ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ
ПТ – променева терапія
ДПТ – дистанційна променева терапія
ІВ – іонізуюче випромінювання
GTV – Gross Tumor Volume, великий об’єм пухлини
CTV – Clinical Target Volume, клінічний об’єм мішені
ICRU – International Commission on Radiation Units and Measurements
КТ – рентгенівська комп'ютерна томографія
МРТ – магнітно–резонансна томографія
ПЕТ – позитронно–емісійна томографія
УЗД – ультразвукове дослідження
3D–ДП – тривимірне дозиметричне планування
ВСТУП
Актуальність теми. Онкопатологія нині посідає друге місце у світі за рівнем захворюваності та смертності. За даними ВООЗ найближчим часом у світі відбуватиметься невпинний приріст онкозахворюваності – до 22,2 млн. нових випадків у 2030р. [1].
Злоякісні пухлини головного мозку складають 2% від усіх онкопатологій. При їх лікуванні найчастіше (у 90% випадків) застосовується дистанційна променева терапія (ДПТ) [2]. Крім того, є цілий ряд непухлинних патологій головного мозку та артеріовенозних мальформацій, які можна подолати застосуванням ДПТ. В процесі планування ДПТ проводиться моделювання процесу опромінення за даними медичної візуалізації. Першим етапом планування ДПТ є топометрична підготовка, метою якої є визначення об’єму пухлини за діагностичним зображенням. У багатьох випадках виникають складності з розпізнаванням меж пухлини та визначенням реального обсягу мішені для ДПТ. Мають бути застосовані додаткові методи візуалізації, проте спільний аналіз їх результатів з метою уточнення контуру пухлини є досить складною задачею. Отже, актуальність теми роботи є очевидною.
Мета і завдання дослідження полягає у створенні методики автоматизованої обробки різних томографічних зображень для більш точного визначення клінічного об’єму пухлини головного мозку. Для цього необхідно вирішити наступні задачі:
проаналізувати можливості існуючих методів та систем візуалізації щодо виявлення ознак пухлинного процесу в головному мозку;
проаналізувати методи та засоби автоматизованого визначення меж пухлини на томограмах різних модальностей;
створити методику автоматизованої побудови контуру пухлини за даними мультимодальної томографічної візуалізації.
Об'єкт розробки – визначення морфологічних ознак пухлин на томографічних зображеннях.
Предмет розробки – засоби та алгоритми обробки даних топометричної підготовки променевої терапії.
Мета роботи – створення методики автоматизованої обробки томографічних зображень для визначення об’єму пухлини.
Метод – кількісний аналіз томографічних зображень, порівняльна оцінка методів оконтурювання пухлини.
В роботі проведено розробку методики обробки комп’ютерних томографічних зображень голови, на яких присутні ознаки злоякісного новоутворення. Однією з найскладніших задач топометричної підготовки променевого лікування є визначення макроскопічного об’єму пухлини шляхом її оконтурювання. Методика обробки даних дозволяє об’єктивізувати процес розпізнання меж пухлини на томографічних зображеннях різної модальності. Застосування розробленої методики аналізу даних дозволить удосконалити процес планування променевого лікування та забезпечити конформність поля опромінення при проведенні променевого лікування.
Новизна роботи полягає у вдосконаленні методу оконтурювання мішені для подальшого конформного опромінення на основі гібридної томографічної візуалізації.
Актуальність роботи – об’єктивізація визначення об’єму пухлини з метою покращення результатів подальшого дозного планування променевої терапії та зниження ризиків променевих ускладнень.
1 МЕТОДИ ТА СИСТЕМИ ВІЗУАЛІЗАЦІЇ ПУХЛИН ГОЛОВНОГО МОЗКУ
Загальна характеристика пухлин головного мозку
Пухлини головного мозку — гетерогенна група різних внутрішньочерепних новоутворень, доброякісних або злоякісних, що виникають внаслідок запуску процесу аномального неконтрольованого поділу клітин, які в минулому були нормальними складовими самої тканини мозку (нейрони, гліальні клітини, астроцити, олігодендроцити, епендимальні клітини), лімфатичної тканини, кровоносних судин мозку, черепномозкових нервів, мозкових оболонок, черепа, залізистих утворень мозку (гіпофіза та епіфіза), або виникають внаслідок метастазування первинної пухлини, що знаходиться в іншому органі [3].
Класифікація пухлин головного мозку.
за первинним осередком:
Первинні пухлини – пухлини, що розвиваються з тканин головного мозку, його оболонок і черепних нервів (гліобластоми гліома).
