Методики и система контроля качества терапевтических полей облучения в дистанционной лучевой терапии

Дистанционная и интенсивно модулированная лучевая терапия злокачественных новообразований занимает особое место среди наиболее перспективных методов лечения онкологических заболеваний [1].

Основным требованием, предъявляемым к радиологическим комплексам и определяющим, фактически эффективность их работы, является возможность формирования и подведения заданного количества дозы к очагу поражения, с учетом дозиметрических и анатомических особенностей области облучения [2, 3].

При этом на первый план выходят вопросы о методах контроля подводимой дозы, алгоритмах для её расчета, оценки погрешностей в расчетных данных, адекватности математической модели, формируемого профиля облучающего поля и его оптимизации в клинических условиях.

Данными вопросами: о разработке оптимизационных процедур, минимизирующих влияние негативных факторов на формируемый профиль терапевтического поля облучения (ТПО) в дистанционной лучевой терапии (ДЛТ) уделено большое внимание в работах как отечественных, так и зарубежных научных групп.

Решение этой проблемы, помимо чисто научного интереса, имеет большое практическое значение. Разработка новейших систем и методик, обеспечивающих формирование оптимальных полей облучения для реализации курсов лучевой терапии, составляют основу федеральных целевых программ: «Предупреждение и борьба с заболеваниями социального характера в РФ» и «О мерах по развитию онкологической помощи населению РФ» [4].

Современные радиологические системы, реализующие методы ДЛТ, представляют собой сложные аппаратные комплексы, включающие: линейные медицинские ускорители электронов (ЛМУЭ) [9]- станции планирования дистанционной лучевой терапии (СПДЛТ) [3]- базы данных пациентов, устройства для проведения портальной визуализации (УПВ) [10] анатомических структурсредства для радиационного контроля: ионизационные камеры и матрицы, водные и твердотельные фантомы [11]- многолепестковые коллиматоры [12].

Исходя из этого, задача о формировании оптимального поля облучения является комплексной, многофакторной. Для её решения необходимо создание системы, включающей в себя процедуры для верификации работы всего радиологического комплекса, учитывающие результаты и ошибки, выдаваемые каждым отдельным блоком в каждом из технологических процессов, и минимизирующие их взаимное влияние на конечный результат [5- 13].

Большинство существующих методик для контроля качества формируемых профилей ТПО разработаны только для отдельных технологических процессов (блоков комплекса) без учета влияния негативных факторов от других процедур и работы комплекса в целом [14- 15]. В частности, существующие системы для контроля качества практически не учитывают ошибок, вносимых в формируемое поле от погрешности смещения многолепесткового коллиматора (МЛК) относительно выставленного положения, сдвига его лепестков и шторок вследствие гравитационного воздействия. Не принимают во внимание влияние погрешностей в положении гентри, относительно выставленного, на параметры регистрируемого профиля ТПО. Не учитывают влияния, на конечные параметры терапевтического фотонного пучка, ошибок, связанных с используемыми алгоритмами сглаживания экспериментальных зависимостей.

Вопросы такого взаимовоздействия блоков радиологического комплекса требуют детальной проработки. В дополнительном исследовании нуждается и вопрос о математической модели оптимального профиля ТПО с целью минимизации степени облучения, окружающих опухоль, здоровых тканей. Все это определяет актуальность темы диссертационной работы.

Исходя из этого, система по оценке качества профилей ТПО должна опираться на расширенную модель профиля ТПО. Данная модель должна быть построена на основе целевых биологических и физических функций [16 — 23]. В неё необходимо занести все погрешности, возникающие, как на этапах формирования профиля ТПО, так и на этапах анализа его параметров. Эти 4 параметры требуются для расчета заданного поля облучения, согласно установленным геометрическим и дозиметрическим критериям [3].

Разработка такой системы качества по оценке формирования профиля ТПО позволит осуществить качественно-новый подход к планированию ДЛТ и производить расчет целевой области облучения более точно. Предлагается включить в данную систему алгоритм автосегментации [3], который производит определение области облучения в автоматическом режиме.

