СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ЗАРЯЖЕННЫХ ЧАСТИЦ, НАПРИМЕР ПРОТОНОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2000 года по МПК A61N5/10 G21K5/08 

Изобретение относится к способам лучевой терапии облучением элементарными частицами, а именно при выполнении ротационной лучевой терапии злокачественных опухолей.

При выполнении ротационной лучевой терапии злокачественных опухолей пучком ионизирующей радиации, в настоящее время облучение проводят только при положении больного "лежа". Для этого источник излучения (для дистанционной гамматерапии) или волновод (для облучения пучком электронов) вращают вокруг пациента, лежащего на терапевтическом столе.

При терапевтическом применении пучков тяжелых заряженных частиц, например протонов высоких энергий (100-250 МэВ), это приводит к серьезным техническим трудностям. Из-за большой массы и энергии протонов известные устройства для вращения волновода (вакуумного протонопровода) вокруг лежащего больного (так называемые GANTRY) здесь превращаются в огромные, сложные сооружения (Particles, 1992, 10, р.8), размерами 10х10х15 м и более, весом в 50 - 130 тонн и ценой 3-8 млн. Они весьма энергоемки, дороги в эксплуатации и требуют больших и дорогих защитных помещений. К тому же GANTRY применяются только для многопольного облучения, а методы подвижности облучения в настоящее время им недоступны.

Недостатками систем GANTRY являются техническая сложность, громоздкость и дороговизна устройств, которые к тому же не обеспечивают выполнение ротационного облучения.

Известен способ терапевтического ротационного сканирующего облучения больших злокачественных опухолей одновременно несколькими независимыми узкими сканирующими горизонтальными пучками тяжелых заряженных частиц (например, протонов), высокой энергии (рассмотренной в качестве прототипа способа), при котором объект облучения (больного) под пучком вращают вокруг и перемещают вдоль вертикальной оси, одновременно регулируя пробег протонов в объекте облучения так, чтобы на всех горизонтальных уровнях облучения пик Брэгга непрерывно совмещался с заданными точками мишени (злокачественной опухоли).

Данный способ облучения позволяет реализовать самые сложные методы сканирующего и ротационного облучения любыми пучками тяжелых заряженных частиц, без необходимости использовать дорогие и громоздкие GANTRY. Он является прототипом заявляемого способа проведения облучения.

Однако реализация потенциальных возможностей как этого известного, так и заявляемого способа облучения возможно только при обеспечении жесткой фиксации вертикально расположенного пациента.

Известно также устройство VAC-LOK для иммобилизации пациента при лучевом лечении в положении "лежа", выданные в качестве прототипа устройства, выпускаемое американской фирмой MED-TEC (Radiation Therapy Sourebook 1997 - 1998, MED-TEC, Inc., р. 9-10, фиг. 2), избранное прототипом устройства.

В устройстве VAC-LOK больного укладывают на горизонтальную деку стола, на которую помещен рентгенопрозрачный матрас, выполненный из воздухопроницаемой ткани и заполненный мелкими (1-2 мм) полистироловыми или нейлоновыми шариками. Матрас снабжен клапаном, который пропускает воздух, только когда к клапану подсоединен насос. Пока некоторое количество воздуха содержится в матрасе, поверхность последнего легко формуется, повторяя контуры тела пациента. Когда воздух откачивают, матрас становится твердым и (при отсоединенном насосе) сохраняет рельеф тела пациента в течение всего срока фракционированного облучения (6-7 недель).

Недостатком устройства VAC-LOK является отсутствие фиксации всей поверхности тела пациента в зоне облучения, а также то обстоятельство, что данное устройство применимо только для фиксации больного в положении "лежа".

Заявляемое изобретение позволяет устранить упомянутые недостатки и обеспечить быструю, воспроизводимую и комфортную фиксацию всей поверхности тела пациента в течение всего курса лучевой терапии, при любом пространственном положении пациента относительно пучка излучения.

Заявляемый способ проведения облучения горизонтальным пучком тяжелых ядерных частиц, например протонов, заключается в том, что больного предварительно размещают в фиксирующем элементе и во время облучения вращают и/или перемещают его перпендикулярно оси пучка заряженных частиц.

