CC BY
50
© Коллектив авторов, 2000 УДК 615.849
В. ff. Иванов, Б. М. Втюрип, Л. Ф. Иванова, А. А. Омаров,
Т. В. Попова, Л. А. Марьина
ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ В ЗАДАЧАХ ВНУТРИТКАНЕВОГО ОБЛУЧЕНИЯ НА АППАРАТЕ «МШфОСЕЛЕКТРОН» С НИЗКОЙ МОЩНОСТЬЮ ДОЗЫ
Медицинский радиологический научный центр РАМН, ГНЦ Физико-энергетический институт, Обнинск, НИИ клинической онкологии
Качество лучевого лечения достигается дозиметрическими и топометрическими методами и средствами. Они включают проецирование имплантата, восстановление его трехмерной геометрии, отражение пространства имплантата и дозного поля. По методам решения топометрия относится, с одной стороны, к клинической дисциплине, с другой стороны, связана с техническими дисциплинами (схема).
Однако, как показывают аналитические данные новейших исследований и руководств по коммерческим системам планирования, этот вопрос пока еще не стал центральным или основным в программах гарантии качества брахитерапии и работах по ним. В табл. 1 показана современная классификация проблем гарантии качества.
Можно было бы предположить, что вопросы физико-технического обеспечения охватываются пунктами 2 и 3 этой таблицы. Однако ознакомление с содержанием этой работы убеждает в том, что в них включены вопросы качественной эксплуатации облучательных аппаратов. Нисколько не умаляя важности этих вопросов, необходимо признать, что они находятся на периферии основной проблемы, а центральной является проблема качественного топометри-ческого и дозиметрического решения задачи облучения.
Цель данной работы — изложить основные проблемы собственно технологического процесса брахитерапии на примере использования внутритканевого облучательно-го аппарата «микроСелектрон» с низкой мощностью дозы в МРНЦ РАМН. Эти проблемы были осложнены тем, что центр не имел симуляторной установки. Аппарат был приобретен в 1990 г. в комплекте со сборками источников l37Cs и системой планирования BPS, содержащей модули SPS, MPS, PPS и UPS (версии 8.00, 8.00, 8.00 и 9.11 соответственно).
Методические вопросы дозиметрического и топометрического исследования в задачах облучения на аппарате «микроСелектрон»
Свойства системы планирования BPS. ПС BPS используются для решения геометрических задач восстановления имплантата, выполнения физических расчетов, математической оптимизации и анализа качества имплантатов (таблицы и гистограммы объем — доза разных видов). Технические и методические проблемы выполнения рентгенограмм для дозиметрии возникают из необходимости удовлетворять требованиям системы планирования BPS с фиксированными базовыми характеристиками. В противном случае даже самые правильные расчеты будут давать неверные результаты. Для целей данного исследования существенными являются два момента.
1. Система планирования фирмы «Нуклетрон» разработана для внутритканевых методик, основными свойствами которых являются:
а) униформные (однотипные) геометрические построения имплантатов,
VN.Ivanov, B.M.Vtyurin, L.F.Ivanova, A.A.Omarov,
G. VPopova, L.A.Maryina
PHYSICOTECHNICAL ASPECTS OF INTERSTITIAL IRRADIATION USING A LOW-INTENSITY MicroSELECTRON UNIT
Medical Radiology Research Center, RAMS, State Center 'Physical Power Institute', Obninsk, Russia; Institute of Clinical Oncology
Quality of radiotherapy depends to a great degree upon adequate dosimetry and topometry. These include projection and reconstruction of three-dimension geometry of implants, presentation of implant and dose field spaces. The scheme below demonstrates that the topometry is both a clinical and a technical discipline.
However, analysis of recent investigations and manuals for commercial planning systems shows that this problem is not considered important as to brachytherapy quality assurance. Table 1 summarizes a recent classification of the quality assurance parameters.
It may seem that items 2 and 3 of the table cover problems of the physicotechnical maintenance, while in fact they refer to operation of radiation units. However, it should be emphasized that the topometry and dosimetry problems are of the utmost importance for irradiation quality.
The purpose of this study was to consider main problems of brachytherapy technology proper on the example of interstitial irradiation with a low-intensity 'microSelectron' unit at the Medical Radiology Research Center, RAMS. The Center had no simulation facilities which made the problem still more serious. The unit was available in 1990 together with l37Cs assemblies and a BSP planning system containing modules SPS, MPS, PPS and UPS (versions 8.00, 8.00, 8.00 and 9.11, respectively).
Methodology of dosimetry and topometry for brachytherapy using microSelectron units
Characteristics of BPS Planning System. The BPS is intended to solve geometrical problems of implant reconstruction, physical calculations, mathematical optimization and implant quality evaluation (volume-dose tables and diagrams). Technical and methodological problems of radiography for dosimetric purposes arise from the need to satisfy requirements of BPS with fixed basic characteristics. Otherwise even the most correct calculations may give erroneous results. The following two problems are important for the purpose of this study.