Вторинні пухлини – пухлини метастатичного походження.
за клітинним складом (рис. 1.1):
Нейроепітеліальні пухлини (епендимома, гліома, астроцитома). Розвиваються безпосередньо з мозкової тканини. Становлять близько 60%.
Оболонкові пухлини (менінгіома). Розвиваються з тканин мозкових оболонок.
Пухлини гіпофіза (аденома гіпофіза). Формуються з клітин гіпофіза.
Пухлини черепних нервів (невриноми). Виникають за ходом черепних нервів.
Метастази з екстрамедуллярних осередків. Потрапляють в мозок з інших осередків шляхом метастазування.
Дізембріогенетичні пухлини. Виникають в процесі ембріогенезу. Досить рідкісний, але серйозний вид патології.
Доброякісні новоутворення повільно розвиваються і не викликають метастазів. Вони можуть мати серйозні наслідки, так як черепна коробка має невеликий розмір і при зростанні пухлини будуть сильно здавлюватися сусідні частини головного мозку. Це може призвести до порушення роботи нервових центрів і підвищення тиску. Крім того, доброякісні новоутворення без необхідного лікування може перерости в рак. При своєчасно наданій допомозі можна позбутися пухлини без шкоди для здоров’я.
Злоякісні пухлини головного мозку відрізняються швидким зростанням і проникненням у сусідні тканини. Вони не мають меж, викликають кровотечі і некроз. Злоякісна пухлина не піддається лікуванню. Основна різновид – гліома стовбура мозку. Має 4 стадії розвитку. Найважчі – 3 і 4 стадія, якщо хвороба виявляється на останніх етапах розвитку, смерть наступає через декілька місяців.
Рисунок 1.1 – Пухлини головного мозку [4]
Методи візуалізації головного мозку
Сучасні технології візуалізації відіграють все більш важливу роль у забезпеченні якості передпроменевої підготовки та променевого лікування. Без перебільшення можна вважати, що саме розвиток методів медичної візуалізації спричинив докорінні зміни у підходах до планування та реалізації сучасного променевого лікування.
Найбільш інформативними методами діагностичної візуалізації структур головного мозку є методи пошарової (томографічної) візуалізації (рис.1.2). Кожен з методів візуалізації дає свою унікальну інформацію про стан головного мозку в залежності від механізму взаємодії фізичного поля або випромінювання з біологічними тканинами. Спільний аналіз таких зображень дозволяє глибоко проаналізувати структурні і функціональні зміни мозку. Тривимірна комп’ютерна томографічна візуалізація різних модальностей нині є не тільки джерелом анатомо-топографічної інформації про ступінь та межі розповсюдженості пухлинного процесу, але й є необхідним методологічним та технологічним чинником реалізації всіх етапів сучасної променевої терапії.
Останнім часом активно досліджуються можливості застосування різних технологій медичної візуалізації у системі передпроменевої підготовки конформної променевої терапії. Особливі надії покладаються на застосування технологій мультимодальної та гібридної візуалізації, які дозволяють одночасно зареєструвати (imagecoregistration) або злити окремо отримані (image fusion) медичні зображення різних модальностей. Такий підхід має поглибити розуміння метаболічних, функціональних, фізіологічних та інших чинників розвитку пухлинного процесу, що надалі дозволить удосконалити алгоритми визначення топографії пухлини, а, отже, вплинути на точність як топометричного, так і дозиметричного планування ДПТ.
Рисунок 1.2 – Томографічні методи візуалізації головного мозку
Комп'ютерна томографія (КТ) - це сучасний метод рентгенологічного дослідження органів і тканин, який дозволяє досліджувати їх пошарово, при цьому вся отримана інформація обробляється на комп'ютері. Комп'ютерна томографія в основному використовується для виявлення об'ємних утворень, крововиливів, кіст, при травмах і т.д. Церебральна КТ-ангіографія дозволяє детально оцінити живлять пухлину судини і судини навколишніх здорових тканин. КТ залишається базовою технологією отримання даних для адекватного дозиметричного планування ДПТ. Спільним чинником у цьому процесі є застосування єдиного за фізичною природою гальмівного випромінення, щоправда, різних рівнів енергії. Будь-яка інша допоміжна візуальна технологія, застосована для уточнення деталей плану ДПТ, має бути узгоджена з даними КТ як опорного методу анатомо-топографічної візуалізації та просторової орієнтації.