Пациента размещают в фиксирующем элементе, выполненном в виде тонкостенной, жесткой оболочки, состоящей из двух половин, а именно в нижней, горизонтально расположенной половине, на по меньшей мере одном герметичном мешке, заполненном мелкими гранулами, примерно на 2/3 своего объема. Затем моделируют поверхность мешка по контурам нижней и боковой поверхностей тела пациента и внутренней, обращенной к больному поверхности оболочки, после чего вакуумируют полость мешка. После этого тело пациента накрывают, по меньшей мере, еще одним герметичным заполненным гранулами мешком, моделируют нижнюю поверхность верхнего мешка по контурам верхней поверхности тела больного и выступающей из-под больного части поверхности нижнего мешка, накрывают верхней половиной жесткой оболочки, жестко соединяют обе половины оболочки посредством зажимов или замков и вакуумируют полость верхнего мешка.

Когда верхний мешок формуется по верхней (передней) поверхности тела больного, боковые края верхнего мешка соприкасаются с боковыми краями нижнего мешка и повторяют форму поверхности последнего, как правило, неровную или бугристую.

Таким образом, мешки дополнительно фиксируют друг руга, что увеличивает жесткость фиксации и жесткость всей конструкции в целом.

Далее торцы фиксирующего элемента помещают в захваты П-образной фермы, после чего, вращая (поворачивая) ферму вокруг горизонтальной оси, проходящей через ее геометрический центр, переводят в вертикальное положение больного, "запечатанного" в жесткой оболочке между отвердевшими фиксирующими мешками.

После этого, во время проведения облучения, перемещают ферму под пучком терапевтического излучения, причем вращение фиксирующего элемента с больным в захватах фермы комбинируют с возвратно-поступательными перемещениями фермы в направлениях, перпендикулярных горизонтальной и/или вертикальной плоскости, проходящей через ось пучка заряженных частиц, и/или поворотом фермы вокруг горизонтальной оси, параллельной оси пучка заряженных частиц.

Для облегчения процесса моделирования поверхности мешков по рельефу тела пациента, а также операции соединения нижней и верхней частей жесткой оболочки в единое целое, герметичные фиксирующие мешки перед вакуумированием могут быть подвергнуты обработке вибрацией.

Отформованные и "затвердевшие" после вакуумирования фиксирующие мешки вынимают из жесткой оболочки и хранят в "библиотеке" (т.е. в специальном хранилище) до конца курса лучевого лечения каждого больного. Мешки "держат форму" в течение 6-7 недель. При более длительном курсе облучения их можно вакуумировать повторно например во время каждой 5-й и 10-й очередной укладки пациента.

Индивидуальные фиксирующие мешки извлекают из библиотеки и используют для укладки данного пациента на каждом очередном сеансе облучения в течение всего курса облучения. Это обеспечивает воспроизводимость укладки и сокращает ее время.

Устройство для осуществления этого способа проведения облучения содержит вертикальную станину, несущую П-образную ферму, смонтированную с возможностью вращения (поворота) вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр и возвратно-поступательного движения вдоль станины.

Устройство содержит также фиксирующий пациента элемент, который выполнен в виде тонкостенной, жесткой оболочки, представляющей собой цилиндр, разрезанный по образующим на две половины, в каждой из которых размещен, по меньшей мере, один герметичный заполненный гранулами мешок, снабженный вакуумным клапаном. Обе половины оболочки имеют соединяющие их зажимы или замки: ее торцы выполнены с возможностью помещения в захваты П-образной фермы, а захваты установлены с возможностью вращения оболочки вокруг оси, совпадающей с линией, соединяющей центры захватов или параллельной ей оси.

Ось вращения (поворота) фермы параллельно оси пучка заряженных частиц, а станина выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения поперек пучка частиц.

Оболочка фиксирующего элемента может быть выполнена из тканеэквивалентного материала.

Оболочка фиксирующего элемента может быть выполнена также в виде фигуры, слегка сплюснутой в передне-заднем (по отношению к пациенту) направлении, имеющей в сечении эллипс или многоугольник, или в виде тела, приблизительно повторяющего контуры тепла пациента. Это позволяет уменьшить толщину фиксирующих мешков и, следовательно, сократить эквивалентную толщину материала, лежащего на пути излучения.

