Расчетно-экспериментальное моделирование внутритканевой брахитерапии опухолей орбиты

    Лечение опухолей орбиты методом внутритканевой брахитерапии с закрытыми источниками йода-125 является относительно новым направлением. Количество тематических публикаций зарубежных авторов ограничивается тремя десятками, в которых представлены единичные случаи успешного лечения пациентов с опухолями орбиты. Метод применяется как альтернатива дистанционной лучевой терапии с целью уменьшения дозных нагрузок на структуры орбиты и глаза и прецизионного воздействия на опухоль. Несмотря на попытки применения брахитерапии в клинике, остается множество вопросов, которые требуют дальнейшего изучения и обсуждения: Как составить индивидуальный план облучения опухоли орбиты? С помощью какой программы провести планирование брахитерапии? Каким образом разместить источники в облучаемом объеме? и другие.

     Моделирование, в том числе в медицине, широко используется как одно из средств отображения явлений и процессов реального мира с целью их изучения. Исследования in vivo и in vitro, а также изучение различных процессов на основе построения различных математических и виртуальных моделей востребованы и в офтальмологии [1-4]. Модельный эксперимент является наиболее приближенным к реальному объекту изучения, так как предполагает выбор и построение адекватных физических моделей, что повышает информативность исследования.

    На пути решения возникших вопросов и задач, касающихся брахитерапии опухолей орбиты, проведение экспериментальных исследований на основе моделирования является необходимым этапом.

    Цель

    На основе компьютерного и экспериментального моделирования разработать схемы внутритканевой брахитерапии с йодом-125 опухолей орбиты.

    Материал и методы

     Моделирование временной брахитерапии (БТ) с радиоисточниками йода-125 (125I) осуществляли для злокачественных опухолей орбиты, после хирургического удаления которых было показано проведение лучевой терапии (ЛТ): аденокарцинома слезной железы, меланома хориоидеи с экстраокулярным распространением опухоли, базально-клеточная карцинома век с инвазией в орбиту.

    Моделирование БТ состояло из следующих этапов: 1) предымплантационное планирование БТ (препланирование), 2) создание модели орбиты человека, содержащей основные ее структуры, изготовление макетов источников ионизирующего излучения (ИИИ) и их носителей, установка носителей с ИИИ по разработанной схеме в модель орбиты человека и 3) постимплантационное планирование БТ (постпланирование) (рис. 1).

    Цель этапа препланирования было разработать схему облучения орбиты: определить облучаемый объем орбиты, активность и количество ИИИ, пространственное расположение их в орбите, время нахождения ИИИ в облучаемом объеме для набора очаговой дозы (ОД). Для этого в постоперационном периоде выполняли КТ орбит пациентов с соответствующей опухолевой патологией. Полученные изображения импортировали в компьютерную программу планирования БТ PSID 4.5, с помощью которой составляли пространственную схему расположения ИИИ в облучаемом объеме орбиты. Необходимое количество и активность ИИИ определяли индивидуально для каждого случая. Расчет осуществляли методом многократного последовательного подбора так, чтобы тумороцидная доза покрывала целевой (облучаемый) объем орбиты.

    С помощью дополнительных расчетов, описанных ранее [6], вычисляли время экспозиции источников в орбите, необходимое для набора канцерицидной очаговой дозы (ОД), и соответствующие дозные нагрузки на структуры орбиты и глаза. Ориентиром для расчета экспозиции источников являлись данные литературы по БТ опухолей орбиты [12-14], а также известная длительность воздействия офтальмоаппликаторов с 125I при проведении БТ внутриглазных опухолей [8, 11], т.е. в среднем 4-7 сут.

     При определении объема облучения учитывали данные литературы, в которых указано, что после хирургического удаления опухоли планируемый объем облучения включает зону потенциального субклинического распространения опухоли, т.е. объем тканей на глубину 3-5 мм от поверхности носителя ИИИ; планируемый облучаемый объем тканей при неудаленной опухоли равен объему визуализируемойпальпируемой опухоли [7, 9, 13]. Согласно рекомендациям Международной комиссии по радиологическим единицам и измерениям (ICRU), минимальный объем тканей, покрытый предписанной ОД, должен составлять не менее 90% [9]. Значения планируемых ОД были основаны на данных литературы по БТ опухолей орбиты [12-14].

