СПОСОБ ПРОВЕДЕНИЯ ОБЛУЧЕНИЯ ГОРИЗОНТАЛЬНЫМ ПУЧКОМ ТЯЖЕЛЫХ ЯДЕРНЫХ ЧАСТИЦ, НАПРИМЕР, ПРОТОНОВ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК A61N5/10 G21K5/08 

Изобретение используется в медицинской технике при выполнении ротационной лучевой терапии злокачественных опухолей пучком ионизирующей радиации и относится к способам, лучевой терапии облучением элементарными частицами и способам и приспособлениям для фиксирования в определенном положении человеческого тела или его частей.

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 гамма-терапии) 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 ГАНТРИ) здесь превращаются в огромные сложные сооружения размерами 10·10·15 м (и более), весом 50-130 тонн и ценой $ 3-8 млн.

Они весьма энергоемки, дороги в эксплуатации и требуют для своего размещения больших и дорогих защитных помещений. К тому же ГАНТРИ применяются только для многопольного облучения, а методы подвижного облучения в настоящее время им недоступны. При использовании в терапевтических целях пучков частиц, более тяжелых, чем протоны, размеры и техническая сложность ГАНТРИ возрастают еще в несколько раз.

Недостатком систем ГАНТРИ является техническая сложность, громоздкость и дороговизна устройств, которые к тому же не обеспечивают выполнение ротационного облучения.

Известно устройство VAC-LOK для иммобилизации пациента при лучевом лечении в положении "лежа", выпускаемое американской фирмой MED-TEC (Radiation Therapy Sourcebook 1997-1998. MED-TEC, Inc., p.9-10), избранное прототипом устройства.

В устройстве VAC-LOK больного укладывают на горизонтальную деку стола, на которую помещен рентгенопрозрачный матрас 2, выполненный из воздухонепроницаемой 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".

Известен способ проведения облучения горизонтальным пучком тяжелых заряженных частиц, например протонов, и устройство для его осуществления (рассмотренное в качестве прототипа способа и устройства), при которых проводят терапевтическое ротационное сканирующее облучение больших злокачественных опухолей, вращая и перемещая вертикально расположенного пациента под горизонтальным пучком заряженных частиц (Патент РФ № 2149045. Бюл. ИПОТЗ № 26, 20.05.2000.).

Больного предварительно размещают в фиксирующем элементе, выполненном в виде тонкостенной жесткой оболочки, разрезанной вдоль длинной оси симметрии на две жестко соединяемые друг с другом половины. Пространство между телом пациента и оболочкой заполняют фиксирующими мешками, аналогичными мешкам в устройстве VAC-LOK. Поверхности мешков моделируют по контурам тела пациента вручную или с помощью вибрации и вакуумируют полости всех мешков, фиксируя рельеф их поверхности.

Процедуру фиксации пациента производят в положении “лежа на спине” на фиксирующем мешке, размещенном в горизонтально расположенной половине жесткой оболочки, после чего больного накрывают еще одним мешком и второй половиной оболочки. Затем торцы фиксирующего элемента помещают в захваты П-образной фермы и, поворачивая ферму вокруг горизонтальной оси, проходящей через ее геометрический центр, переводят пациента в вертикальное положение.

Во время облучения пучком тяжелых заряженных частиц фиксирующий элемент с пациентом вращают в захватах фермы, комбинируя это вращение с возвратно-поступательными линейными перемещениями фермы поперек терапевтического пучка и поворотом фермы вокруг горизонтальной оси, проходящей через ее геометрический центр.

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 или 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 геометрический центр последней и возвратно-поступательного ее движения вдоль станины. Станина установлена на тележке, которая движется, например, по рельсам, обеспечивая возвратно-поступательное перемещение станины (и смонтированной на станине П-образной фермы) поперек горизонтального терапевтического пучка.

