Способ стереотаксического наведения узкого фотонного пучка на целевую точку головного мозга

Способ стереотаксического наведения узкого фотонного пучка на целевую точку головного мозга

Реферат

Изобретение относится к медицине, точнее к радиотерапии, и может найти применение при стереотаксических лучевых воздействиях на патологические очаги головного мозга.

Патологическими очагами головного мозга являются опухоли, сосудистые мальформации (кавернозные ангиомы и артерио-венозные мальформации), эпилептические очаги, а также определенные структуры головного мозга, участвующие в развитии обсессивно-компульсивного синдрома. Лечение таких патологических очагов является одной из сложнейших задач нейрохирургии. К тому же нередко они располагаются в труднодоступных для открытого хирургического вмешательства местах, что связано с высоким риском послеоперационных осложнений. Альтернативой хирургического вмешательства могут являться стереотаксические лучевые методы лечения, для которых характерна малая травматичность, высокая локальность и точность воздействия на структуру-мишень. Однако при применении стереотаксического лечения очень важно определить точную локализацию патологического очага, воздействие на который может привести к максимальному клиническому эффекту.

Для определения локализации патологических очагов головного мозга широко используются методы лучевой диагностики, такие как рентгеновская компьютерная томография (РКТ) и магнитно-резонансная томография (МРТ). Эти методы позволяют с достаточно высокой точностью выявить очаг поражения и определить его локализацию. С помощью РКТ хорошо визуализируются костные структуры. Что же касается тканевой дифференцировки, то она недостаточно высока, что нередко приводит к невозможности отграничения очага поражения, в частности опухолевого образования, от зоны отека, а в ряде случаев и от прилегающих участков интактного вещества мозга. Кроме того, наличие костных артефактов во многих случаях затрудняет интерпретацию изображений при расположении очага поражения в височных долях и глубинных структурах головного мозга. Это ограничивает применение РКТ для диагностики парциальной эпилепсии и некоторых объемных образований головного мозга, в частности кавернозных ангиом.

Более информативным методом диагностики патологических образований головного мозга является МРТ. Преимуществом ее по сравнению с РКТ является более высокая дифференцировка интенсивности сигнала между тканями, использование специальных импульсных последовательностей для подавления частичного объемного эффекта, индуцированного спинномозговой жидкостью, а также отсутствие костных артефактов. В настоящее время МРТ является методом выбора для диагностики различных заболеваний головного мозга (парциальной эпилепсии, первичных опухолей и метастазов, сосудистых мальформаций и т.д.), а также для наведения при лучевых и хирургических стереотаксических вмешательствах. В то же время МРТ, являясь методом, выявляющим преимущественно структурные изменения, не позволяет судить о биологических свойствах визуализируемых патологических изменений. Так, по данным МРТ невозможно определить границы эпилептического очага при парциальной эпилепсии, а также сказать, в каком участке солидного компонента опухоли находятся жизнеспособные опухолевые клетки, что очень важно для точного наведения при выполнении стереотаксических вмешательств. Это несколько снижает ее ценность.

Методы ядерной визуализации, особенно позитронная эмиссионная томография (ПЭТ), в отличие от РКТ и МРТ, позволяют характеризовать биологические свойства тканей. ПЭТ заключается во введении в организм больного радиофармпрепаратов (РФП), меченных ультракороткоживущими позитрон-излучающими радионуклидами. Наиболее распространенным РФП, используемым в клинической практике, является 18F-2-фтор-2дезокси-D-глюкоза (18F-ФДГ), позволяющая оценить метаболизм вещества головного мозга, выявить тонкие биохимические изменения в очаге поражения на клеточном уровне. У больных нейроонкологического профиля ПЭТ с 18F-ФДГ дает возможность выявить наиболее активную часть опухоли, в которой находятся жизнеспособные опухолевые клетки, находящиеся в стадии пролиферации. У пациентов с симптоматической эпилепсией этот метод позволяет визуализировать эпилептический очаг, точно оценить его границы, а также динамику патологических изменений в процессе проводимого лечения. Однако недостатком ПЭТ является относительно низкая разрешающая способность метода, что в ряде случаев затрудняет точную локализацию очага поражения. Это ограничивает применение ПЭТ с 18F-ФДГ для стереотаксического наведения, особенно при проведении радиотерапевтических и радиохирургических вмешательств.