Обязательным условием успешной работы данной модели является включение в неё всех погрешностей, возникающих при эксплуатации радиологического комплекса на каждом из технологических процессов его функционирования:

1. При сборе и анализе дозиметрических данных, необходимых для введения в эксплуатацию ЛМУЭ и разработки расчетной модели фотонного пучка на СПДЛТ [25- 28- 31 — 35- 37 — 39];

2. При формировании терапевтических полей облучения посредством МЛК и позиционирования поворотной платформы ЛМУЭ — гентри [24- 26- 27- 29- 37- 38];

3. При верификации терапевтических полей облучения в фантомных условиях, в зависимости от вида фантома (водный или твердотельный фантом) и типа детектирующего устройства: ионизационные детекторные матрицы, рентгеновские пленки, ионизационных камеры и т. д. [26- 27- 29- 33- 36]- для оценки точности разработанного плана лечения согласно п. 1 и сформированного согласно п. 2.

Исходя из этого, целью диссертационной работы является создание системы контроля качества для профилей ТПО, позволяющей оптимизировать процесс формирования профиля облучающего поля с минимизацией степени поражения, окружающих опухоль, здоровых тканей при сокращении общей дозовой нагрузки на пациента. Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

1. Разработка эталонной математической модели профиля ТПО для целей 5.

ДЛТ с учетом природы фотонного пучка и погрешностей, закладываемых в модель дозиметрических данных, возникающих на каждом из технологических этапов функционирования радиологического комплекса;

2. Разработка методик по оценке погрешностей дозиметрических данных, возникающих при формировании профилей ТПО на всех технологических этапах функционирования радиологического комплекса;

3. Разработка компонентных и программных решений обеспечивающих оптимизацию при функционировании каждого блока комплекса по проведению дистанционной лучевой терапии;

4. Разработка системы контроля качества для оптимизации процесса работы и ввода в эксплуатацию комплекса для проведения дистанционной лучевой ч терапии;

5. Экспериментальная апробация предложенных методик и разработанной системы контроля качества.

Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:

— разработка эталонной математической модели профиля ТПО для целей ДЛТ с учетом природы фотонного пучка и погрешностей закладываемых в модель дозиметрических данных, возникающих на каждом из технологических этапов функционирования радиологического комплекса:

— разработка методик по оценке погрешностей в дозиметрических данных, возникающих при формировании профилей ТПО на всех технологических этапах функционирования радиологического комплекса;

— разработка компонентных и программных решений обеспечивающих функционирование каждого блока радиологического комплекса по проведению дистанционной лучевой терапии;

— разработка системы контроля качества для оптимизации процесса работы и ввода в эксплуатацию комплекса дистанционной лучевой терапии;

— экспериментальная апробация предложенных методик и разработанной системы.

Объектом исследования являются система и методики для контроля б качества, задействованные при оценке параметров формируемого профиля ТПО, как при вводе радиологического комплекса в эксплуатацию, так и при его клиническом контроле качества работы.

Предметом исследования являются процедуры по реализации оптимизационных программ для оценки качества формирования профиля ТПО в ДЛТ фотонными пучками мегавольтного диапазона энергий.

Исследование базируется на методах теории взаимодействия ионизирующего излучения с веществом [40- 41], компьютерного моделирования, методах системного анализа, теории оптимизации [42 — 44], теории погрешностей и аппроксимации функций, методах программирования.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

1. Разработаны методики для оценки и учета дозиметрических и технологических погрешностей при определении параметров профиля ТПО, возникающих в процессе их формирования, облучении объекта, включающие погрешности, связанные с моделированием фотонных пучков, алгоритмы сглаживания экспериментальных данных, алгоритмы для расчета величины и геометрии подводимой дозы, ошибки при детектировании;

2. Проведена качественная оценка влияния погрешностей данных, выдаваемых каждым блоком радиологического комплекса, на конечный результат — параметры терапевтического поля облучения;

3. Создана эталонная математическая модель профиля ТПО для целей ДЛТ, построенная на основе физических и биологических целевых функций с учетом дополнительных ограничений на степень облучения, окружающих опухоль, здоровых тканей и погрешностей в получаемых дозиметрических данных, возникающих на каждом из технологических этапах функционирования радиологического комплекса;