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

Недостатками данного технического решения являются недостаточно хорошая фиксация мягких тканей передней поверхности туловища пациента, особенно, если пациент - это больная, имеющая большие молочные железы, которые при положении пациентки “лежа на спине” как бы “растекаются” по поверхности грудной клетки. Кроме того, известное устройство не позволяет проводить облучение пациента, расположенного под острым углом к оси симметрии тела пациента.

Заявляемое изобретение позволяет устранить упомянутые недостатки и обеспечить быструю, воспроизводимую и комфортную фиксацию всей поверхности тела пациента (в том числе мягких тканей живота и молочных желез) в течение всего курса лучевой терапии при любом пространственном расположении 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 перпендикулярно или под углом к оси пучка заряженных частиц.

Как и в прототипе, больного предварительно размещают в фиксирующем элементе, выполненном в виде тонкостенной жесткой оболочки, разрезанной вдоль длинной оси симметрии на две, жестко соединяемые друг с другом половины, в положении лежа с выпрямленными или согнутыми в тазобедренных и/или коленных суставах ногами на, по крайней мере, одном фиксирующем мешке, содержащем мелкие гранулы и снабженном вакуумными клапанами. Пациента размещают в нижней, горизонтально расположенной половине жесткой оболочки и вручную или с помощью вибрации моделируют верхнюю поверхность нижнего мешка по обращенной к нему поверхности тела пациента. Затем пациента накрывают сверху, по крайней мере, еще одним мешком, моделируют нижнюю поверхность верхнего мешка по обращенной к нему поверхности тела пациента, накрывают верхний мешок сверху второй половиной жесткой оболочки и жестко и воспроизводимо соединяют обе половины оболочки. При этом фиксацию поверхности каждого мешка осуществляют посредством вакуумирования его полости. Торцы жесткой оболочки помещают в захваты П-образной фермы и во время терапевтического облучения вращают фиксирующий элемент с пациентом в ее захватах, комбинируя его с возвратно-поступательными трехмерными линейными перемещениями фермы и/или поворотом фермы вокруг горизонтальной оси, проходящей через геометрический центр фермы.

В отличие от прототипа в заявляемом способе для фиксации передней поверхности тела пациента используют, по крайней мере, один мешок, ранее отмоделированный и вакуумированный для фиксации передней поверхности тела другого пациента того же пола, имеющего большие размеры. При этом, по крайней мере, один ранее отформованный мешок размещают в нижней горизонтально расположенной половине жесткой оболочки, а фиксируемого пациента размещают в фиксирующем элементе лицом вниз и открывают вакуумный клапан мешка для соединения полости мешка с атмосферой. После этого (и, особенно, при последующем наложении вибрации) стенки “ямок”, оставшихся от рельефа предыдущего пациента, осыпаются и мягко, но плотно охватывают поверхность, например, молочных желез данной пациентки.

После проведения полной фиксации пациента, при необходимости улучшить фиксацию какой-либо части тела (например, после перевода капсулы с пациентом в вертикальное положение), внутреннюю полость, по крайней мере, одного мешка вновь соединяют с атмосферой, повторно обрабатывают мешок вибрацией и вновь вакуумируют его полость.

Как и в прототипе, устройство для проведения терапевтического облучения горизонтальным пучком тяжелых ядерных частиц, например протонов, содержит вертикальную станину, несущую П-образную ферму, смонтированную с возможностью поворота вокруг оси, проходящей через ее геометрический центр и возвратно-поступательного движения вдоль станины.

Фиксирующий пациента элемент выполнен, например, из тканеэквивалентного материала в виде тонкостенной жесткой оболочки, приблизительно повторяющей контуры тела пациента, лежащего, например, с ногами, вытянутыми вдоль длинной оси оболочки или полусогнутыми в тазобедренных и/или коленных суставах, разрезанной вдоль длинной оси симметрии на две половины с возможностью их жесткого, воспроизводимого соединения.

Размещаемые в фиксирующем элементе герметичные, снабженные вакуумными клапанами, фиксирующие мешки содержат мелкие гранулы.