Оболочка может также приблизительно повторять контуры тела пациента, лежащего на спине с ногами, согнутыми в тазобедренным и/или коленных суставах (например, под углом 15-30^o). Этим достигается более жесткая и комфортная фиксация, так как при вертикальном положении оси симметрии фиксирующего элемента, при котором чаще всего выполняют терапевтическое облучение, часть веса тела пациента распределится на задние поверхности бедер и ягодичные области.

Одна из половин оболочки (например, передняя - по отношению к больному) может быть разделена на независимые секции, образованные поперечными ее сечениями, а каждая секция снабжена зажимами или замками, соединяющими ее со второй половиной оболочки. Секции могут быть установлены с произвольными промежутками между ними, а каждая секция снабжена своим герметичным мешком.

Такими секциями прижимают в передне-заднем направлении не всю переднюю поверхность тела пациента, а только ее участки, наиболее важные для облучения, и/или для обеспечения жесткости фиксации. Так, для облучения рака пищевода можно одной секцией фиксировать переднюю поверхность туловища в области зоны облучения (т.е. на протяжении примерно 20 см вдоль длинника тела больного), а другими секциями фиксировать плечевой пояс больного, и/или лоб, и/или подбородок, и/или область коленных суставов, и/или область тазобедренных суставов, и т.п.

Воспроизводимая фиксация требует, чтобы отдельные части жесткой оболочки соединялись друг с другом и с фиксирующими пациента мешками всегда одинаково и не смещались друг относительно друга во время облучения. Поэтому каждая из половин оболочки и/или ее секции снабжены закладными деталями, и/или соответствующими друг другу вырезами и выступами для воспроизводимой фиксации взаимного расположения частей оболочки, а в половинах и/или секциях оболочки выполнены окна, и/или прорези, и/или выступы - приливы с внутренней стороны для воспроизводимой фиксации в них герметичных мешков.

При этом металлические закладные детали, быстродействующие замки или зажимы, соединяющие части оболочки, расположены вне зоны облучения, чтобы не вносить искажения в дозное поле, а выступы, приливы и окна не должны препятствовать замене мешков при переходе к укладке в данную жесткую оболочку очередного пациента.

В одной половине оболочки и/или ее секции и во взаимодействующем с ней герметичном мешке, в месте, противолежащем лицу пациента, выполнен, по меньшей мере, один вырез для рта, носа и глаз пациента.

Предложение поясняют фиг. 1 - 3.

Фиг. 1 - фиксация пациента в жесткой тонкостенной оболочке.

Фиг. 2 - поперечное сечение овальной жесткой оболочки с фиксированным в ней пациентом.

Фиг. 3 - устройство для перемещения пациента "под пучком" во время облучения узким горизонтальным пучком тяжелых заряженных частиц.

Половина 1 (фиг. 1) жесткого пластикового цилиндра установлена горизонтально, вогнутой стороной вверх. Она является нижней (или задней по отношению к пациенту) половиной фиксирующей жесткой оболочки. Внутрь нее помещен герметичный мешок 2 с мелкими гранулами. Пациент 3 ложится на спину, на поверхность мешка. После того как верхнюю поверхность мешка отмоделируют соответственно контурам нижней и боковых поверхностей тела пациента, к мешку 2 подсоединяют насос 4 и вакуумируют полость мешка. В результате мешок вместе с содержимым становится твердым. Насос отсоединяют, но поверхность мешка сохраняет рельеф тела больного, так как клапан, к которому был подсоединен насос (не показан), пропускает воздух только когда насос подсоединен.

Вслед за этим больного накрывают сверху вторым, аналогично устроенным мешком 5, (в котором имеется вырез 6 для лица пациента), и моделируют нижнюю поверхность мешка 5 по верхней поверхности тела пациента 3. Далее отмоделированный мешок 5 прижимают сверху второй половиной 7 оболочки (в которой также имеется вырез 8 для лица пациента), соединяют половинки 1 и 7 цилиндра в единую жесткую оболочку (1-7) и вакуумируют полость верхнего мешка 5.

Жесткая фиксирующая оболочка на фиг. 2 слегка сплюснута в передне-заднем (по отношению к пациенту) направлении и в поперечном сечении представляет собой эллипс. Половинки оболочки соединены в одно целое (1+7) замками 9 и содержат в себе больного, "запечатанного" между отвердевшими нижним 2 и верхним 5 мешками. Поперечное сечение сделано на уровне грудной клетки пациента. Видны положения грудной клетки 10 и рук 11 пациента внутри фиксирующей оболочки 1+7.