1. The planning system supplied by Nucletron was intended for interstitial irradiation characterized by:
a) uniform implant geometry with preferable projections which simplify recognition and arrangement of projections of sources (assemblies) to a maximum degree. Paris type implants satisfy this requirement;
b) technically stable and accurate source arrangement inside the target. Two-stage implant insertion (insertion of hollow tubes into the tumor tissue and insertion of radiation sources into these tubes to follow) satisfies this requirement;
c) best projection quality of all implant elements needed to calculate irradiation plan is provided by the use of previously adjusted simulators. Universal simulators for radiotherapy Ximatron CX (Varian), Mevasims (Siemens) and simulators for radiotherapy with computer tomography functions Oldelft Simulix-HP (Nucletron) satisfy these requirements. The Nucletron company
Т а б л и ц а 1 Table 1
Основные части гарантии качества [4]
Basic quality guarantees [4]
N п/п Параметр
1 Гарантия качества на облучательную установку
Irradiation unit quality guarantee
2 Гарантия качества на систему планирования облучения
Irradiation planning quality guarantee
3 Гарантия качества на процедуру облучения больного
Irradiation procedure quality guarantee
N п/п Parameter
для которых существуют предпочтительные направления проецирования, максимально упрощающие задачу опознавания и взаимоувязки проекций источников (сборок). Этому условию отвечают имплантаты, выполненные по парижскому методу;
б) техническая стабильность и точность размещения источников излучения внутри мишени. Этому условию отвечает способ двухэтапного построения имплантата, заключающийся в внедрении в опухолевую ткань полых трубок и введении источников излучения в эти трубки (способ последовательного введения);
в) иаилучшее качество изображения проекций всех элементов имплантата для расчета плана облучения, достигаемое благодаря испытанным компонентам симуляторов, подогнанным один к другому. Этим требованиям удовлетворяют универсальные симуляторы для лучевой терапии «Ximatron СХ» (фирма «Varían»), «Mevasims» (фирма «Siemens»), симулятор для лучевой терапии с функциями компьютерного томографа «Oldelft Simulix-HP» фирмы «Нуклетрон». Фирма «Нуклетрон» предлагает также специальный рентгеновский аппарат IBTJ для целей диагностики и планирования облучения в составе блока брахитерапии. Для технологий внутриполостного облучения особенно существенно то, что топометрический контроль и облучение выполняются па одном лечебном столе без перемещения больного. IBU обеспечивает визуальный контроль дозного распределения в режиме реального времени, что является его уникальным свойством. Он предназначен также для интраоперационной радиотерапии.
2. Алгоритм системы планирования со сборками l3,Cs (в смысле его общего свойства) является вычислимым при четко определенных условиях получения изображения. Для стереометода, использованного в данном исследовании, эти условия следующие:
а) линии сборок источников 13,Cs должны быть направлены вдоль оси Y (не строго);
б) смещение проекции сборок на изоцентрических изображениях должно происходить по оси X;
в) координаты Y проекции концов каждой сборки на двух изображениях остаются примерно постоянными. Разброс значений этой координаты вычислительной системой визуализируется пассивно (отображается на экране дисплея);
г) отсутствие ошибочного ввода контролируется по значению длины сборки, восстановленной из рентгенограмм. По умолчанию задается допустимое отклонение расчетной полной длины сборки от ее конструктивной длины 1,5 мм. Для конкретной рентгеновской установки эта погрешность оценивается эмпирически;
д) ряды линий сборок должны находиться в плоскостях, параллельных плоскости координат XOZ (не строго);
е) однотипное проецирование достигается за счет регулируемой установки деки стола (подъем, опускание, поворот), опорной панели деки (продольное и поперечное перемещение), кронштейна с рентгеновской трубкой и блоком регистрации изображения симулятора.
Однако уровень экспериментального обоснования этих условий оценить сложно. Так, в руководстве по использованию «микроСелектрона» технология получения рентгенографических данных и их точностные характеристики не приведены. Между тем эти данные являются базисными для восстановления имплантата и проведения дозовых расчетов.
Экспериментальное обоснование использования рентгенодиагностических аппаратов как заменителей симулятора. Так как обычные диагностические аппараты не адекватны симулятору, выполнение условий п. 1 и 2 (или части условий) для конкретного рентгеновского аппарата не может априори гарантироваться. Это может быть сделано в специальном исследовании.
Схема Взаимосвязь основных элементов физико-технического обеспечения облучения больного
Scheme. Relationship of principal elements of irradiation physicotechnical support
also offers a IBU model, a special x-ray unit for radiation diagnosis and planning included in its brahytherapy sets. It is important that topometric control and irradiation are performed on the same table without patient replacement. The IBU has a unique property of providing visual control of dose distribution in a real time mode. The unit is also intended for intraoperative radiotherapy.
2. Algorithm of the planning system with 07Cs assemblies is calculable if imaging conditions are strictly determined. The three-dimension methodology used in this study required the following:
a) 137Cs source assemblies should be oriented along the Y axis (not strictly);
b) assembly projection displacement in isocentric images should occur along the X axis;
c) Y-coordinates of ends of every assembly should be constant in two images. Scatter in the coordinate values is visualized passively (on display);
d) erroneous insertion is controlled by assembly length on x-ray films. Default option is a 1.5 mm permitted deviation of assembly calculated length from designed length. This deviation for individual x-ray units is assessed empirically;
e) assembly lines should be placed in planes parallel to XOZ (not strictly);
f) uniform projection is achieved by means of an adjustable table plate (lifting, lowering, turning), a plate support (longitudinal and transverse movement), a bracket with an x-ray tube and a simulator image recording unit.
However, it is difficult to evaluate quality of experimental rationale for these conditions. For instance, the 'microSelectron' manual does not contain description of radiography technology and exact values of radiography characteristics. While these data are of most importance for implant reconstruction and dose calculations.
Experimental Rationale for the Use of X-Ray Diagnostic Apparatus as Simulator Substitutes. Since conventional diagnostic apparatus cannot be used for the simulation, satisfaction of conditions 1 and 2 (in full or in part) for individual x-ray units is not assured. This may be done in a special study. An EDR-750B (Hungary) was the only unit applicable for diagnostic purposes among all apparatus available at the MRRC (fig. 1).