Половина оболочки для размещения передней поверхности тела пациента выполнена с возможностью ее деления на независимые, образованные поперечными сечениями, секции с промежутками между ними. Каждая секция снабжена фиксирующим мешком и замком для соединения со второй половиной оболочки. Половины оболочки и/или ее секции снабжены закладными деталями и/или соответствующими друг другу вырезами и выступами для жесткой и воспроизводимой фиксации взаимного расположения частей оболочки. В половинах и/или секциях оболочки выполнены окна и/или прорези, и/или выступы-приливы с внутренней их стороны для воспроизводимой фиксации в них герметичных фиксирующих мешков. В оболочке и/или ее секции и во взаимодействующем с ней фиксирующем мешке, в месте, противолежащем лицу пациента, выполнен, по меньшей мере, один вырез для рта, носа и глаз пациента.

Торцы оболочки выполнены с возможностью их помещения в захваты П-образной фермы и вращения оболочки вокруг оси, совпадающей с линией, соединяющей центры захватов, или параллельной ей оси, а станина выполнена с возможностью возвратно-поступательного линейного перемещения поперек пучка частиц.

В отличие от прототипа вертикальная станина выполнена с возможностью ее поворота вокруг вертикальной оси. Это позволяет облегчить перемещения фиксированного и подготовленного к облучению пациента за пределы радиационной процедурной и обратно, переводить пациента из положения облучения в положение проведения компьютерного томографирования и обратно, а также проводить облучение пациента под острым углом к положению оси симметрии тела.

В отличие от прототипа секции той половины оболочки, которая предназначена для размещения передней поверхности тела пациента, выполнены толстостенными или тонкостенными, но полыми внутри и выступающими в сторону длинной оси симметрии фиксирующей оболочки. Такими секциями можно обеспечить особую жесткость фиксации зоны облучения, например, максимально прижать в переднезаднем направлении переднюю поверхность туловища пациента при облучении рака пищевода или легкого, что уменьшит или исключит дыхательные экскурсии этой зоны.

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) жесткой, тонкостенной, пластиковой оболочки (в которой имеется вырез 2 для лица пациента) установлена горизонтально вогнутой стороной вверх. Она является нижней (или передней по отношению к пациенту 3) половиной оболочки. Внутрь нее помещают герметичный мешок 4 с мелкими гранулами, в котором также имеется вырез 5 для лица пациента. Пациент 3 ложится лицом вниз на поверхность мешка 4. После того как верхнюю поверхность мешка отмоделируют соответственно рельефу передней и боковых поверхностей тела пациента, к мешку 4 подсоединяют насос 6 и вакуумируют полость мешка. В результате мешок вместе с содержимым становится твердым. Насос отсоединяют, но вакуумный клапан (на фиг.1 не показан) автоматически перекрывается, что сохраняет рельеф поверхности в течение 6-7 недель.

Вслед за этим больного накрывают сверху вторым аналогично устроенным мешком 7 и моделируют нижнюю поверхность мешка 7 по задней поверхности тела пациента. Далее, отмоделированный мешок 7 прижимают сверху второй половиной 8 оболочки, соединяют половинки 1 и 8 оболочки в единую жесткую оболочку (1+8) и вакуумируют полость верхнего мешка 7.

Жесткая фиксирующая оболочка на фиг.2 слегка сплюснута в переднезаднем (по отношению к пациенту) направлении и на поперечном сечении представляет собой эллипс. Половинки оболочки соединены в одно целое (1+8) замками 9 и содержат в себе больного, “запечатанного” между отвердевшими нижним 4 и верхним 7 мешками. Поперечное сечение сделано на уровне грудной клетки пациента. Видны положения грудной клетки 10 и рук 11 пациента внутри фиксатора, состоящего из отвердевших мешков 7 и 8, плотно заполняющих промежуток между пациентом и жесткой фиксирующей оболочкой 1+8.