Рисунок 1.3 – КТ-симулятор для передпроменевої підготовки
та КТ-зрізи з позначенням пухлини
Магнітно-резонансна томографія (МРТ) - це метод діагностики внутрішніх органів людини з використанням фізичного явища ядерно-магнітного резонансу, який дозволяє вивчати організм людини на основі оцінки насиченості тканин організму ядрами водню і їх магнітних властивостей, пов'язаних з перебуванням в оточенні різних атомів і молекул. Цей метод, як і КТ, дозволяє отримувати зображення пошарово. При цьому метод базується на взаємодії біологічних тканин з електромагнітними хвилями на тлі потужного магнітного поля. Сучасні методики МРТ дають можливість неінвазивного дослідження: вимірювати швидкість кровотоку в них, рух спинномозкової рідини, бачити активацію кори головного мозку при функціонуванні різних органів, за які відповідає дана ділянка кори (так звана функціональна МРТ). Метод МРТ є дуже високоточним, оскільки забезпечує високий тканинний контраст. На відміну від КТ, МРТ-дослідження не пов'язане з іонізуючим опроміненням хворого.
МРТ є незамінним при плануванні променевого лікування пухлинних осередків у м’яких тканинах, адже КТ-візуалізація у таких випадках є малоінформативною через незначний тканинний контраст. Багата палітра режимів МРТ-візуалізації дає можливість вибрати умови найкращого зображання пухлини, контури якої виявляються за рахунок різниці сигналів ядерного магнітного резонансу від новоутворення порівняно з нормальними оточуючими тканинами. МРТ-візуалізація структур головного мозку, органів грудної та черевної порожнини, малого тазу в багатьох випадках є більш інформативною для визначення меж пухлини, ніж відповідні КТ-зображення. Проте технологія МРТ-візуалізації має особливі застереження, які слід враховувати і при топометричній підготовці ДПТ. Необхідно, щоб при укладках пацієнта на МРТ у радіотерапевтичній позиції засоби іммобілізації не заважали правильно розмістити радіочастотні котушки (рис.1.4). На МРТ-зображеннях при великому полі зору можуть утворюватись геометричні викривлення
Рисунок 1.4 – МРТ-візуалізація для перед променевої підготовки та МРТ-зрізи (режими Т1, Т2, Е1 з контрастом, FLAIR) [5]
Однофотонна емісійна комп'ютерна томографія (ОФЕКТ) та позитронна емісійна томографія (ПЕТ) допомагають в оцінці функціональної активності мозку і мозкового кровотоку. Застосування ОФЕКТ і ПЕТ в онкології: діагностика та стадіювання пухлин, неінвазивне визначення ступеня злоякісності пухлини; діагностика метастазів; оцінка відповідної реакції пухлини на хіміопроменеве лікування. На відміну від КТ і МРТ, при ОФЕКТ та ПЕТ оцінюються функціональні зміни на рівні клітинного метаболізму. Це дуже важливо, оскільки часто зміни на функціональному клітинному рівні передують морфологічним змінам. Тому багато захворювань діагностуються за допомогою ПЕТ набагато раніше, ніж на КТ і МРТ.
Сучасні системи візуалізації дозволяють поєднати ПЕТ з КТ або МРТ (рис.1.5, 1.6). На таких зображеннях можна оцінити поширеність процесу (ПЕТ), маючи чітку анатомічну прив'язку (КТ та / або МРТ).