Жесткая оболочка 1+7 имеет обращенные внутрь оболочки выступы 12 и/или приливы 13, которые при повторных укладках данного пациента обеспечивают воспроизводимое размещение в оболочке отвердевших мешков с гранулами, а также исключает возможность сдвига отвердевших мешков относительно оболочки при укладке больного и во время облучения.

На фиг. 3 приведена схема устройства для перемещения больного "под пучком" во время облучения горизонтальным пучком тяжелых заряженных частиц.

Торцы 14 (фиг. 3) фиксирующей оболочки 1+7 (фиг. 1-2), внутри которой фиксирован больной 3 (фиг. 1) и 10-11 (фиг. 2), помещены в захваты 15 (фиг. 3), смонтированные на свободных концах 16 П-образной фермы 17, с возможностью вращения оболочки вокруг оси, соединяющей центры захватов 15.

Предусмотрена возможность вращения (поворота) фермы 17 вокруг горизонтальной оси 18, проходящей через ее геометрический центр, что обеспечивает возможность проводить облучение как при вертикальном расположении тела пациента (фиг. 3), так и при любом другом размещении его тела по отношению к горизонтали. Предусмотрена также возможность перемещения фермы 17 вверх-вниз вдоль несущей фермы станины 19 и возвратно-поступательного перемещения станины 19 поперек оси 20 пучка протонов, например по направляющим 21, установленным в полу процедурной 22.

Предлагаемое изобретение обеспечивает быструю, воспроизводимую, дешевую (за счет многократного использования фиксирующих мешков и жесткой оболочки) и комфортную фиксацию всей поверхности тела пациента, в том числе поверхности тела в зоне облучения, в течение всего курса лучевого лечения.

За счет фиксации всей поверхности тела обеспечивается надежная и воспроизводимая фиксация пациента не только в положении "лежа", но и при любом его положении, например при вертикальном или "косом" расположении.

Процесс моделирования поверхности фиксаторов по рельефу тела пациента облегчен путем применения вибрации.

Предусмотрены различные варианты устройства фиксирующего элемента, улучшающие его эксплуатационные качества, облегчающие укладку пациента и его облучение.

Предложение позволяет уменьшить толщину фиксаторов и сократить эквивалентную толщину материала, лежащего на пути излучения, что уменьшает рассеянное излучение и улучшает дозное распределение.

Предложение позволяет вести облучение больших опухолей узким пучком тяжелых заряженных частиц при любом пространственном расположении длинника тела пациента относительно горизонтальной плоскости, а именно проводить многопольное сканирующее облучение (т.е. многопольное облучение, при котором формирование каждого дозного поля выполняется методом трехмерного сканирования) как в положении больного "лежа", так и при любых других положениях длинника тела.

Заявляемое устройство имеет габариты в десятки раз меньшие, чем у GANTRY, и следовательно может быть размещено в значительно меньшем по площади и объему (т. е. более дешевом) помещении с защитными от излучения стенами.

Ожидается, что при терапевтическом облучении по заявляемому способу, сеанс компьютеризированного ротационно-сканирующего протонного облучения займет не более 5-10 мин и будет вполне комфортным для больного.

Изобретение используется в медицинской технике при выполнении ротационной лучевой терапии злокачественных опухолей пучком ионизирующей радиации. В способе используют горизонтальный узкий пучок частиц, под которым перемещают больного. Больного надежно фиксируют в специальном устройстве с помощью воздухонепроницаемых мешков, содержащих мелкие гранулы и длительно сохраняющих форму своей поверхности в тонкостенной жесткой оболочке. При этом больного вращают и перемещают поперек пучка во взаимно перпендикулярных направлениях при любом положении оси симметрии тела. Изобретение позволяет проводить ротационно-сканирующее облучение опухолей в ранее недоступных местах. 2 с. и 12 з.п.ф-лы, 3 ил.