Жесткая оболочка 1+8 имеет обращенные внутрь оболочки выступы 12 и/или приливы 13, и/или вырезы-окна (не показаны), которые при повторных укладках данного пациента обеспечивают воспроизводимое размещение в оболочке отвердевших мешков с гранулами, а также исключают возможность сдвига мешков относительно оболочки во время укладки больного, перемены положения капсулы с горизонтального на вертикальное и во время облучения пациента.

Во время облучения пациента пучком адронов торцы 14 (фиг.3) фиксирующей оболочки 1+8 (фиг.1-2), внутри которой фиксирован больной 3 (фиг.1), 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, или параллельной ей оси.

Предусмотрена возможность вращения (поворота) фермы 17 вокруг горизонтальной оси 18, проходящей через геометрический центр фермы, 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. Предусмотрены также возможности перемещения фермы 17 вверх-вниз вдоль несущей ферму станины 19, поворота станины 19 вокруг вертикальной оси и возвратно-поступательного перемещения станины 19 поперек оси 20 пучка тяжелых заряженных частиц, например, по направляющим 21, установленным в полу процедурной 22.

Предлагаемое изобретение обеспечивает быструю, надежную, 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 лучевой терапии.

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

Процесс моделирования поверхности фиксаторов по рельефу тела пациента облегчен путем применения вибрации. Предусмотрены различные варианты устройства фиксирующего элемента, улучшающие его эксплуатационные качества.

Предложение позволяет:

- вести облучение больших опухолей узким или широким пучком адронов при любом пространственном расположении длинника тела пациента относительно горизонтальной плоскости;

- проводить многопольное сканирующее облучение (т.е. многопольное облучение, при котором формирование каждого дозного поля выполняют методом трехмерного сканирования) как в положении больного “стоя”, так и при любых других положениях длинника тела;

- при вертикальном положении тела пациента предложение позволяет проводить ротационно-сканирующее облучение опухолей, расположенных в любой части его тела, используя для этого любые медицинские пучки адронов без необходимости применять дорогие и громоздкие ГАНТРИ.

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

Заявляемые способ и устройство обладают ничтожной по сравнению с ГАНТРИ энергоемкостью и требуют пренебрежимо малых эксплуатационных расходов по сравнению с расходами на ГАНТРИ.

Предлагаемые способ и устройства без необходимости какой-либо их коррекции могут работать с любыми терапевтическими пучками адронов, генерируемых медицинскими ускорителями любых конструкций.

Для медицинских пучков протонов предлагаемые способ и устройства в десятки раз дешевле систем с ГАНТРИ и обладают более широкими терапевтическими возможностями, так как обеспечивают выполнение наиболее конформного из известных методов формирования дозного поля - путем ротационного или линейного сканирования узким пучком, что ГАНТРИ недоступно.

Для терапевтических пучков многозарядных ионов (например, ¹²С, ¹⁶О), где целесообразность постройки ГАНТРИ сомнительна из-за циклопических размеров и огромной стоимости такой аппаратуры, предлагаемый способ и устройства можно считать единственным реальным вариантом организации многопольного и/или ротационно-сканирующего терапевтического облучения, т.е. вариантом выбора. Различие (в пользу предложения) в габаритах, стоимости аппаратуры, помещений для ее размещения, а также ее эксплуатации здесь возрастет до нескольких сотен раз.