We compared technical and methodological characteristics important for implant topometry of a simulator and an EDR-750 x-ray diagnostic unit by 12 parameters (table 2). Parameter 9 is related to on-line assessment of difficulty of image recognition and arrangement of implant elements and to choice of projection conditions. The simulator involves computerized on-line data processing. The EDR-750B does not imply this topometry stage and the needed values are obtained by suitable empirical selection. This and similar apparatus do not have x-ray-contrast reference marks on the radiation head or the table needed to trace the central ray, the isocenter and to lay patients. Therefore additional facilities are needed for our purpose.
Other limitations were associated with poor kinematics of the apparatus. Attempts to make isocentric Aims demonstrated that the central ray and the tie-rod line moved apart and the tie-rod axis of rotation did not coincide with the axis of beam crossing. To confirm this finding we performed a phantom experiment using a 15 cm thick tissue-equivalent material and an x-ray contrast wire on its surface. We recorded heights of tie-rod axis of rotation by a mirror scale and measured the distance between the wire projections on a x-ray film. Minimal height of tie-rod axis of rotation was 14.5 cm and maximal height was 18 cm. Fig.2 demonstrates the experimental findings. When the angle was changed from 10o to 30o to the right or left (the x-ray head and the cassette holder moving in opposite directions) the wire projection remained in
В МРНЦ из всех имевшихся установок потенциально подходящим оказался аппарат Е011-750В производства Венгрии (рис. 1).
Аппаратурные и методические характеристики симулятора и рентгенодиагностического аппарата Е011-750В, существенные для топометрии имплантатов, мы оценивали по 12 пунктам (табл. 2). Один из них (п. 9) связан с оперативной оценкой сложности опознавания и взаимоувязки изображений элементов имплантата и выбором условий проецирования, В симуляторе это обеспечивается интерактивной связью с ЭВМ и регистрацией изображения на мониторе. На установке ЕОЯ-750В эта стадия топометрии технически не реализуется, а выполняется эмпирическим подбором. Этот аппарат и подобные ему установки не содержат опознавательных конструктивных рентгеноконтрастных меток как на рентгеновской головке, так и на лечебном столе для прослеживания хода центрального луча, изоцентра и укладки больного. Поэтому без применения дополнительных средств ситуация не прослеживается.
Другие ограничения обусловлены неудовлетворительными кинетическими характеристиками этого аппарата. Попытки выполнить изоцентрические снимки показали, что центральный луч и линия соединительной тяги расходятся иось вращения соединительной тяги не является осью пересечения пучков. Для подтверждения этого мы выполнили фантомный эксперимент с тканеэквивалентным материалом толщиной 15 см и рентгеноконтрастной проволокой на его поверхности. В этом эксперименте регистрировали высоту оси вращения соединительной тяги по зеркальной шкале и измеряли расстояние между проекциями этой проволоки на рентгеновской пленке. Минимальная высота оси вращения тяги была 14,5 см, максимальная — 18 см. Данные этого эксперимента показаны на рис. 2. При изменении угла от 10 до 30" вправо и влево (рентгеновская головка и кассетодержатель движутся в противоположных направлениях) проекция проволоки оставалась в одной позиции на рентгеновской пленке, если ось вращения соединительной тяги была установлена на 1 см выше над поверхностью фантома, т. е. на высоте 16 см от поверхности лечебного стола. Таким образом, в этом случае центральный луч пучка проходит на I см ниже оси вращения соединительной тяги и два пучка пересекаются на проволоке.
В других точках эксперимента проекции рентгеноконтрастной проволоки для косых углов отображаются раздельно и, следовательно, проволока не представляет собой ось изоцентра. Это было видно и по смещению оптического визира рентгеновской головки относительно проволоки.
Получив отрицательный результат, мы разобрали эту соединительную тягу и перешли на ручную настройку аппарата для изоцентрического проецирования с визуальным контролем. Для этого мы ввели 4 метрических компонента.
Первым компонентом является координатный лист из пластмассы, прозрачный для рентгеновского излучения. На оборотной стороне этого листа размещены 8 крестов из рентгеноконтрастного материала (вольфрам), заглубленные до уровня поверхности. На лицевой стороне в тех же позициях и дополнительно в центре подобные кресты нарисованы краской для визуальной настройки, а изображения меток используются для совмещения двух рентгеновских снимков изоцентрического проецирования для больших имплантатов (рис. 3, а, Ь),
Вторым компонентом является крест из рентгеноконтрастного материала, вмонтированный в круглый диск из плексигласа (рис. 3, с). Этот диск прикрепляется на коже больного и служит изоцентром при настройке пучка. На него ручным поворотом рентгеновской головки выводится оптический визир, когда стойка смещена от нулевой позиции для изоцентрического проецирования. При каждом действии достигается совмещение проекции креста оптического визира центрального рентгеновского луча с крестом метки диска. На рентгенограмме центр проекции креста принимается за точку центрального луча.
Третьим компонентом является отвес, прикрепляемый на лицевой поверхности рентгеновской головки. Он используется для установки рентгеновской головки так, чтобы центральный луч был вертикальным по отношению к изоцентру, выбранному в мишени. Стойка с рентгеновской головкой при этом находится в нулевой позиции. Точность выбора контролируется по переднезаднему снимку.
Четвертым компонентом является средство, служащее для установки стойки с источником рентгеновского излучения в заданной позиции на горизонтальной напольной направляющей. Для этой цели используется шкала расстояний продольного перемещения стойки для углов проецирования от 10 до 45° с шагом 5°, вычисленных для высоты креста над лечебным столом 20 см. Шкала нанесена нами на рейке на напольной направляющей. В реальной ситуации высота крепления креста и угол проецирования луча являются вариабельными параметрами, что обусловливает отклонение от фиксированных углов. Эти данные для расстояния «фокус рентгеновской трубки — поверхность лечебного стола» в 100 см» приведены в табл. 3 [3].
