Intenzitásmodulált sugárterápia módszerei

   Tankönyv Fizikusoknak  »  Képalkotás szerepe a sugárterápiában  »  Intenzitásmodulált sugárterápia (IMRT)  »  Intenzitásmodulált sugárterápia módszerei

Az utóbbi évtizedekben a számítógépes hardver és szoftver területeken történt nagymértékű technológiai fejlődés tette lehetővé a 3D-s konformális besugárzástervezést és a számítógép-vezérelt 3D-s konformális sugárterápia (3D-CRT) bevezetését. Ennek megvalósulása során a referencia dózisfelület követi a céltérfogat térbeli alakját, ami azépszövet és védendő szervek csökkent dózisterhelését eredményezi a hagyományos nagymezős besugárzásokhoz képest. A konformális sugárterápia feltétele, hogy a besugárzási mező alakja vegye fel a céltérfogat mezőirányú vetületét, amit sugárelnyelő blokkokkal vagy soklemezes kollimátorral (multileaf collimator, MLC) hozunk létre. Konformális besugárzáskor általában 3 – 6 különböző irányú sugárnyalábot használunk, melyek egyenletes intenzitásúak, ill. szükség esetén ékek használatával egydimenziósan, egyenletesen moduláltak. A konformális besugárzáshoz képest további minőségi fejlődést jelentett az IMRT bevezetése a klinikai gyakorlatba.
IMRT során szintén több mezőből történik a besugárzás, de a mezők intenzitása nem egyenletes, hanem optimalizáló eljárásokkal meghatározott módon kétdimenziósan modulált. Ehhez ún. inverz besugárzástervezést használunk, melynek során térfogati dózisfeltételek és dózisoptimalizáló algoritmusok használatával számoljuk ki a mezőnkénti nem-egyenletes intenzitásokat, amelyek biztosítják majd a kívánt dóziseloszlást. Ezzel a módszerrel a dóziseloszlás konformalitása tovább növelhető, és a védendő szervek dózisterhelése pedig még alacsonyabban tarható. A technika előnye különösen szembetűnő olyan szabálytalan céltérfogat esetében, amikor az körbeveszi a védendő szervet (pl. fej-nyaki daganatoknál). Konkáv alakú céltérfogat gyakorlatilag csak IMRT technikával sugarazható be megfelelő módon. További fontos alkalmazási területe a re-irradiáció, amikor a korábban már sugárterápiát kapott betegnél egy újabb sugárkezelés indokolt, melynek során különösen fontos szempont a már terápiás dózist kapott régió megfelelő védelme.

IMRT többféle módon valósítható meg. Az alábbi táblázat mutatja a különböző technikai megoldásokat és az ezekhez szükséges besugárzó készülékeket.

A fizikai kompenzátor a kívánt intenzitásprofiloknak megfelelően elkészített 2D-s modulátor, melynek vastagságát minden pontban a szükséges sugárelnyelődés figyelembe-vételével határozzák meg. Anyaga általában könnyűfém, pl. alumínium. A sugárnyaláb útjába helyezve, a vastagságnak megfelelően, eltérő módon nyeli el a sugárzást, és ezzel az intenzitás 2D-san változtatható. Annak ellenére, hogy ez volt az első publikált IMRT-s technika, használata a klinikai gyakorlatban nem nagyon terjedt el, mert a kompenzátorok elkészítése nagyon munkaigényes, továbbá a kezelési idő jelentősen megnövekszik a kompenzátorok mezőnkénti cseréje miatt (1. és 2. ábra).

1. ábra: A kompenzátor intenzitásmoduláló hatása sematikusan

2. ábra: A kompenzátor térbeli formája

A hagyományos MLC-k használatával többféle besugárzási technika valósítható meg. Egyik fajtája a statikus IMRT, amit szegmentált besugárzásnak is hívunk. Ennek megvalósí-tása az ún. „step and shoot” technikával történik, melynek során a besugárzás alatt a gyorsító egyik eleme sem mozog. A gantry adott szögű beállása után a mezőszegmenseket az MLC-k egymás után alakítják ki, és besugárzás csak akkor történik, amikor az MLC-k már nem mozognak. A mezőszegmensek súlyfaktorait a tervezés során optimalizálással határozzuk meg (3. és 4. ábra).

3. ábra: Sugárnyaláb MLC-vel kialakított mezőszegmensei „step and shoot” IMRT technikánál.

4. ábra: Egy sugárnyalábnak az összes mezőszegmens eredőjeként kialakuló 2D-s intenzitástérképe.

 
A másik módszer a dinamikus IMRT, amit az ún. „sliding window" technikával valósítunk meg. Ekkor a sugárzás alatt az MLC-k változó sebességgel mozognak, és az egyedi szeletek sebességének megfelelő vezérlésével hozható létre a kívánt intenzitás-moduláció. A gantry azonban ekkor sem forog besugárzás közben. Az utóbbi években terjedt el a forgóíves IMRT technika (intensity modulated arc therapy, IMAT), ami a dinamikus IMRT kiterjesztése. IMAT -nál sugárzás közben a gantry forgása mellett az MLC-k is mozognak, és a forgási sebességnek, az MLC-k mozgásának és a dózisteljesítménynek a változtatásával hozható létre a nagyfokú konformalitást eredményező dóziseloszlás (5. és 6. ábra).