Таким образом, каждый из вышеприведенных методов диагностики патологических образований головного мозга имеет свои достоинства и недостатки, в связи с чем для определения точной локализации этих очагов необходимо применение совокупности вышеназванных методов. Особенно важно использовать при выявлении очагов поражения головного мозга совмещение изображений, полученных с помощью методов, выявляющих структурные (РКТ или МРТ) и функциональные изменения (ПЭТ), что позволяет точно сопоставить анатомические и функциональные изменения в очаге поражения и благодаря этому получить комплексное представление о структурно-функциональном состоянии определенной анатомической зоны, что в значительной степени увеличивает диагностические возможности проводимого исследования. Совмещение мультимодальных изображений головного мозга в последние годы находит все большее применение в клинической практике для выявления патологических образований головного мозга, их локализации, а также планирования и контроля эффективности хирургического и лучевого лечения опухолевых, сосудистых и нейропсихических заболеваний головного мозга.

Настоящее изобретение также посвящено этой проблеме и касается совмещения мультимодальных изображений для определения локализации патологических очагов головного мозга с целью наведения на них узкого фотонного пучка (УФП).

В настоящее время известно большое количество методов стереотаксического наведения на патологические образования (целевую точку) головного мозга.

Наиболее близким к предлагаемому является способ стереотаксического наведения, описанный в работе J.D.Graham et all, Radiotherapy and Oncology, N21, 1991, pp.60-62, взятый нами в качестве прототипа.

Способ заключается в том, что наведение узкого фотонного пучка на целевую точку (ЦТ) головного мозга осуществляют с помощью специальной стереотаксической рамы, включающей основание, систему фиксирующих голову больного ремней, лоток для оттиска его зубов и подголовник. На раме, перпендикулярно к ней, установлены 4 съемные пластины с диагональными V-образными маркерами, при этом плоскости противолежащих пластин параллельны, а вершины V-образных маркеров представляют собой точечные маркеры, которые лежат в плоскости, параллельной плоскости стереотаксической рамы.

Больного укладывают на столе линейного ускорителя так, чтобы изоцентр его совпадал с точкой пересечения прямых, соединяющих противоположные точечные маркеры. Эти маркеры являются многофункциональными (визуализируются как на МРТ, так и на ПЭТ). МРТ и ПЭТ осуществляют в положении больного, когда плоскости томографических сечений параллельны плоскости точечных маркеров. С помощью программного обеспечения находят идентичные МРТ и ПЭТ-срезы, их совмещают и определяют координаты ЦТ относительно точки пересечения прямых, соединяющих противоположные точечные маркеры, которая соответствует изоцентру линейного ускорителя. Затем пациента укладывают в первоначальное положение на столе линейного ускорителя и наводят УФП на ЦТ, используя ее координаты.

Как отмечают авторы, воспроизводимость укладки больного колеблется в пределах 1 мм, что обеспечивает точное наведение УФП.

Однако, на наш взгляд, представленная в прототипе система наведения УФП, основанная на использовании диагональных маркеров, не содержит контроля истинного соответствия ЦТ изоцентру линейного ускорителя при повторных укладках больного и такой контроль его в этой системе невозможен. В случае непредвиденных или случайных сбоев системы на всех ее этапах, а также, например, при ослаблении ремней или неточном прикусе, используемых в этом методе, наведение может быть некорректным.

Технический результат настоящего изобретения состоит в повышении надежности наведения УФП на ЦТ головного мозга за счет осуществления в процессе наведения контроля соответствия ее изоцентру линейного ускорителя.