Технологическое различие методик по типу фиксируемых параметров проявляется следующим образом. Фиксированные параметры с симулятором:
Рис. 1. Кинематические возможности рентгенодиагностического аппарата EDR-750B для изоцентрической топометрии.
Fig.1. EDR-750 kinematic properties to be used for isocen-tric topometry.
h
Рис. 2. Расстояние между проекциями проволоки (г), расположенной на поверхности тканеэквивалентного фантома толщиной 15 см, в зависимости от высоты оси вращения соединительной тяги по зеркальной шкале аппарата EDR-750B (h) при разных углах изоцентрического проецирования.
1 — 10"; 2 — 15”; 3 — 20"; 4 — 30".
Fig.2. Distance between projections of the wire (r) on the surface of a 15 cm thick phantom with respect to tie-rod axis of rotation on the EDR-750B mirror scale (h) for different isocen-tric projection angles:
1,10"; 2, 15"; 3,20"; 4, 30".
Таблица 2 Table2
Сравнительные данные для симулятора и рентгенодиагностического аппарата Comparison of simulator and x-ray diagnostic apparatus characteristics
Параметр Симулятор «Xematron» Аппарат EDR-750B
1. Общий принцип конструкции General design Предусмотрены совершенствование конструкции с развитием технологии лечения, защита капитального вложения There is provision for design improvement with respect to development of treatment technology, protection of capital investment Замкнутая конструкция Closed design
2. Общий принцип управления и укладки больного General control and patient laying principles Расширенное компьютерное управление (дистанционное и местное) с лазерной системой Extended computer control (distant and local) with a laser system Управление ручное местное Manual local
3. Установка и считывание расстояния источника рентгеновского излучения — ось изоцентра X-ray source-isocenter axis distance fixing and reading Через управляющую ЭВМ с цифровым считыванием на мониторе Via a control computer with digital reading on the display Механическая местная Mechanical local
4. Установка и считывание позиции источника рентгеновского излучения и коллиматора X-ray source position and collimator fixing and reading Через управляющую ЭВМ с цифровым считыванием на мониторе Via a control computer with digital reading on the display Механическая местная через штангу Mechanical local through a rack
5. Центрация, продольное и поперечное смещение (движение) позиции усилителя изображения Image amplifier centering, longitudinal and transverse movement Через управляющую ЭВМ Via a control computer Нет No
6. Установка стола для больного Table fixation Большая вариация позиций (вращение, продольное, боковое, вертикальное перемещение с регистрацией позиций) Large variation of positions (rotation, longitudinal, lateral, vertical movement, position recording) Только продольное перемещение ручное Only manual longitudinal movement
7. Маркировка поля излучения Irradiation field marking Координатная сетка с шагом 10 мм 10 mm coordinate network Нет No
8. Выбор плоскости стереопроецирования согласно алгоритму Choosing of three-dimension projection plane by a certain algorithm Обеспечивается технологически Technologically ensured Ограниченная техника исполнения Limited
9. Оперативная оценка сложности опознавания и взаимоувязки изображений элементов имплантата и уточнение условий проецирования Operative assessment of difficulty of recognition and matching of implant elements images and more accurate determination of projection conditions Обеспечивается интерактивной связью с ЭВМ и регистрацией изображения на мониторе Ensured by on-line dialogue with computer and image display Эта стадия топометрии не реализуется No
10. Регистрация физических условий то-пометрии Recording of topometry physical conditions Твердая копия на принтере Hard printer copy Не предусмотрена No
11. Выбор экспозиции с анатомическим программированием Choice of exposure with anatomical programming Через управляющую ЭВМ Via a control computer Эмпирический подбор Empirical selection
12. Постоянная готовность к работе Permanent readiness to operation Обеспечивается Yes Требуется механическая настройка ручным способом Mechanical manual adjustment is required
Parameters Xematron simulator EDR-750B
Рис. 3. Координатный лист и ориентирующая метка для изоцентрической топометрии.
а — оборотная сторона координатного листа с рентгеноконтра-а стными крестами; Ь — лицевая сторона координатного листа с прорисованными крестами для визуальной настройки; с — ориентирующая метка изоцентра. Пунктиром показана световая проекция центрального луча. Fig.3. Coordinate sheet and the £ orientation mark for isocentric topometry.
a, coordinate sheet back side with x-ray contrast crosses; b, coordinate sheet face side with crosses for visual adjustment; c, isocenter с orientation mark.
угол между осью пучка и вертикалью, расстояние «фокус — изоцентр», расстояние «изоцентр — пленка». Фиксированные параметры с ЕБ11-750В: расстояние «фокус — поверхность лечебного стола», сдвиг стойки с рентгеновской головкой по горизонтали. Именно таким образом обеспечивается однотипность работы врача- топометриста и рентгенолаборанта на установке Е011-750В.
Одним из контролируемых параметров, который может быть независимо найден из топометрических рентгеновских снимков по известным параметрам аппарата, является высота изоцентра над лечебным столом. Влияние реальных факторов и условий приводило к тому, что восстановленные данные для больных оказывались ниже измеренных при топометрической регистрации имплантата (рис. 4). Погрешности присутствуют при измерении (на аппарате нет тестированного измерительного инструмента или узла) и выполнении собственно рентгеновского проецирования с визуальной настройкой аппарата. Наибольшее отклонение данных составляло 10%, в основном 5%.
Другим параметром является расстояние мевду проекциями изоцентра. Результирующий разброс данных для трех средних углов проецирования в привязке к высоте изоцентра над поверхностью лечебного стола аппарата приведен на рис. 5. По этим данным можно заключить, что серьезные погрешности на этапе топометрической регистрации имплантатов не были допущены.