5. ábra: Szemben álló mozgó MLC-k pozíciója és a létrejövő intenzitástérkép dinamikus IMRT-nél.

6. ábra: Forgóíves IMRT lineáris gyorsítóval. A különböző gantry szögeknél a kezdeti mezőalakok láthatók.

 
A forgó rendszerű IMRT speciális formáját alkalmazzák az ún. tomoterápiás kezeléseknél. Ez a technika volt az irodalomban ismertetett második IMRT-s módszer, amit már a hagyományos lineáris gyorsítóval végeztek, egy a besugárzófejre szerelt speciális bináris kollimátorrendszerrel (Peacock MIMiC, Nomos Corp.). A mini-kollimátorok gyors mozgatásával a sugárzási mező egy-egy kis szegmense "ki-be" kapcsolható, és ezzel hozható létre a sugárnyaláb intenzitásának modulációja. Ennél a technikánál a sugárzás egy keskeny szeletben (2 cm vastagságban) történik, és az asztal hosszirányú mozgatásával lehet nagyobb térfogatokat besugarazni. A módszer továbbfejlesztése a spirális tomoterápia, amihez egy speciális besugárzókészüléket (Tomotherapy) fejlesztettek ki. A sugárforrás (6 MV-s lineáris gyorsító) egy gyűrű-szerű gantry-re rögzítve folyamatosan körbeforog a beteg körül, miközben a kezelőasztal állandó sebességgel mozog hosszirányban, és a besugárzás spirál módban történik. Az elv ugyanaz, mint a spirál CT-nél. A Tomotherapy-ban a sugárnyaláb modulációját a MIMiC-hez hasonló kollimátorrendszerrel végzik (7. ábra).

7. ábra: Tomotherapy besugárzókészülék és a bináris kollimátorrendszere

 
A Cyberknife egy 6 tengely körül forgó robotkarra szerelt 6 MV-s lineáris gyorsító, mellyel nagyon sok irányból (> 100) kis méretű, kör alakú kollimátorokkal (átmérő: 5 - 60 mm) végezhető a besugárzás (8. ábra). Az egyes irányokból különböző nagyságú dózis adható le, ami megfelel a hagyományos IMRT-s mezőszegmensek súlyozásának, és ezért az ilyen jellegű besugárzás is IMRT-nek tekinthető.

8. ábra: Cyberknife a 6 tengely körül forgó robotkarral.

 
Töltött részecskékkel történő besugárzáskor a vékony sugárnyalábot alkotó részecskék mágneses térrel közvetlenül vezérelhetők, ill. eltéríthetők, és a kezelés ún. pásztázó vagy szkennelési technikával végezhető. Történtek ilyen jellegű IMRT-s kezelések nagy energiájú (25 – 50 MeV) elektronsugárzással, manapság pedig a protonbesugárzásoknál alkalmazzák ezt a technikát. Az irodalomban elsőként bemutatott modern IMRT-s technikát Racetrack Microtron-nal végezték. A besugárzás fotonnyalábbal történt, melyet olyan nagy energiájú, változó intenzitású elektronokkal állítottak elő, melyeknek a target-be csapódási helyét és irányát eltérítő mágnesekkel vezérelték (szkenneléses módszer). Az így előállított „pencil beam” szélessége azonban több centiméter volt, ami jelentős térbeli korlátozást jelentett a klinikai felhasználás szempontjából. Az utóbbi években kezdett elterjedni a protonterápia, ami a protonsugárzás kedvező fizikai tulajdonságának köszönhető. Szemben a fotonsugárzással, a protonok csak egy adott mélységig jutnak el a szövetben, és a teljes elnyelődésük előtt nagyfokú ionizációt hoznak létre (Bragg csúcs). Ezért a daganat mögött lévő védendő szerv dózisa sokkal kisebb lesz, mint fotonsugárzáskor. Korábban csak néhány fizikai kutatóintézetben volt lehetőség protonterápiára, de a technológiai fejlődés következtében ma már egyre több kórházban telepítenek protonbesugárzó készüléket. A ciklotronok méretének csökkenése nagymértékben hozzájárult a szélesebb körű elterjedesükhöz. Kezdetben fix nyalábbal történtek a besugárzások, de ma már a forgó gantry is része a modern besugárzó készüléknek. A nyaláb intenzitásának változtatására kétféle módszert alkalmaznak: passzív és aktív moduláció. Az előbbinél egy forgó modulátort és egy szóró rendszert helyeznek a sugárnyaláb útjába, ami laterálisan szétszórja a nyalábot, míg az aktív modulációt ún. szkennelő nyalábbal végzik (9. ábra).

9. ábra: Besugárzás intenzitásvezérelt szkennelt ionnyalábbal. A vékony nyalábot gyors dipól mágnesekkel térítik el és egy adott mélységben végigszkennelik a szeletet. A különböző mélységű szeleteket az energia változtatásával tudják besugarazni.

A nehézionok (pl. C-14) még kedvezőbb sugárbiológiai tulajdonságokkal rendelkeznek, de a gyorsítók költségei még nagyon magasak és nincs elegendő klinikai tapasztalat velük, ezért elterjedésük csak később várható.