními nástavci (obr. 8 vlevo), nebo složitě tvarovaná pole vymezená tzv. Micro MultiLeaf kolimátorem (Micro MLC – obr. 8 vpravo). Oba dva typy kolimátorů firmy Brainlab se nasazují coby příslušenství přímo na hlavici ozařovače a modifikují výstupní svazek záření dle ozařovacího plánu. Nejmodernější clinacy mají již šířku lamel klasického MLC plně srovnatelnou s Micro MLC, takže žádný nástavec u nich není zapotřebí.

Obr. 8: Stereotaktická radioterapie přístrojem clinac: vlevo s využitím
Pencil Beam kolimátoru, vpravo pomocí Micro MLC

Přesné nastavení polohy pacienta před stereotaktickou radioterapií se provádí prostřednictvím speciální stereotaktické přilby se značkami vygenerovanými stereotaktickým plánovacím systémem Brainlab, a pomocí laserových zaměřovačů seřízených s milimetrovou přesností podle souřadnicového systému clinacu.

Obr. 9: Přesné navádění cílového objemu do izocentraIzocentrum – bod v prostoru, okolo kterého probíhá buď kyv, nebo rotace veškerých komponent teleterapeutického ozařovače. Izocentrum musí ležet vždy uvnitř ozařovaného cílového objemu. 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.
prostřednictvím stereotaktické přilby

Video 3: Stereotaktická radioterapie na přístroji typu clinac

Iradiaci je možné provádět buď z diskrétních úhlů, nebo spojitě, v průběhu celého kyvu gantryGantry systém – část ozařovače, která zajišťuje rotaci generovaného svazku záření okolo pacienta.. Stůl s pacientem se poté pootočí o diskrétní úhel a kyv gantry se opakuje v jiné rovině souřadnicového systému pacienta. Nejmodernější ozařovače pak dovolují v průběhu iradiace spojitou rotaci jak gantry, tak i stolu s pacientem, čímž naplno využívají celý trojrozměrný prostor a zkracují ozařovací dobu, během které je pacient přeci jen vystaven určitému osobnímu diskomfortu.

Obr. 10: Demonstrace stereotaktického ozařovacího plánu z diskrétních úhlů
gantry (vlevo) a kontinuálními kyvy gantry (vpravo)

Obr. 11: Stereotaktický ozařovací plán se simultánní kontinuální rotací gantry
a ozařovacího stolu

CyberKnife

Robotický systém firmy Accuray s názvem CyberKnife představuje další významný milník na poli stereotaktické radioterapie. Lineární urychlovač, a u některých modelů též ozařovací lůžko s pacientem, v tomto případě plně ovládají robotická ramena. Dva flat panelyFlat panel – plochý maticový detektor 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. jsou u moderních typů umístěny pod podlahou ozařovny a rentgenové záření na ně po průchodu pacientem dopadá křížem ze dvou rentgenových lamp umístěných na stropě ozařovny.

Obr. 12: Stereotaktická ozařovna vybavená přístrojem CyberKnife

Přístroj CyberKnife generuje klasický tenký svazek (pencil beam), nebo je (u modernějších verzí) vybaven Micro MultiLeaf kolimátoremMLC – MultiLeaf Colimator, mnohalistový kolimátor, zařízení obsahující velký počet lamel s nezávislým pohybem. V radioterapii může s vysokou přesností vymezit tvar svazku podle morfologie nádorového ložiska.. Výhodou stereotaktické radioterapie je možnost přesného cílení velmi malými poli z velmi mnoha prostorových úhlů, což poskytuje bezkonkurenčně nejlepší pokrytí cílového objemu požadovanou dávkou, při současné minimální zátěži okolních zdravých tkáňových struktur.

Obr. 13: Příklady několika různých stereotaktických ozařovacích plánů přístroje
CyberKnife, realizovaných prostřednictvím tužkového svazku

Video 4: Přesné ozařování nádoru prostaty systémem KyberKnife S7 Accuray.
Zdroj: YouTube/Accuray.

Respiratory Tracking

Přístroj CyberKnife je vybaven vůbec nejdokonalejším systémem sledování dechové činnosti (Respiratory Tracking). Na rozdíl od 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., kde je možno v průběhu dýchání pacienta flexibilně přizpůsobovat ozařovací pole změnám polohy cílového objemu převážně jen pohyby lamel MLCMLC – MultiLeaf Colimator, mnohalistový kolimátor, zařízení obsahující velký počet lamel s nezávislým pohybem. V radioterapii může s vysokou přesností vymezit tvar svazku podle morfologie nádorového ložiska., dovoluje CyberKnife po celou dobu ozařování sledovat cílový objem pohyby robotické paže držící celý 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.. Soustava světelných markerů pohybu hrudníku je v tomto případě daleko složitější a komplexnější, než u jiných systémů Respiratory Tracking. Je umístěna na zvláštní vestě, do níž se pacient před iradiací oblékne. Pohyby různých částí hrudního koše jsou během iradiace nepřetržitě monitorovány speciální stereoskopickou stropní kamerou, která posílá data do řídicího systému CyberKnife.

Obr. 14: Vesta Synchrony pro přesné (Respiratory Tracking) ozařování nádorů
v oblasti hrudníku přístrojem CyberKnife

Video 5: CyberKnife společnosti Accuray při ozařování nádoru

Dokončení příště

Odkazy