Результаты. Условия облучения опухолей полости рта на аппарате «микроСелектрон». Исследованы условия облучения при радиохирургическом лечении местнораспространенных и рецидивных опухолей головы и шеи с использованием об-лучательного аппарата «микроСелектрон». Для иллюстрации методики аппаратного афтерлоадинга в табл. 4 и 5 приведены данные об условиях облучения 5 больных, различающихся по статусу и исходам лечения. Исходы лечения клинически представляют ближайшие, а у части больных — отдаленные результаты. Составлялись двух- и трехплоскостные имплантаты с суммарной активностью 137Сз от 4000 до 11 460 МБк. Линейные размеры этих имплантатов составляли от 25413460 до 40Ч40Ч70 мм. Физические условия облучения были следующие: мощность дозы на границе мишени 100 или 120 сГр/ч, опухолевая доза 30 Гр, в одном случае было 35 Гр, длительность облучения 25—35 ч.
Исследование топометрического качества имплантатов, выполненных на больных. Характеристики топометрического качества имплантатов для исследованных больных, оцененные с помощью ЭВМ, приведены на рис. бив табл. 6.
Как видно на рис. 6, однотипные имплантаты были реализованы с одинаковым качеством топометрических параметров. Это подтверждается плотной группировкой данных для однотипных имплантатов: больные 1 и 2 с 5 сборками и больные 3 и 5 с 8 и 9 сборками. При увеличении числа сборок в 2,6
the same position on the x-ray film if the tie-rod axis of rotation was fixed at 1 cm higher from the phantom surface, i.e. at a height of 16 cm from the table surface. In this case the central beam was 1 cm below the tie-rod axis of rotation and the two beams intersected on the wire.
In other points the x-ray contrast wire projections for skew angles were represented separately and the wire was not the isocenter axis. This was also seen by displacement of the head optical cursor with respect to the wire.
Then we disassembled the tie-rod and started manual adjustment to have isocentric projection under visual control. For this purpose four metric components were introduced.
The first component was an x-ray transparent plastic coordinate sheet with 8 x-ray contrast (tungsten) crosses put flush with the surface on the back side. The same crosses and an additional central cross were painted on the face side for visual adjustment, the reference marks were used to match two x-ray isocentric projection films for big implants (figs.3,a,b).
The second component was an x-ray-contrast cross in a round plexiglass disk (fig.3,c). The disk was fixed on the patient's skin and was used as an isocenter to adjust the beam. When the rack was shifted from the zero position for isocentric projection we fixed the optical cursor on the disk by manual turning of the head. At each stage the central beam optical cursor was made to agree with the disk cross. In the film the cross projection center was taken for the central beam point.
The third component was a plumb line fixed on the head front surface and used to fix the x-ray head so that the central beam was vertical in respect of the target isocenter. The rack with the x-ray head was in the zero position. The accuracy was checked by the anterioposterior film.
The forth component was a device for fixation of the rack with the x-ray source in the needed position on a horizontal floor guide. For this purpose we used a scale of rack longitudinal movement distances for projection angles lOo to 45o with a 5o step as calculated for a 20 cm height of the cross over the table. The scale was drawn on the floor guide rod. In actual situations the cross fixation height and the beam projection angle are variable parameters which accounts for a deviation from the fixed angles. Table 3 presents these parameters fora 100 cm distance between the x-ray tube focus and the table surface [3].
Technological difference of methods with respect to fixed parameters manifests itself as follows. Fixed parameters with a simulator: the angle between the beam axis and the vertical, the focus-isocenter distance, the isocenter-film distance. Fixed parameters with an EDR-750B: the focus-table distance, the horizontal shift of the rack with the x-ray head. These facilities assure uniformity of the topometrist's and laboratory assistant's actions when working with an EDR-750B unit.
The isocenter height over the table is a controllable parameter that may be found independently from topometric films by known parameters of the unit. Due to the effects of actual factors and conditions the reconstructed data were lower than those found by topometric implant detection (fig.4). Errors appeared both during measurement (the unit contained no calibrated measuring instruments) and x-ray projection with visual adjustment. Maximum deviation was 10%, most frequent error was 5%.
The distance between the isocenter projections was another controllable parameter. The resultant scatter for three projection angles with respect to the isocenter height over the table is demonstrated in figure 5. As seen there were no serious errors during topometric implant detection.
Results. Conditions of Oral Tumor Irradiation Using a 'MicroSelectron ' Unit. We analyzed conditions of irradiation of locally advanced and recurrent head and neck tumors during radiosurgical treatment using a 'microSelectron' unit. Tables 4 and 5 summarize the irradiation conditions for 5 cases with different statuses and treatment outcomes to illustrate the afterloading technique. Immediate or follow-up (in some cases) results were analyzed as treatment outcomes. Bi- or triplanar implants were assembled to have l37Cs total activity 4,000 to 11,460 MBq. The implant linear dimensions ranged from 25x13x60 mm to 40x40x70 mm. Physical conditions of irradiation were as follows: dose intensity on the target borderline was 100 cGy/h or 120 cGy/h, tumor dose was 30 Gy (35 Gy in one case), irradiation duration was 25-35 h.
Analysis of Implant Topometric Properties. Figure 6 and table 6 present characteristics of implant topometric properties for the above mentioned cases as calculated using a computer.