    Модель орбиты человека была создана на основе костного черепа человека с изготовлением из пластичного материала в масштабе 1:1 макетов глазного яблока, прямых мышц и зрительного нерва, которые были помещены в модель орбиты единым блоком. Для гомогенного заполнения оставшегося свободного объема орбиты использовали жидкую гелевую массу, застывание которой обеспечивало неподвижность установленных структур. Были изготовлены металлические макеты ИИИ соответствующего размера. Для размещения макетов ИИИ в модель орбиты человека были предложены носители в виде сферы из медицинского силикона (рис. 2а) [5], а также гибкие полимерные трубки для имплантации макетов ИИИ пункционным способом в орбиту (рис. 2б).

    После имплантации макетов ИИИ в модель орбиты человека по составленной схеме проводили компьютерную томографию (КТ) орбит в двух стандартных проекциях с шагом сканирования 1 мм и записью изображений в формате DICOM. На основе полученных изображений с помощью программы PSID 4.5 осуществляли постпланирование: выполняли расчет дозовых нагрузок на интересующие структуры глаза и орбиты, времени для набора канцерицидной ОД в целевом объеме, а также анализ соответствия схемы препланирования с полученными при моделировании результатами.

    Результаты

    1. Экспериментально-расчетное моделирование БТ после хирургического удаления аденокарциномы слезной железы. Выбрана клиническая ситуация пациента С., 58 лет, с клиническим диагнозом злокачественной опухоли слезной железы. По данным КТ орбит выявлено объемное образование в области переднего верхне-латерального квадранта орбиты, смещающее глазное яблоко кпереди и книзу, определяется неровность внутренней поверхности костной стенки в месте прилежания опухоли. Выполнено хирургическое удаление опухоли орбиты с частичной резекцией измененного участка костной стенки, выявленного по КТ. При патогистологическом исследовании выявлена аденокарцинома слезной железы. Для полной эрадикации опухоли пациенту в постоперационном периоде назначена дистанционная ЛТ на область левой орбиты.

     Для данной клинической ситуации провели препланирование ЛТ методом БТ с 125I, для чего в постоперационном периоде выполнили КТ орбит пациента. Полученные изображения загрузили в программу для планирования. Облучаемый объем орбиты соответствовал зоне уплотнения тканей в заинтересованном отделе орбиты вместе с зоной субклинического распространения опухоли (3 мм) и областью хирургического доступа. Известно, что канцерицидной дозой является ОД 50 Гр. Для покрытия целевого объема тканей орбиты требуемой дозой составили схему расположения источников: в верхне-наружном квадранте орбиты размещены 4 параллельных ряда в горизонтальном направлении, содержащие по 3 ИИИ на расстоянии 0,5 мм друг от друга; расстояние между рядами — 6 мм (рис. 3.I.). Активность каждого источника — 7,5 мКи. Расчетное время экспозиции — 7,3 суток.

    По аналогичной схеме в модель орбиты человека пункционным способом были имплантированы 12 макетов ИИИ в трубчатых носителях (рис. 2.II.А). Далее была выполнена КТ модели черепа человека. Полученные изображения обработаны с помощью программы для планирования БТ (рис. 2.II.Б.В).

    Рассчитанные дозовые нагрузки на структуры глаза и орбиты при планировании БТ у человека и моделировании приведены в табл. 1.

    Сравнение расчетов пре- и постпланирования показало практически идентичное распределение дозовых нагрузок на структуры орбиты и глаза в обоих случаях. Однако на этапе моделирования 100% канцерицидная доза была распределена на 90% целевого объема, что является допустимым для достижения лечебного патоморфоза опухоли.

     2. Экспериментально-расчетное моделирование БТ после энуклеации по поводу меланомы хориоидеи с экстрабульбарным ростом (T4N0M0). Отработку метода проводили на основе клинического случая пациента К., 65 лет, у которого выявлен эпибульбарный рост внутриглазной опухоли на заднем полюсе глаза вблизи зрительного нерва.

    На последовательных изображениях КТ орбиты пациента с помощью компьютерной программы промаркировали облучаемый объем орбиты, который состоял из тканей на глубину 5 мм от поверхности сферического носителя (рис. 3.I.). Для подведения ОД не менее 60 Гр к тканям орбиты с признаками предполагаемого субклинического распространения опухоли потребовалось 13 источников активностью по 7,0 мКи каждый. Расчетное время экспозиции источников — 5 суток.

    В модели орбиты человека сферический носитель размещали таким образом, чтобы его поверхность с фиксированными макетами ИИИ была обращена в сторону вершины орбиты. Далее выполняли стандартную КТ орбит модели для осуществления постпланирования (рис. 3.II.Б.В.).