Этот результат достигается тем, что в известном способе, включающем использование линейного ускорителя со стереотаксическим адаптером, проведение магнитно-резонансной и позитронной эмиссионной томографии с последующим совмещением полученных изображений, определение координат целевой точки относительно изоцентра линейного ускорителя и наведение с их использованием узкого фотонного пучка на целевую точку, согласно изобретению стереотаксический адаптер выполнен в виде индивидуальной маски, фиксирующей голову больного в воспроизводимом положении относительно прибора-фиксатора лечебного стола линейного ускорителя, причем на маске под контролем рентгеновского центратора линейного ускорителя предварительно установлено не менее 4-х рентгеноконтрастных маркеров, которые дополнительно метят радиофармпрепаратом и выполняют позитронную эмиссионную томографию с использованием подставки для головы больного, идентичной прибору-фиксатору лечебного стола линейного ускорителя, затем эти маркеры меняют на МР-контрастные и на той же подставке для головы больного выполняют магнитно-резонансную томографию в аксиальной проекции тонкими срезами с последующей 3D-реконструкцией их, эти изображения с использованием 4-х установленных на маске маркеров совмещают с соответствующими изображениями, полученными при осуществлении позитронной эмиссионной томографии, находят изображение, содержащее целевую точку, в системе координат магнитно-резонансного томографа определяют координаты ее и 3-х маркеров, задающих изоцентр линейного ускорителя, и определяют смещения целевой точки относительно этих маркеров, которые являются координатами целевой точки в системе координат линейного ускорителя, после чего на лечебном столе линейного ускорителя целевую точку по ее координатам выводят в изоцентр линейного ускорителя и вышеописанные процедуры установки маркеров и проведения магнитно-резонансной томографии повторяют, вновь находят аксиальный срез с целевой точкой, определяют на нем взаимное расположение маркеров и целевой точки и осуществляют контроль соответствия целевой точки изоцентру линейного ускорителя, а наведение узкого фотонного пучка осуществляют при отсутствии отклонения целевой точки от изоцентра линейного ускорителя.

Целесообразно при установке на индивидуальной маске больного рентгеноконтрастных маркеров использовать телескопический индикатор, выполненный в виде 4-5-звенной раздвижной системы металлических трубок с иглой диаметром не более 0.1 мм на его конце и установленный на формирующем устройстве линейного ускорителя так, что их вертикальные оси совпадают.

Использование стереоадаптера в виде индивидуальной маски больного позволяет воспроизводить его положение при неоднократных укладках (на МРТ, ПЭТ, на лечебном столе линейного ускорителя) с высокой степенью надежности.

Фиксация рентгеноконтрастных маркеров на маске под контролем рентгеновского центратора, целесообразно с использованием игольчатого телескопического индикатора, позволяющего предварительно наносить на маску проколы сверхмалого диаметра для последующего нанесения на них маркеров, задающих изоцентр линейного ускорителя, обеспечивает точное совпадение начала координат задаваемой тремя точками системы координат с изоцентром линейного ускорителя.

Нанесение на рентгеноконтрастные маркеры РФП, а затем МР-контрастного вещества обеспечивает возможность последовательного выполнения ПЭТ с тем же РФП и МРТ. При этом использование при ПЭТ и МРТ подставки для головы больного, идентичной прибору-фиксатору лечебного стола линейного ускорителя, обеспечивает возможность последующего совмещения полученных изображений с высокой точностью.

Совмещение МРТ- и ПЭТ-изображений позволяет найти ЦТ, необходимую для последующего наведения, определить координаты ее и маркеров в системе координат МРТ и определить ее смещение относительно маркеров. Определение этого смещения при повторной укладке больного на столе линейного ускорителя позволяет вывести ЦТ на изоцентр ускорителя. Повторное установление маркеров на маске позволяет маркировать ЦТ, выведенную в изоцентр ускорителя, а повторное выполнение МРТ - определить взаимное расположение маркеров и ЦТ и тем самым провести контроль соответствия ЦТ и изоцентра ускорителя.

Наведение УФП лишь при отсутствии отклонения ЦТ от изоцентра линейного ускорителя позволяет осуществлять его с высокой степенью надежности.

Сущность способа поясняется примером.

ПРИМЕР. Больная Ф., 1953 г.р., история болезни № 1625, поступила в ЦНИРРИ МЗ РФ с диагнозом: Кавернозная ангиома правой половины варолиева моста. Состояние после острого нарушения мозгового кровообращения в 1988 г., левосторонний гемипарез.