ТаблицаЗ Table 3
Распределение углов проецирования для внутритканевых имплантатов языка и дна полости рта
Distribution of projection angles for tongue and oral bottom interstitial implants
Фиксированные углы, градусы Реальные углы, градусы Частота использования, %
15 20 25
14—16 19—22 24—27
9 73 18
Fixed angles, degrees Real angles, degrees Frequency of use, %
Таблица4 Table4
Характеристика имплантатов как средства облучения Characteristics of implants as irradiation devices
Число и Число Актив-
Боль- ные Число рядов сборок Число сборок активная длина сборок, мм гранул 137CS в имплантате ность 137CS в имплантате, МБк
1 2 5 3x50 2x60 32 4 000
2 2 5 3x50 2x60 32 4015
3 2 8 3x50 5x60 3x50 53 6 550
4 3 13 5x60 5x70 3x50 93 11 460
5 3 9 5x60 1x70 61 7515
Pati- ents Number of assembly rows Number of asse- mblies Assembly number and active length, mm Number of 137Cs granules per implant 137Cs activity per implant, MBq
Таблица 5 Table5
Физические условия облучения для исследованных больных Physical conditions of irradiation for the selected patients
Больные Мощность дозы на границе мишени, сГр/ч Опухолевая доза, Гр Длительность облучения, ч
1 100 ЗО 30
2 100 35 35
3 100 ЗО 30
4 122 ЗО 24,6
5 120 ЗО 25
Patients Dose intensity on the target borderline, cGy/h Tumor dose, Gy Irradiation duration, h
0 10 20 30
Рис. 4. Сопоставление высоты изоцентра над лечебным столом, восстановленной из изоцентрических рентгеновских снимков, с измеренной высотой рентгеноконтрастной метки изоцентра.
+ — эксперимент с тканеэквивалентным фантомом;
• — индивидуальный радиохирургический имплантат.
По оси абсцисс — высота измеренная, см; по оси ординат — высота вычисленная, см.
Fig.4. Matching of the isocenter height over the table reconstructed from isocentric x-ray films and x-ray contrast isocenter mark height measurement.
+, tissue-equivalent phantom experiment; • , individual radiosurgi-cal implant.
Numbers on thexaxis are cm of measured height, numbers on the у axis are cm of calculated height.
As seen in fig.6 similar implants demonstrate similar topometry quality. This is confirmed by dense grouping of data for similar implants (cases 1 and 2 with 5 assemblies, cases 3 and 5 with 8 and 9 assemblies). As the number of assemblies was increasing 2.6-fold, the tissue volume with a 100% isodose coverage was rising from 32 cm3 to 140 cm3,
i.e. 4.4-fold. Tissue volume with a 50% coverage was also increasing. However, the figures for low isodoses are not very demonstrative because the selected size of the calculation net might be insufficient. Calculations with other conditions are needed to interpret radiation exposure of distant organs if necessary.
Since the l37Cs assemblies from the ’microSelectron' kits had lengths which did not agree with adjacent structures of tumors of the tongue and oral bottom, the assembly active granules often went out on or beyond the skin and created high-dose local zones. For instance, 3 of the 5 patients received a tumor dose 30-35 Gy on the skin (table 7).
Comparison of Treatment Results with Respect to Implant Topometry and Dosimetry Parameters. Table 8 summarizes implant topometry and dosimetry parameters that may be related to radiosurgical treatment outcomes [2]. In case 5 with a marked radiation lesion 50% of the target volume received a more than 150% tumor dose. The dose in points where the assemblies came on the skin surface reached 33-90
Таблицаб Table6
Параметры топометрического качества имплантатов для исследованных больных, оцененные с помощью ЭВМ Implant topometry quality parameters for the selected patients as assessed with computer
Больные Линейные размеры имплантата, мм Объем ткани (в см3) внутри 100% изодозы Объем ткани (в см3), получающей дозу в интервале 50-100% Объем ткани (в см3), получающей дозу в интервале 100-150%
1 25x13x60 32 (100%) 50,7 (159%) 19,2 (59,8%)
2 25x20x66 34,2 (100%) 42,0 (123%) 20,0 (58,4%)
3 45x15x70 74,1 (100%) 56,2 (75,7%) 37,6 (50,9%)
• 4 40x40x70 139,6(100%) 96,0 (68,9%) 70,2 (50,5%)
5 40x30x70 72,9 (100%) 96,9 (133,2%) 47,8 (65,8%)
Patients Implant linear dimensions, mm Tissue volume (cm3) inside a 100% isodose area Tissue volume (cm3) exposed to a 50%—100% isodose Tissue volume (cm3) exposed to a 100%—150% isodose
Рис. 5. Зависимость расстояния между проекциями изоцентра от высоты изоцентра над лечебным столом аппарата при разных углах проецирования.
1 -25-26,5"; 2 — 18,5—21,5”; 3 — 14,3—15,8".
• — индивидуальный радиохирургический имплантат.
По оси абсцисс — высота измеренная, см; по оси ординат — расстояние между проекциями изоцентра, см.
Fig.5. Distance between isocenter projections with respect to isocenter height over the table for different projection angles.
1, 25—26.5"; 2,18.5—21.5"; 3, 14.3—15.8".
• , individual radiosurgical implant.
Numbers on the x axis are cm of measured height, numbers on the у axis are cm of distance between isocenter projections.
раза объем ткани, охватываемой 100% изодозой, возрастает от 32 до 140 см3, т. е. в 4,4 раза. Объем ткани, получающей половинную опухолевую дозу или менее, также возрастает. Однако цифровые данные для маленьких изодоз не столь показательны, так как выбранный размер расчетной сетки мог быть недостаточным. Для интерпретации лучевых нагрузок на удаленные органы нужны расчеты с другими условиями, если такая клиническая задача возникнет.
Рис. 6. Зависимость охватываемого объема ткани от уровня поглощенной дозы излучения 137Cs внутри и вне мишени для исследованных больных.