    Параметры схемы облучения и рассчитанные дозовые нагрузки для данного случая приведены в табл. 2. При постпланировании с целью сохранения аналогичных значений поглощенных доз на структуры глаза и орбиты, как и в предыдущем примере, требуемая ОД распределялась на 90% облучаемого объема тканей орбиты.

    3. Экспериментально-расчетное моделирование БТ при инвазии базально-клеточной карциномы век в орбиту. Расчеты проведены на основе клинической ситуации: у пациента С., 64 года, при осмотре в области медиального угла глаза выявлено плотное несмещаемое безболезненное узловое образование с признаками инвазии опухоли в орбиту. Данные КТ орбит подтвердили распространение опухоли в передние отделы орбиты (до уровня экватора глаза). Клинический диагноз базально-клеточной карциномы подтвержден результатами эксцизионной биопсии.

    На основе КТ орбит пациента с помощью компьютерной программы планирования БТ было проведено препланирование облучения. Для подведения к опухоли ОД 60 Гр методом последовательного подбора параметров облучения определили схему расположения ИИИ в орбите: использовали 7 ИИИ, которые располагали интратуморально в 3-х параллельных горизонтальных рядах по 2 ИИИ в каждом, а 4-й (верхний) ряд содержит 1 ИИИ, расстояние между рядами 2 мм, источники в носителях расположены друг за другом (рис. 4.I.). Активность каждого ИИИ — 7,5 мКи. Расчетное время облучения — 8 суток.

     Проведено экспериментальное воспроизведение разработанной схемы БТ базально-клеточной карциномы век с распространением в орбиту на модели орбиты человека. Макеты ИИИ пункционно располагали в модели орбиты человека в трубчатых носителях (рис. 4.II.А.). Распределение изодоз для данного случая продемострировано на рис. 4.II.Б.

    Сравнительные данные пре- и постпланирования, приведенные в табл. 3, демонстрируют возможность при одинаковых объемах облучения подвести чуть большую канцерицидную ОД, уменьшить время экспозиции ИИИ и снизить дозовые нагрузки на некоторые структуры орбиты при моделировании БТ.

    Заключение

    Описанный способ моделирования БТ опухолей орбиты позволяет многократно проводить необходимые перемещения макетов источников, выполнять соответствующие дозовые расчеты и составлять рациональные схемы облучения.

    Разработка схем внутритканевой БТ заключается в определении оптимальных параметров облучения, который проводят с помощью программы планирования методом последовательного подбора. При выполнении схемы препланирования в модельном эксперименте точное воспроизведение намеченного плана является затруднительным. Коррекцию выявленных отклонений на этапе постплана следует проводить за счет изменяемых параметров облучения, к которым можно отнести время экспозиции ИИИ и покрытие ОД целевого объема (от 90 до 100%), что и было применено при моделировании.

    Рассмотренные клинические примеры демонстрируют, что главным образом риску лучевого повреждения подвергаются структуры, находящиеся в непосредственной близости с зоной облучения. Для прогнозирования риска развития возможных осложнений при БТ опухолей орбиты проводили сравнение полученных дозных нагрузок с дозными нагрузками на те же структуры при БТ с 125I внутриглазных опухолей. Рассчитанные в эксперименте поглощенные дозы на критических структурах глаза ниже средних значений доз, получаемых при БТ меланомы хориоидеи, и находятся в пределах дозных значений, при которых риск развития постлучевых осложнений (катаракта, неоваскулярная глаукома, ретинопатия) невысок [10, 15].

    Выводы

    1. С помощью расчетно-экспериментального моделирования разработаны схемы контактного облучения орбиты для частных случаев злокачественных опухолей орбиты.

    2. Предложенные схемы облучения опухолей орбиты с помощью источников йода-125 осуществимы на практике с распределением аналогичных дозовых нагрузок на структуры органа зрения на этапах пред- и постимплантационного планирования.

    3. Проведенные расчёты показали, что брахитерапия с йодом-125 является возможной альтернативой дистанционной радиотерапии злокачественных опухолей орбиты.

    4. Проведенное расчетно-экспериментальное моделирование внутритканевого облучения опухолей орбиты представляет практическую ценность: разработанные схемы могут быть основой для планирования брахитерапии для аналогичных клинических ситуаций, позволят правильно ориентироваться и подбирать оптимальные параметры облучения.

    5. Расчетно-экспериментальное моделирование БТ опухолей орбиты является необходимым этапом для последующих клинических исследований.