Из анамнеза известно, что болеет с 1988 г., когда в апреле появились постоянного характера головная боль, головокружение, онемение левой половины туловища, слабость в левых конечностях, шум в ушах, снижение слуха. В дальнейшем постепенно появилось нарушение речи, нарушилось глотание, перекосило лицо. Была госпитализирована в больницу № 17 г.Санкт-Петербурга, где была проведена дифференциальная диагностика между острым стволовым инсультом и инфекционно-аллергическим васкулитом. Точный диагноз установить не удалось. Далее, в декабре 1988 г., обследована в Ленинградском научно-исследовательском психоневрологическом институте им. В.М.Бехтерева: неврологические нарушения укладывались в стволовой альтернирующий синдром с нейросенсорной двусторонней тугоухостью, сглаженностью правой носогубной складки, отклонением языка вправо, умеренной гипоалгезией и снижением силы мышц в левой половине туловища, анизорефлексией, неустойчивостью в позе Ромберга. Выписана с диагнозом: Базальный арахноэнцефалит. Наблюдалась у невропатолога, отмечая периодические ухудшения состояния. В феврале 2002 г. отмечено значительное ухудшение состояния, больная была госпитализирована в Российский нейрохирургический институт им. Поленова. Проведено МРТ и выявлена кавернозная ангиома области варолиева моста. В хирургическом лечении больной было отказано в связи с глубинным расположением патологического очага в головном мозге и больная была направлена в ЦНИРРИ для решения вопроса о возможности проведения лучевого лечения.

При поступлении в ЦНИРРИ в мае 2002 г.: жалобы прежние, неврологический статус соответствовал локализации кавернозной ангиомы, подтвержденной данными МРТ, МРТАГ (МРТ ангиография). Учитывая прогрессирующий характер течения процесса и с целью профилактики повторных кровоизлияний было принято решение провести стереотаксическую лучевую терапию узким пучком фотонов на линейном ускорителе электронов с энергией 20 МэВ - ЛУЭР-20-М1.

Подготовка больной к лечению началась с укладки ее на лечебном столе линейного ускорителя, оснащенного специальным прибором-фиксатором для головы (ПФГ), имеющим три степени свободы (для перемещений в пространстве в 3-х взаимно перпендикулярных направлениях). В конструкции ПФГ предусмотрен рентгеновский аппарат с крестообразными центраторами, задающими изоцентр линейного ускорителя.

Больную уложили на спину под контролем рентгеновского аппарата на ПФГ и изготовили фиксирующую маску из термопластика, полностью повторяющую все контуры верхней части лицевого черепа. С целью лучшей фиксации головы и воспроизводимости дальнейших укладок на специально скроенном выступе на маске, заведенном в полость рта, сделан оттиск прикуса передних зубов.

Под контролем рентгеновского центратора посредством игольчатого телескопического индикатора на маске сделали 3 прокола для установления маркеров, задающих изоцентр линейного ускорителя. В эти проколы поместили рентгеноконтрастные метки. Четвертый маркер установили произвольно в области виска. На маркеры нанесли раствор 18F-фтордезоксиглюкозы. Затем выполнили ПЭТ на подставке для головы больного, идентичной ПФГ лечебного стола линейного ускорителя. Рентгеноконтрастные маркеры заменили на миниатюрные желатиновые капсулы, содержащие жир (МР-контрастные маркеры). На той же подставке для головы больного выполнили МРТ в аксиальной проекции тонкими срезами (1,48 мм) в стандартной программе для исследования головы с последующей 3D-реконструкцией изображений. Полученные 3D-изображения (ПЭТ и МРТ) стандартизировали по размеру матрицы и пиксела, после чего по 4 маркерам (на маске) совместили ПЭТ и МРТ изображения. Среди совмещенных срезов выбрали срез с максимальной выраженностью патологического очага. На его изображении нашли ЦТ. Затем определили координаты ЦТ и 3-х маркеров, задающих изоцентр линейного ускорителя, в системе координат МР-томографа и смещения ЦТ относительно МР-маркеров - координаты ЦТ относительно изоцентра линейного ускорителя были равны 64, 25 и 103.5 по осям X, Y, Z.

Больную вновь уложили на лечебный стол линейного ускорителя в положении, соответствующем первоначальному (с той же маской и на той же подставке для головы). Вывели ЦТ по ее координатам в изоцентр линейного ускорителя. Под контролем рентгеновского центратора с использованием игольчатого телескопического индикатора вновь промаркировали маску миниатюрными желатиновыми капсулами (МР-контрастные метки), помещая их в новые проколы на маске. Затем на той же подставке и в той же маске выполнили МРТ в тех же условиях. После 3D-реконструкции полученных изображений нашли срез с 3 маркерами и ЦТ. Убедились в соответствии изоцентра целевой точке. Заменили МР-контрастные маркеры на рентгеноконтрастные и вновь уложили больную на лечебный стол линейного ускорителя в первоначальное положение. По рентгеноконтрастным маркерам вывели ЦТ в изоцентр линейного ускорителя для последующего лучевого воздействия.

