Российские нанотехнологии, 2023, T. 18, № 4, стр. 553-563

ВВЕДЕНИЕ

В рамках федеральной научно-технической программы развития синхротронных и нейтронных исследований и исследовательской инфраструктуры на 2019–2027 гг. в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова Национального исследовательского центра “Курчатовский институт” создается онкоофтальмологический комплекс протонной лучевой терапии (ПЛТ) на базе циклотрона Ц-80.

Циклотрон Ц-80 будет решать две задачи: первая – генерация высокоинтенсивного пучка протонов для наработки изотопов для медицинского использования в диагностике и терапии, вторая – генерация низкоинтенсивного протонного пучка для проведения ПЛТ онкоофтальмологическим пациентам с энергией протонов до 70 МэВ.

Успех в лучевой терапии, как известно, зависит не только от правильной диагностики, верно подобранной дозы облучения и сопроводительной терапии, но и от точности подведения дозы. Этому вопросу посвящены различные протоколы, являющиеся руководством к действию для медицинских физиков [1, 2]. Ввиду того, что протонная терапия стала более популярна в последние десятилетия, Американская ассоциация медицинских физиков (AAPM) создала несколько протоколов, посвященных контролю качества протонных пучков [3, 4]. Однако эти протоколы не распространяются на системы с фиксированным в горизонтальной плоскости направлением пучка протонов, предназначенные для ПЛТ онкоофтальмологических пациентов. В то же время в случае ПЛТ пациентов с внутриглазными злокачественными новообразованиями контроль доставки предписанной дозы, вероятно, является самой значимой частью всей технологии, неудачи в которой компрометируют весь метод.

Гарантия качества в лучевой терапии состоит из нескольких значимых составных частей:

– контроль качества технологического процесса;

– контроль качества оборудования;

– менеджмент качества.

В мире существуют почти два десятка действующих или находящихся в фазе приемо-сдаточных испытаний центров со специализированными системами фиксированного в горизонтальной плоскости направления протонного пучка для решения задач ПЛТ онкоофтальмологических пациентов. В силу уникальности оборудования для реализации задач ПЛТ онкоофтальмологических пациентов действующие центры имеют различия в части систем формирования пучка протонов и соответственно в характеристиках изодозного распределения, его мониторинга, методах абсолютной и относительной дозиметрии, системе дозиметрического планирования, системе позиционирования и навигации во время лечения.

Единым во всех центрах является принципиальный подход к расположению пациента и соответственно глаза пациента – ПЛТ онкоофтальмологических пациентов выполняется в положении сидя. Поскольку оптимальным с точки зрения изодозного распределения положением глаза пациента является положение, отличное от взора, направленного прямо вперед, проводится лечение в технике “добровольной фиксации взора” с использованием специального устройства – фиксационная точка. Для этого пациента просят наблюдать за светодиодом, расположенным перед ним в предварительно рассчитанной точке пространства. Добровольное направление взора на требуемую точку пространства обеспечивает оптимальный вход пучка в структуры глаза. Для проверки корректности направления взора пациента используется видеокамера, наблюдающая за смещением зрачка. Система автоматизированного управления лучевой установкой запрещает отпуск дозы в случае отведения взора от требуемого направления (в некоторых центрах это делает оператор вручную). Так как зрительная ось глаза не проходит через центр глаза и даже через центр зрачка [5], наблюдение за центром зрачка под определенным углом видеокамеры дает систематическую ошибку. Расхождение зрительной и оптической оси представлено на рис. 1. В данном проекте предполагается использовать подход, компенсирующий эту неточность.

Рис. 1.

Анатомическая схема поперечного сечения глаза, выполненная с учетом различия между оптической и зрительной осями: 1 – оптическая ось, 2 – зрительная ось, 3 – зрительный нерв, 4 – хрусталик, 5 – роговица [6].

Еще одна оригинальная система слежения за взглядом пациента представлена в [7]. Отслеживание направления взора выполняется путем локализации центров роговицы и зрачка на стереоизображениях, снятых двумя калиброванными видеокамерами с использованием отражений глаз, создаваемых ИК-освещением. Кроме того, торсионные движения глаз обнаруживаются путем сопоставления шаблонов в области радужной оболочки изображений глаза. Эта информация позволяет оценить трехмерное положение и ориентацию глаза с помощью локальной системы координат глаза. Поскольку система слежения за направлением взора пациента находится на этапе разработки, конкретных тестов контроля качества в данной работе не рассматриваем.

Также во всех центрах основой для планирования облучения служит модель глаза. Ряд погрешностей связан с существенными упрощениями как в самой модели глаза, так и в используемых клинических топометрических данных [8].

МЕТОДЫ

В рамках работы провели анализ литературы, посвященной вопросам контроля качества протонных пучков для выработки стратегии, позволяющей на первом этапе обеспечивать необходимое качество лечения. Программа гарантии качества пересматривается в среднем раз в три года. Однако статистика, собранная в течение первого года, обычно позволяет оптимизировать процесс на основе полученных данных. Целью исследования было создать концепцию программы контроля качества установки и оценить базовые уровни допустимых отклонений.