4. На основе распределенной системы получения, обработки и оптимизации дозиметрических данных, базирующейся на эталонной математической модели терапевтического поля облучения с использованием физических и биологических целевых функций, оптимизированы как процесс ввода комплекса ДЛТ в 7 эксплуатацию, так и его клиническое функционирование;

5. Разработана программная реализация процесса оптимизации профильных зависимостей ТПО в среде программирования Microsoft Visual Studio С# 2010 Ultimate;

6. Показано, что использование разработанных методик и системы оптимизации позволяет значительно (в 1.65 раза) повысить точность разработки профилей ТПО;

7. Показано, что возможно формирование практически «прямого» профиля ТПО при совмещении двух исходных пересекающихся профилей расположенных под углом и перекрестно-закрытыми блоками лепестков MJ1K для облучения опухолей, залегающих близко к поверхности тела пациента, а также использования данного пересечения при формировании распределения поглощенной дозы, аналогичного с применением клиньев при повороте их на 90°.

Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что её результаты могут быть использованы в лечебных учреждениях при введении оборудования в эксплуатациюпри клиническом контроле качества дозиметрических параметров профилей ТПОпри диагностике неисправностей терапевтического оборудованиидля улучшения и оптимизации параметров существующих радиологических комплексов.

Данная работа будет полезна организациям занимающимся разработкой, пуском и наладкой подобных комплексовпри составлении пакетных приложений для отделений лучевой терапии. Результаты работы могут быть использованы в качестве теоретических и экспериментальных наработок для студентов, аспирантов и преподавателей в образовательном процессе для высших учебных заведений, а также сотрудников научно-исследовательских институтов.

Результаты диссертационного исследования внедрены в учебный процесс в Санкт-Петербургском государственном политехническом университете в ряде лекционных курсов и при написании и успешной защите бакалаврской диссертации на тему: «Разработка методик оптимизации для алгоритмов расчета дозы в дистанционной лучевой терапии». Разработанные методики и система 8 контроля качества применяются при диагностике работы радиотерапевтического оборудования в Санкт-Петербургском клиническом научно-практическом центре специализированных видов медицинской помощи (онкологический).

Положения, выносимые на защиту:

1. Эталонная математическая модель терапевтического поля облучения, оптимизированная с помощью физических и биологических целевых функций, при учете геометрических и дозиметрических параметров фотонных пучков позволяет оценить степень поражения опухоли относительно окружающих здоровых тканей;

2. Для проведения процедур сглаживания дозиметрических данных, с целью разработки моделей фотонных пучков, следует использовать фильтры, реализованные на методе наименьших квадратов, медианном методе и аппроксимации кривыми Безье;

3. При расчете дозы для терапевтических полей облучения на станциях планирования дистанционной лучевой терапии следует использовать методы быстрого преобразования Фурье (БПФ) с вычислением интеграла свертки и БПФ на основе многосеточной суперпозиции;

4. Методики для учета влияния погрешностей, связанных с точностью позиционирования лепестков и шторок МЛК и оценки значений межлепестковой и межблочной утечек ионизирующего излучения;

5. Специализированная система оптимизационных процедур по оценке профильных зависимостей ТПО на основе модельных представлений с использованием физических и биологических целевых функций с введением дополнительных ограничений на облучение, окружающих опухоль, здоровых тканей, позволяющая осуществлять контроль качества профилей ТПО для каждого из блоков комплекса.

Достоверность результатов, полученных в диссертационной работе, обеспечивается корректным использованием современных средств и методик проведения исследований. Теоретические положения основываются на известных достижениях фундаментальных и прикладных научных дисциплин, сопряженных 9 с предметом исследования диссертации. Кроме того, обоснованность результатов, основывается на согласованности данных эксперимента и научных выводов. Результаты, полученные в диссертационной работе расчетными методами, были верифицированы экспериментально. Точность и корректность численных алгоритмов проверялись тестовыми расчетами, а также сравнением с аналитическими зависимостями и расчетами, полученными в работах других авторов.