1. Способ проведения облучения горизонтальным пучком тяжелых заряженных частиц, например протонов, путем предварительного размещения пациента в фиксирующем элементе и вращения и/или перемещения его перпендикулярно оси пучка заряженных частиц, отличающийся тем, что пациента размещают в фиксирующем элементе, выполненном в виде тонкостенной жесткой оболочки, состоящей из двух половин, в нижней горизонтально расположенной половине на по меньшей мере одном герметичном заполненном гранулами мешке моделируют поверхность мешка по контурам нижней и боковых поверхностей тела пациента, вакуумируют полость мешка, после чего тело пациента накрывают по меньшей мере одним герметичным заполненным гранулами мешком, моделируют нижнюю поверхность верхнего мешка по контурам верхней поверхности тела пациента и выступающей из-под него части поверхности нижнего мешка, накрывают верхней половиной оболочки, жестко соединяют обе половины оболочки посредством зажимов или замков и вакуумируют полость верхнего мешка, торцы фиксирующего элемента помещают в захваты П-образной фермы, а при облучении вращение фиксирующего элемента в захватах фермы комбинируют с возвратно-поступательными перемещениями фермы в направлениях, перпендикулярных горизонтальной или вертикальной плоскости, проходящей через ось пучка заряженных частиц, и/или поворотом фермы вокруг горизонтальной оси, параллельной оси пучка заряженных частиц и проходящей через геометрический центр фермы. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед вакуумированием герметичные мешки подвергают вибрации. 3. Устройство для проведения облучения горизонтальным пучком тяжелых заряженных частиц, например протонов, содержащее вертикальную станину, несущую П-образную ферму, смонтированную с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр, и возвратно-поступательного движения вдоль станины, и фиксирующий элемент, отличающееся тем, что фиксирующий элемент выполнен в виде тонкостенной жесткой оболочки, состоящей из двух половин, в каждой из которых размещен по меньшей мере один герметичный заполненный гранулами мешок, снабженный вакуумным клапаном, обе половины оболочки имеют соединяющие их зажимы или замки, ее торцы выполнены с возможностью перемещения в захваты П-образной фермы, а захваты установлены с возможностью вращения оболочки вокруг оси, совпадающей с линией, соединяющей центры захватов, или параллельной ей оси, причем ось поворота фермы параллельна оси пучка заряженных частиц, а станина выполнена с возможностью возвратно-поступательного перемещения поперек пучка частиц. 4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что оболочка фиксирующего элемента выполнена из тканеэквивалентного материала. 5. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что оболочка фиксирующего элемента выполнена в виде цилиндра. 6. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что оболочка фиксирующего элемента выполнена в виде сплюснутой фигуры, имеющей в сечении эллипс или многоугольник. 7. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что оболочка фиксирующего элемента выполнена в виде тела, приблизительно повторяющего контуры тела пациента. 8. Устройство по пп.3 и 4, отличающееся тем, что оболочка фиксирующего элемента приблизительно повторяет контуры тела пациента, лежащего на спине с ногами, согнутыми в тазобедренных и/или коленных суставах. 9. Устройство по пп.3 - 8, отличающееся тем, что одна из половин оболочки разделена на независимые секции, образованные поперечными ее сечениями, при этом каждая секция снабжена зажимами или замками, соединяющими ее с второй половиной оболочки. 10. Устройство по п.9, отличающееся тем, что секции могут быть установлены с произвольными промежутками между ними. 11. Устройство по пп.9 и 10, отличающееся тем, что каждая секция снабжена своим герметичным мешком. 12. Устройство по пп. 3 - 11, отличающееся тем, что каждая из половин оболочки и/или ее секции снабжены закладными деталями и/или соответствующими друг другу вырезами и выступами для воспроизводимой фиксации взаимного расположения частей оболочки, а в половинах и/или секциях оболочки выполнены окна, и/или прорези, и/или выступы-приливы с внутренней стороны для воспроизводимой фиксации в них герметичных мешков. 13. Устройство по пп. 3 - 12, отличающееся тем, что закладные детали, замки или зажимы, соединяющие части оболочки, расположены вне зоны облучения. 14. Устройство по пп.3 - 12, отличающееся тем, что в по меньшей мере одной половине оболочки и/или ее секции и во взаимодействующем с ней герметичном мешке в месте, противолежащем лицу пациента, выполнен по меньшей мере один вырез для рта, носа и глаз пациента.