В работе освещены вопросы периодического контроля качества, вопросы приемо-сдаточных испытаний и ввода оборудования в эксплуатацию находятся за ее рамками.

В [9] проведено сравнение первой коммерческой офтальмологической установки для ПЛТ мирового лидера в области фотонной лучевой терапии, компании Varian, с аналогичными установками действующих центров, где пролечено значительное количество пациентов. Данные об этих установках, дополненные данными из другого центра с горизонтальным протонным пучком коммерчески доступного ускорителя IBA [10], приведены в табл. 1–3. Из табл. 1 видно, что при прочих равных параметрах установки различаются общей компоновкой системы формирования дозовых распределений и мощностью дозы в изоцентре, что влияет на время подведения дозы.

Как видно из табл. 2, 3, подход к определению основных параметров модифицированной кривой Брэгга (МКБ) в рассматриваемых центрах совпадает и соответствует подходу, представленному в протоколе AAPM TG 224 [3].

Согласно протоколу AAPM TG 224 дозовое распределение характеризуется представленными на рис. 2 параметрами. Однако методы нормировки абсолютной дозы, равно как и используемые детекторы, различаются. Известно, что выбор детектора имеет огромное влияние на результат.

Рис. 2.

Параметры пучка протонов (протокол AAPM TG 224).

В работе [10] представлены распределения дозы, отснятые несколькими детекторами. Результаты измерений ионизационной камерой и алмазным детектором очень близки, а диод дает значительно более узкую боковую полутень. В то же время при измерении МКБ ионизационной камерой и диодом наблюдается хорошая согласованность полученных данных, алмазный детектор дает неприемлемый результат, поэтому для измерения МКБ он не применим.

Ввиду отсутствия единого протокола контроля качества систем с фиксированным в горизонтальной плоскости направлением протонного пучка для проведения ПЛТ пациентам со злокачественными новообразованиями глаз варианты, представленные в разных центрах, различаются критически.

Группа исследователей [11] провела опрос 10 центров из семи стран мира по подготовленному списку из 109 вопросов. Наибольшее число пролеченных пациентов проходило лечение с диагнозом внутриглазной увеальной меланомы. Подходы к предписанию дозы в большинстве центров близки (от 56–60 Гр за четыре фракции до 70 Гр за пять фракций), 80% имеют специализированные системы дозиметрического планирования. Однако лишь 20% используют данные МРТ для планирования.

Наибольшие различия наблюдались в подходах к проведению процедур контроля качества. Результаты опроса о периодичности тестов представлены в табл. 4.

Как можно видеть из табл. 4, почти все тесты в разных центрах имеют периодичность от ежедневных до ежегодных. Очевидно, что такое разнообразие в подходах к процедурам контроля качества связано как со стабильностью пучка, так и с имеющимися средствами контроля.

РЕЗУЛЬТАТЫ

В течение 30 лет технология облучения опухолей глаза протонами принципиально не менялась, в то же время ведутся исследования в области использования МРТ для целей ПЛТ глаза. В разрабатываемом онкоофтальмологическом комплексе на базе циклотрона Ц-80 в НИЦ “Курчатовский институт” – ПИЯФ предполагается реализовать систему дозиметрического планирования облучения на основе полученных с КТ и МРТ изображений. В этой связи для обеспечения качества лучевой терапии необходимо решить несколько задач:

– проработать технологию лечения пациентов со злокачественными новообразованиями глаза пучками протонов с использованием топометрических данных, полученных с КТ и МРТ;

– обеспечить преемственность метода и сравнение с традиционной технологией;

– разработать технологию контроля качества оборудования.

Первая из поставленных задач лежит за пределами данной работы, а для решения второй и третьей будет разработано специализированное программное обеспечение (ПО), поскольку задача достаточно специфична и коммерчески доступных аналогов с полным спектром функций не существует.

Основные характеристики ПО:

1. Ведение расписания процедур контроля качества.

2. Уведомление пользователя о необходимости проведения процедур контроля качества.

3. Система включает в себя минимальный набор тестов, гарантирующих стабильную работу лучевой установки (ЛУ).

4. Система имеет календарь напоминаний о проведении тестов всех систем ЛУ, в том числе вспомогательных, даже если для их реализации существуют отдельные инструменты:

• непосредственно ЛУ (в том числе фиксационная точка и гребенчатый фильтр);

• система позиционирования;

• система рентгеновской навигации;

• система видеопозиционирования;

• система лазерного позиционирования;

• система дозиметрического планирования;

• КТ;

• МРТ.

5. В описании теста есть инструкции к их исполнению, ссылки на тестовые планы, уровни реагирования при отклонении параметров от номинальных.

6. Результаты тестов отображаются в цветовой палитре:

• “Зеленый” – в случае успешного прохождения;

• “Желтый” – требуется внимание старшего медицинского физика;

• “Красный” – лечение невозможно до устранения причин отклонения параметров системы от номинальных.