■ — больной 1; + — больная 2; ♦ — больной 3; ▲ — больной 4; • — больной 5.
По оси абсцисс — уровень изодозы, %; по оси ординат — объем ткани, см3.
Fig.6. Tissue volume coverage with respect to 137Cs ^-radiation cumulative dosage inside and outside the target for|5 patients:
■, patient 1; +, patient 2; ♦, patient 3; A, patient 4; •, patient 5. Numbers on the xaxis are % of isodoses, numbers on the у axis are cm3 of tissue volume.
Gy. As to patients 2 with recurrent disease the problem was in a more correct choice of the target.
Conclusion. The dosimetry planning is closely related to interpretation of implant topometry. There is no specific software facilities for this stage which leads to errors in matching assembly images on x-ray films, i.e.'erroneous recognition of projections. The BPS software provides a 5mm
Таблица7 Table 7
Облучение кожи у больных, обусловленное активной длиной сборок из комплекта аппарата «микроСелектрон»
Skin irradiation in the selected patients due to active length of assemblies from the ‘microSelectron’ kit
Больные
Расположение активных концов сборок относительно кожи
Облучение кожи
У 4 сборок последняя гранула на коже; у 1 сборки предпоследняя гранула на коже, последняя гранула выступает за кожу
The last granule was on the skin in 4 assemblies; the last but one granule was on the skin arid the last granule was beyond the skin in 1 assembly
У 2 сборок последняя гранула на коже; у 2 сборок одна гранула выступает за кожу; у 1 сборки две гранулы выступают за кожу
The last granule was on the skin in 2 assemblies; 1 granule was beyond the skin in 2 assemblies; 2 granules were beyond the skin in 1 assembly
У 2 сборок последняя гранула на коже; у 3 сборок последняя гранула выступает за кожу; у 1 сборки две гранулы выступают за кожу; у 2 сборок последние гранулы незначительно заглублены
The last granule was on the skin in 2 assemblies; the last granule was beyond the skin in 3 assemblies; 2 granules were beyond the skin in 1 assembly; last granules in 2 assemblies bit somewhat deeper
Активные концы всех сборок под кожей на глубине 1,5—3 см
Active ends of all assemblies were 1.5-3 cm under the skin
Активные концы всех сборок под кожей на глубине 1—1,5 см
Active ends of all assemblies were 1-1.5 cm under the skin
Два пятна сечением 2,5 и 3,5 см2 получили опухолевую дозу; доза в точках выхода сборок 40—70 Гр Two spots 2.5 cm2 and 3.5 cm2 received the tumor dose; the dose in the assembly exit point was 40-70 Gy
Сплошное пятно сечением 5 см2 в зоне имплантата получило опухолевую дозу; доза в точках выхода сборок 55—65 Гр A continuous spot 5 cm2 in the implant zone received the tumor dose; the dose in the assembly exit point was 55-65 Gy
Участок 12 см2 получил опухолевую дозу; внутри этого участка сплошное пятно сечением 9 см2 и одно маленькое пятно сечением 0,5 см2 получили 125% опухолевой дозы; доза в точке выхода сборок 33—90 Гр А 12 cm2 area received the tumor dose; a continuous spot 9 cm2 and a small spot 0.5 cm2 Inside this area received 125% of the tumor dose; the dose in the assembly exit point was 33-90 Gy
Одно сплошное пятно сечением 24 см2 получило от 25 до 35% опухолевой дозы; в точках выхода неактивная хвостовая часть сборки
A continuous spot 24 cm2 received 25-35% of the tumor dose; inactive segment in the assembly exit point
Одно сплошное пятно сечением 27 см2 получило от 25 до 50% опухолевой дозы; его центральная часть площадью 3 см2 получила дозу до 75% опухолевой дозы; в точках выхода неактивная часть сборки
A continuous spot 27 cm2 received 25-50% of the tumor dose, its 3 cm2 central part received up to 75% of the tumor dose; inactive segment in the assembly exit point
Patients
Position of active assembly ends in respect i of the skin
Skin irradiation
Из-за несоответствия длины сборок шСз из комплекта «ми-кроСелектрона» анатомическому окружению опухолей языка и дна рта активные части сборок часто выходят на кожу или за нее. В точках прокола находятся активные гранулы, создавая высокие локальные дозы. Так, у 3 из 5 больных имело место облучение участков кожи опухолевой дозой 30—35 Гр (табл. 7).
Сопоставление результатов лечения с топометрическими и дозовыми параметрами имплантатов. В табл. 8 отобраны то-пометрические и дозовые параметры имплантатов, которые могут подвести к обоснованию результатов радиохирургического лечения [2]. Так, у больного 5 с выраженным лучевым повреждением 50% объема мишени получили дозу выше 150% опухолевой дозы. Участок кожи сечением 9 см2 получил опухолевую дозу 30 Гр. Доза в точках выхода сборок составила 33—90 Гр. Что касается рецидива (больная 2), то в этом случае встает вопрос более широкого выбора мишени.
Заключение. Техника расчета дозиметрического плана тесно связана с расшифровкой топометрической структуры имплантата. Этот этап не выполняется программными средствами, поэтому возникают ошибки, допускаемые человеком при взаимоувязке изображений сборок на рентгенограммах, т. е. ошибки опознавания проекций выбранных
allowance of assembly length. It requires data re-entry with a more accurate stepwise determination of the number and position of discrete points on assembly projections. Error of the first data entry for complex implants was twofold as high as the allowance. Variation in dose intensity from the first to the last data entry procedures for a sample of 15 patients ranged from -8% to +14%.
One of the main problems here is the absence of relevant published data. We cannot compare our findings with results of other investigators and are not aware of simulator precision. It may be supposed that the problem of accuracy remains urgent for the simulators too.