 ПЕТ+КТ |  |
 ПЕТ+МРТ |  |
Рисунок 1.5 – Гібридні системи візуалізації
Рисунок 1.6 – Результати гібридної візуалізації ПЕТ+КТ та ПЕТ+МРТ [6]
Розвиток методів емісійної томографії та значне зростання їх діагностичної значимості в онкології спричинили перегляд підходів до визначення об’ємів пухлини при плануванні ДПТ. Молекулярна функціональна візуалізація із застосуванням радіофармпрепаратів (РФП), поєднана зі структурною анатомічною КТ-візуалізацією (рис. 1.6) створює найкращі умови для точного визначення об’єму пухлини [10]. За даними [7] в результаті застосування гібридної технології ПЕТ/КТ відбулись наступні зміни плану ДПТ: корекція GTV – у 58% випадків, дози – 14%, конфігурації полів – 15 %, вибір іншої модальності променевого лікування – 5,4%. Візуалізація біологічних неоднорідностей у межах субоб’ємів пухлини може бути використана для адаптування доз відповідно до їх локальної радіочутливості. Технологія ПЕТ є перспективною не тільки для виявлення фракцій гіпоксичних клітин, але і для вивчення інших специфічних біологічних параметрів (проліферація, ангіогенез, апоптоз тощо), які можуть надалі змінити існуючі підходи до визначення об’ємів мішені та навіть вплинути на вибір стратегії променевого лікування [8]. Іншою перспективою застосування ПЕТ є визначення функціональних змін в опроміненому об’ємі в процесі променевого лікування та відповідна поточна адаптація плану ДПТ. Незамінним є ПЕТ-дослідження у плануванні ДПТ для прооперованих хворих, у яких об’єм осередку, що підлягає опроміненню, можна адекватно оцінити лише за результатом молекулярної функціональної візуалізації [9]. Особливістю емісійної візуалізації є те, що кожен РФП має свій біорозподіл, динаміку розповсюдження та візуальні характеристики, отже правила зображання зон фіксації РФП та оконтурювання пухлини повинні бути суто індивідуальними для кожного РФП [10]. Варіабельність результатів визначення об’єму мішені за ПЕТ-зображеннями залежить від різних чинників: технічних (залежність якості зображення від характеристик детекторного блоку ПЕТ-сканера, алгоритму візуалізації), фармакологічних (адекватність вибору виду РФП, його активності у конкретному клінічному випадку), фізіологічних (особливості індивідуального засвоєння РФП, невизначеність часових меж досліджуваних процесів тощо). При всіх унікальних можливостях ПЕТ-візуалізації існує фізична межа просторового розрізнення емісійного зображення – близько 4,5 мм у найсучасніших гібридних ПЕТ/КТ системах. Нечіткість меж уражених зон, виявлених на ПЕТ-зображеннях, робить неможливим об’єктивне візуальне визначення об’єму мішені. І лише кольорове кодування ПЕТ-зображення та його злиття з відповідним КТ-сканом дозволяють одночасно компенсувати як недоліки ПЕТ-візуалізації, так і обмеження КТ при визначенні реальних меж розповсюдження пухлинного процесу. Досвід радіологів доводить, що емісійна томографія беззаперечно є важливим чинником удосконалення променевої терапії [11].
1.3 Технологія передпромененвої топометричної підготовки
Засоби передпроменевої підготовки є складовими елементами комплексу променевої терапії (рис. 1.7). До них насамперед відносяться система симулятора 3 та система планування 7.
Рисунок 1.7 – Структурна схема комплексу променевої терапії:
1 – симулятор; 2 – робоча станція управління симулятором; 3 – система симулятора; 4 – система реєстрації зображень; 5 – робоча станція системи планування; 6 – дозиметричне обладнання; 7 – система планування; 8 – телекомунікаційна система комплексу; 9 – сервер інформаційно-управляючої системи; 10 – сервер зображень; 11 - інформаційно-управляюча система; 12 – локальна мережа системи променевої терапії; 3 – робоча станція управління лінійним прискорювачем; 14 – лінійний прискорювач; 15 – контролер багатопластинчастого коліматора; 16 – модуль верифікації режимів променевої терапії; 17 – система променевої терапії
Однією із задач променевої терапії є досягнення гомогенного розподілу дози в об’ємі тканин, що підлягає опроміненню. Злоякісна пухлина
рідко буває чітко відмежована від навколишніх тканин, часто має місце пухлинна інфільтрація. Якщо навіть невелика частина пухлини не отримає належну дозу, проведене лікування не буде ефективним. В той же час переопромінення навіть невеликого об’єму здорових тканин часто
викликає небажані променеві реакції та ускладнення [5].
Для вибору варіанту і параметрів програми опромінення потрібно знати форму і розміри мішені, її орієнтацію в тілі хворого, розташування мішені відносно з оточуючими органами і тканинами і відстані між мішенню і основними найважливішими з точки зору розподілу променевого навантаження анатомічними структурами.
З клінічної точки зору передпроменева підготовка повинна забезпечити план, направлений повне вилікування пухлини та мінімальний ризик виникнення променевих ускладнень з боку оточуючих тканин. При цьому необхідно якомога точно визначити об’єм опромінення та дозу на пухлину і навколишні тканини з урахуванням їх толерантності. Толерантність тканин
до опромінення обернено пропорційна величині
об’єму, що опромінюється [5]. У зв’язку з цим, передпроменева підготовка вимагає включення в зону опромінення мінімально можливого об’єму,
який достатній для інактивації всіх пухлинних клітин [6]. Для цього виділяють 5 об’ємів опромінення (рис. 1.8).
1 2 3 4