7. Система автоматизированного управления процессами контроля качества агрегирует информацию:

• со всех средств клинической дозиметрии (в автоматическом режиме, если это поддерживается самими средствами);

• логи консольного приложения при тестировании ЛУ;

• логи отказов ЛУ.

8. Система обеспечивает возможность ручного ввода данных процедур контроля качества.

9. Список тестов и их описание являются редактируемыми.

10. Пользователь имеет возможность добавлять графические изображения при описании тестов.

11. Система позволяет строить графики зависимости различных параметров системы от времени.

В связи с отсутствием единого протокола гарантии качества для протонных пучков, предназначенных для лечения внутриглазных образований, за основу были взяты тесты, предложенные в протоколе AAPM TG-224. При этом толерантные уровни выработаны на основе данных, представленных в [12], где отражены подробные описания некоторых тестов для горизонтальных пучков больших энергий, а также на основе данных технического проекта онкоофтальмологического комплекса на базе циклотрона Ц-80.

В табл. 5 представлены данные о ежедневных тестах протонного пучка и критериев их выполнения в соответствии с AAPM TG-224 и критериев, выработанных на основе анализа данных литературы применительно к горизонтальным протонным пучкам. Представлены приемлемые уровни отклонений и уровни, требующие реагирования персонала. Для ежедневных тестов, которые могут проводится дозиметристами, уровень реагирования “Красный” означает, что лечебный процесс не начинается до тех пор, пока медицинский физик не проведет дополнительные исследования и не исправит ошибку.

Критическими параметрами пучка, подлежащими ежедневному контролю, являются радиационный выход пучка, симметричность и соосность пучка, дистальный спад МКБ. Радиационный выход может быть легко изучен в твердотельном фантоме. Соосность и симметричность пучка могут быть изучены с использованием пленок или матрицы детекторов, разработанной специально для стереотаксического облучения. В [12] описан опыт применения стандартных матриц (расстояние между центрами камер 7.62 мм) для протонных пучков. Расстояние между камерами в матрицах для стереотаксического облучения составляет 2.5 мм, что позволяет ожидать приемлемого результата для целей ежедневных проверок. Наиболее сложным для измерения является дистальный спад МКБ. В этой связи в некоторых центрах на протяжении десятилетий в качестве ежедневной процедуры контроля качества используется измерение МКБ в водном фантоме, что является времязатратной процедурой. На первоначальном этапе работы центра представляется разумным использовать при ежедневных процедурах контроля качества водный фантом. А впоследствии перейти на устройства клиновидного типа, размещаемые перед матрицей или пленкой с размерами, позволяющими поглотить часть пучка.

В табл. 6, 7 представлены соответственно ежемесячные и ежегодные тесты. Их проводит медицинский физик, уровень реагирования обозначает необходимость предпринять дополнительные усилия для устранения ошибки. Данные толерантные уровни будут заложены в ПО как базисные. При необходимости они будут пересмотрены после сбора статистики в течение первого полугода эксплуатации. Тесты, не представленные в AAPM TG-224, не имеют толерантных уровней в соответствующем столбце.

ОБСУЖДЕНИЕ

Некоторые тесты зависят от дизайна системы дозиметрического планирования. Например, для систем, в которых заложены измерения всех возможных вариантов сочетаний пробегов и коллиматоров, нет необходимости проверки аппроксимации закона обратных квадратов при пересчете на разные глубины или радиационных выходов. Для планирующих систем, которые строят модель пучка в рамках ежегодных тестов, необходимо сопоставлять измерения с расчетом в системе планирования (аналогично системам для фотонных ускорителей). В случае, если такие аппроксимации не применяются, то проводятся съемка набора распределений и сравнение их с данными, полученными при вводе в эксплуатацию.

Описанные уровни допустимых отклонений для разных тестов выработаны на основе литературных данных и данных технического проекта. Очевидно, что при вводе в клиническую эксплуатацию уровни будут уточнены.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Проведенный анализ литературных данных показал, что как сама медицинская технология, так и все оборудование, применяемое в процессе, требуют пристального внимания и контроля для устранения систематических ошибок.

Несмотря на значительные технические различия в представленных в данной работе центрах, локальный контроль опухоли, достигнутый большинством исследователей, составляет более 95% [14, 15]. При повышении точности доставки дозы эта цифра может приблизиться к 100%. В то же время не стоит забывать, что клинический эффект определяется не только контролем опухоли, но и развивающимися лучевыми реакциями и качеством жизни пациента. Ввиду того, что в протонной лучевой терапии имеют место высокие градиенты дозы, самое незначительное изменение в положении глаза может приводить к значительным изменениям в дозе на критические структуры. Контроль случайных и систематических ошибок позволит повысить качество доставки дозы, возможно, уменьшить традиционный отступ на неточности в 2.5–3 мм и предоставить возможность контроля осложнений лучевой терапии.