Изобретение используется в медицинской технике при выполнении ротационной лучевой терапии злокачественных опухолей. В способе используют горизонтальный узкий пучок тяжелых ядерных частиц (адронов: протонов, многозарядных ионов, пи-минус-мезонов или нейтронов), под которым помещают больного. Больного надежно фиксируют в специальном устройстве - тонкостенной жесткой оболочке с помощью воздухонепроницаемых мешков, содержащих мелкие гранулы и длительно сохраняющих форму своей поверхности. При этом больного вращают при любом положении оси симметрии тела. Изобретение позволяет проводить ротационно-сканирующее облучение опухолей узкими или широкими пучками адронов в ранее недоступных местах. 2 н. и 1 з. п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ проведения терапевтического облучения горизонтальным пучком тяжелых ядерных частиц путем предварительного размещения пациента в фиксирующем элементе, выполненном в виде тонкостенной жесткой оболочки, приблизительно повторяющей контуры тела пациента и разрезанной вдоль длинной оси симметрии на две, жестко соединяемые друг с другом половины, в положении лежа с выпрямленными или согнутыми в тазобедренных и/или коленных суставах ногами на, по крайней мере, одном герметичном фиксирующем мешке, содержащем мелкие гранулы и снабженном вакуумным клапаном, в горизонтально расположенной нижней половине жесткой оболочки, вручную или с помощью вибрации моделируют верхнюю поверхность этого мешка по обращенной к нему поверхности тела пациента, накрывают сверху пациента, по крайней мере, еще одним мешком, моделируют нижнюю поверхность верхнего мешка по обращенной к нему поверхности тела пациента, накрывают верхний мешок сверху второй половиной жесткой оболочки и соединяют обе половины оболочки, при этом фиксацию поверхности мешка осуществляют посредством вакуумирования его полости, торцы жесткой оболочки помещают в захваты П-образной фермы и во время терапевтического облучения вращают фиксирующий элемент с пациентом в ее захватах, комбинируя его с возвратно-поступательными трехмерными линейными перемещениями фермы и/или поворотом фермы вокруг горизонтальной оси, проходящей через геометрический центр фермы, отличающийся тем, что для фиксации передней поверхности тела пациента используют, по крайней мере, один мешок, ранее отмоделированный и вакуумированный для фиксации передней поверхности тела другого пациента того же пола, имеющего большие размеры, при этом ранее отформованный, по крайней мере, один мешок размещают в нижней горизонтально расположенной половине жесткой оболочки, пациента размещают в фиксирующем элементе лицом вниз и открывают вакуумный клапан мешка для соединения полости мешка с атмосферой.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что после фиксации пациента внутреннюю полость, по крайней мере, одного, мешка вновь соединяют с атмосферой, повторно обрабатывают мешок вибрацией и вновь вакуумируют его полость.3. Устройство для проведения терапевтического облучения горизонтальным пучком тяжелых ядерных 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, фиксирующий элемент, выполненный, например из тканеэквивалентного материала, в виде тонкостенной жесткой оболочки, приблизительно повторяющей контуры тела пациента, лежащего, например, с ногами вытянутыми вдоль длинной оси оболочки или полусогнутыми в тазобедренных и/или коленных суставах, разрезанной вдоль длинной оси симметрии на две половины, с возможностью их жесткого соединения и размещаемые в нем герметичные, снабженные вакуумными клапанами, фиксирующие мешки, содержащие мелкие гранулы, при этом половина оболочки для размещения передней поверхности тела пациента выполнена с возможностью ее деления на независимые, образованные поперечными сечениями, секции, с промежутками между ними, каждая из которых снабжена фиксирующим мешком и замком для соединения со второй половиной оболочки, половины оболочки и/или ее секции снабжены закладными деталями и/или соответствующими друг другу вырезами и выступами для воспроизводимой фиксации взаимного расположения частей оболочки, в половинах и/или секциях оболочки выполнены окна, и/или прорези, и/или выступы-приливы с внутренней стороны для воспроизводимой фиксации в них герметичных фиксирующих мешков, в оболочке и/или ее секции и во взаимодействующем с ней фиксирующем мешке, в месте, противолежащем лицу пациента, выполнен, по меньшей мере, один вырез для рта, носа и глаз пациента, торцы оболочки выполнены с возможностью их помещения в захваты П-образной фермы и вращения оболочки вокруг оси, совпадающей с линией, соединяющей центры захватов или параллельной ей оси, а станина выполнена с возможностью возвратно-поступательного линейного перемещения поперек пучка частиц, отличающееся тем, что вертикальная станина выполнена с возможностью поворота вокруг ее вертикальной оси, а секции выполнены толстостенными или тонкостенными, полыми внутри и выступающими в сторону длинной оси симметрии фиксирующей оболочки.