Провели предлучевую подготовку, определили глубину залегания патологического очага, рассчитали его объем и при помощи системы планирования лучевой терапии оптимизировали дозное распределение.

После реализации плана лучевого лечения больная была выписана из клиники в удовлетворительном состоянии. При контрольном динамическом наблюдении в течение 2-х прошедших лет отмечен регресс исходной симптоматики, а именно исчезли головокружение и головные боли, ушло онемение левой половины туловища, нет слабости в левой конечности, значительно уменьшился шум в ушах, улучшился слух. Речь стала нормальной, исчезла асимметрия лица. В течение этих 2-х лет признаков повторных кровоизлияний не наблюдалось. Кавернома уменьшилась на 25%, изменилась ее структура (по данным МРТ), что свидетельствует об эффективности лечения. Больная в настоящее время социально адаптирована и работает по специальности (бухгалтером).

К настоящему времени проведено лечение с применением предлагаемого способа стереотаксического наведения УФП 29 больных, из них 19 - больные с кавернозными ангиомами в глубинных отделах головного мозга, 5 - с обсессивно-компульсивным синдромом, 2 - с опухолями головного мозга и 2 - с небольшими артерио-венозными мальформациями головного мозга. Все больные выписаны из клиники со значительным улучшением их состояния и продолжают наблюдаться.

Предлагаемый способ по сравнению с известными имеет важное преимущество, заключающееся в том, что он обеспечивает высокую надежность наведения узкого фотонного пучка на целевую точку, позволяя выявлять непредвиденные или случайные сбои на всех этапах наведения за счет контроля соответствия целевой точки изоцентру линейного ускорителя.

Способ разработан в отделении протонной терапии ЦНИРРИ и прошел клиническую апробацию у 29 больных.

1. Способ стереотаксического наведения узкого фотонного пучка на целевую точку головного мозга, включающий проведение магнитно-резонансной и позитронной эмиссионной томографии с последующим совмещением полученных изображений, определение координат целевой точки относительно изоцентра линейного ускорителя со стереотаксическим адаптером и наведение с их использованием узкого фотонного пучка на целевую точку, отличающийся тем, что стереотаксический адаптер выполнен в виде индивидуальной маски, фиксирующей голову больного в воспроизводимом положении относительно прибора-фиксатора лечебного стола линейного ускорителя, причем на маске под контролем рентгеновского центратора линейного ускорителя предварительно остановлено не менее 4 рентгеноконтрастных маркеров, которые дополнительно метят радиофармпрепаратом и выполняют позитронную эмиссионную томографию с использованием подставки для головы больного, идентичной прибору-фиксатору лечебного стола линейного ускорителя, затем эти маркеры меняют на контрастные для магнитно-резонансного томографа и на той же подставке для головы больного выполняют магнитно-резонансную томографию в аксиальной проекции тонкими срезами с последующей 3D-реконструкцией их, эти изображения с использованием 4 установленных на маске маркеров совмещают с соответствующими изображениями, полученными при осуществлении позитронной эмиссионной томографии, находят изображение, содержащее целевую точку, в системе координат магнитно-резонансного томографа определяют координаты ее и 3 маркеров, задающих изоцентр линейного ускорителя, и определяют смещения целевой точки относительно этих маркеров, которые являются координатами целевой точки в системе координат линейного ускорителя, после чего на лечебном столе линейного ускорителя целевую точку по ее координатам выводят в изоцентр линейного ускорителя и процедуры установки маркеров и проведения магнитно-резонансной томографии повторяют, вновь находят аксиальный срез с целевой точкой, определяют на нем взаимное расположение маркеров и целевой точки и осуществляют контроль соответствия целевой точки изоцентру линейного ускорителя, а наведение узкого фотонного пучка осуществляют при отсутствии отклонения целевой точки от изоцентра линейного ускорителя.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что при установке на индивидуальной маске больного рентгеноконтрастных маркеров используют телескопический индикатор, выполненный в виде 4-5-звенной раздвижной системы металлических трубок с иглой диаметром не более 0,1 мм на его конце и установленный на формирующем устройстве линейного ускорителя так, что их вертикальные оси совпадают.