The I37Cs set used in this study could not assure precise irradiation of head and neck tumors without involvement of adjacent normal tissues. Normal tissues were exposed to high-dose irradiation because the assembly active segments came out through the skin. Therefore, special flexible l37Cs assemblies should be used to irradiate tumors of the tongue and oral bottom.
As a whole the results of this study with L17Cs implants are in agreement with our previous study with I5JCf and “Co sources. One may find useful information on 252Cf implant manufacture technology and clinical application in [1].
Таблица 8 Tab
Результаты облучения больных / Irradiation results
Больные Локализация, стадия Результаты лечения Характерные параметры имплантатов
1 Дно полости рта, ТЗ Oral bottom, ТЗ Излечение Cure Хороший охват мишени 100% изодозой; отношение объема ткани внутри 100% изодозы к объему имплантата равно 1,6, при этом 60% объема ткани получили дозу (100—150)%; активные части сборок доходили до кожи Good 100% isodose target coverage; ratio of tissue volume inside the 100% isodose to implant volume was 1.6 with 60% of the tissue volume receiving a 100-150% dose; active assembly segments reached the skin
2 Язык, Т4 Tongue, Т4 Рецидив Recurrence Имплантат выбран по размеру остаточной опухоли; отношение объема ткани внутри 100% изодозы к объему имплантата равно 1, при этом 58% объема ткани получили дозу (100—150)%; активные части сборок доходили до кожи The implant was chosen with respect to residual tumor size; ratio of tissue volume inside the 100% isodoseto implant volume was 1 with 58% of the tissue volume receiving a 100-150% dose; active assembly segments reached the skin
3 Дно полости рта с распространением на язык, Т2 Oral bottom with tongue involvement, T2 Лучевое повреждение мягких тканей полости рта и кожи Radiation damage of oral soft tissues and skin Отношение объема ткани внутри 100% изодозы к объему имплантата равно 1,1, при этом 50% объема ткани получили дозу выше 150%; концы сборок выступали за кожу, создавая пятно большого размера с опухолевой дозой; кожа облучалась практически как мишень Ratio of tissue volume inside the 100% isodoseto implant volume was 1.1 with 50% of the tissue volume receiving a more than 150% dose; active assembly segments went beyond the skin and a large skin area received the tumor dose; the skin exposure was practically the same as that of the tumor
4 Язык, T4 Tongue, T4 Излечение Cure Отношение объема ткани внутри 100% изодозы к объему имплантата равно 1,2, при этом 50% объема ткани получили дозу (100—150)%; активные части сборок не доходили до кожи Ratio of tissue volume inside the 100% isodoseto implant volume was 1.2 with 50% of the tissue volume receiving a 100-150% dose; active assembly segments did not reach the skin
5 Дно полости рта с распространением на язык, Т4 Ora! bottom with tongue involvement, T4 Излечение Cure Отношение объема ткани внутри 100% изодозы к объему имплантата равно 0,9, при этом 66% объема ткани получили дозу (100—150)%; активные части сборки не доходили до кожи Ratio of tissue volume inside the 100% isodose to implant volume was 0.9 with 66% of the tissue volume receiving a 100-150% dose; active assembly segments did not reach the skin
Patients Site, stage Treatment result Implant characteristics
на них точек. В ПС BPS заложен допуск 5 мм для длины сборки. Для этого требуется повторение ввода данных с пошаговым уточнением числа и позиций дискретных точек на проекциях сборок. Для сложных имплантатов погрешность первого ввода данных почти вдвое превышала допуск. Изменение мощности дозы от первой до последней процедуры ввода составляло для выборки из 15 больных от —8 до +14%.
Сложность ситуации заключается в том, что не с чем сравнивать собственные результаты, так как клиницисты и исследователи в отчетах и публикациях не приводят подобные данные. Мы не имеем реальных данных о точностях, с которыми работают на симуляторах. Предварительно можно утверждать, что проблема достижения точности сохраняется и при наличии симулятора.
Комплект источников l37Cs, с которым было выполнено данное исследование, не позволяет осуществлять облучение опухолей в области головы и шеи без вовлечения нормальных тканей и кожи в облучаемый объем. Активные части сборок выступали за кожу, создавая зоны высокой дозы. Для облучения новообразований языка и дна полости рта нужны комплекты гибких сборок l37Cs, предназначенные для этих локализаций.
В целом опыт работы и наблюдения с имплантатами l37Cs укладываются в рамки наших представлений, выработанных в
расширенном клиническом исследовании с источниками 252Cf и “Со. Полезную информацию по этому вопросу можно найти в нашей работе по технологии изготовления и опыту клинического применения источников 252Cf [1].
ЛИТЕРА ТУРА/REFERENCES
1. Втюрин Б. М., Карелин Е. А., Иванов В. Н. и др. // Мед. ра-
диол. — 1989. — № 9. — С. 60—64.
2. Денисенко О. Н., Втюрин Б. М., Иванов В. Н. и др. //Рос-
сийская научная конференция по защите от ионизирующих излучений ядерно-технических установок, 6-я (Обнинск, 20—23 сентября 1994 г.). — Обнинск, 1994. — Т. 2. —С. 227-229.
3. Иванов В. Н., Омаров А. А., Иванова Л. Ф., Попова Т. В. //
Медицинская физика-97. Новые технологии в радиационной онкологии: Тезисы докладов объединенной конференции с международным участием. — Обнинск, 1997. —
С. 107-108.
4. Hicks J. A., Ezzell G. А. // International Brachytherapy Working
Conference, 7-th. — Baltimore; Washington. 6—8 September 1992. - P. 237-239.
Поступила 02.04.99 / Submitted 02.04.99