Личный вклад автора заключается в постановке и реализации задач исследования, разработке методов и алгоритмов для их решения, проведении экспериментов, создании программы для моделирования исследуемых процессов, формулировке выводов. Автору принадлежит анализ и обобщение материалов, на базе которых сформулированы научные положения и выводы диссертации. Автор принял непосредственное участие во внедрении результатов исследований.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научных конференциях:

— 7-ой Всероссийской межвузовской конференции молодых учёных, ИТМО, Санкт-Петербург, 2010;

— 14-ой Всероссийской научно-методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в технических университетах», СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2010;

— 5-ой Ежегодной всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Здоровье — основа человеческого потенциала: проблемы и пути их решения», СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2010;

— 39-ой Неделе науки СПбГПУ, Санкт-Петербург, 2010;

— 3-ей Международной научно-практической конференции, СПбГПу, Санкт-Петербург, 2011;

— 19-ой Международной научной конференции «Лазерные технологии в медицине, биологии и геоэкологии», п. Абрау-Дюрсо, г. Новороссийск, 2011;

— 5-ом Всероссийском форуме студентов, аспирантов и молодых ученых, Санкт-Петербург, СПбГПу, 2011;

— 6-ой Всероссийской научной конференции с международным участием «Метромед- 2011», Санкт-Петербург, 2011;

— 2-ой Международной научно-практической конференции «Высокие технологии, фундаментальные и прикладные исследования в физиологии, фармакологии и медицине PhysioMedi», Санкт-Петербург, 2011;

— 16-ой Всероссийской научно-методической конференции «Фундаментальные исследования и инновации в национальных исследовательских университетах», Санкт-Петербург, 2012.

Получен сертификат об участии в научной школе по тематике диссертации [24] в Будапештском институте технологии и экономики (Венгерская республика, Будапешт, 2010).

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, 4-х глав и заключения, списка сокращений и условных обозначений, словаря терминов, списка иллюстративного материала. Текст диссертации изложен на 168 листах машинописного текста. В работу включены 50 рисунков и 10 таблиц, список литературы — 130 наименований. В приложении «А» представлен листинг программной реализации в среде программирования Microsoft Visual Studio С# 2010 Ultimateв приложении «Б» функциональные профильные зависимости для открытых полей при различных глубинах и размеров полейв приложении «В» результаты работы разработанной программы.

ВЫВОДЫ К ГЛАВЕ 4.

В рамках главы 4 представлены результаты решения прямой и обратной задач поставленных в главе 1. Получены численные результаты, и сделаны выводы: о проведении процедур сбора и анализа дозиметрических данныхсглаживании профильных зависимостейразработке моделей фотонного пучкаформировании профилей ТПО при помощи МЛКрегистрации их при помощи ионизационных детекторных матрицрентгеновских пленок и ионизационных камер, установленных в водном и твердотельном фантомах.

Построены зависимости для каждой из полученных погрешностей и проанализирован их ход при изменении размеров поля, глубины, на которой проводятся измерения, углах наклона клина и гентри. Представлены функциональные зависимости для каждой из рассмотренных погрешностей. Данные результаты получены в ходе решения прямой задачи.

При решении обратной задачи, по экспериментальным зависимостям вносимых погрешностей, подобранны соответствующие аппроксимации отражающие вид их функциональной зависимости. Данные зависимости внесены в приложение, разработанное в среде программирования «Microsoft Visual Studio С# 2010 Ultimate», в котором реализовано построение исходных значений профиля ТПО, оптимизированного с учетом всех вносимых погрешностей и дополнительных ограничений на облучение окружающих здоровых тканей. Сделаны выводы о дальнейшем использовании разработанного приложения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Таким образом, в ходе выполнения диссертационной работы были разработаны методики и создана единая система для контроля качества по оценке формирования профилей ТПО на основе модели с использованием физических и биологических целевых функций. В данную модель были внесены погрешности от каждого из блоков радиологического комплекса и определены дополнительные ограничения на облучение окружающих здоровых тканей. Разработанная система опиралась на решение двух основных задач: прямой и обратной.

В состав прямой задачи входил сбор и анализ дозиметрических данных, обработка их с помощью оптимальных аппроксимационных алгоритмов, с целью дальнейшего использования на СПДЛТ в модели исходного фотонного пучка, с последующим расчетом доз и геометрии оптимального ТПО, формируемого при использовании МЛК и гентри.

1. В процессе решения прямой задачи были разработаны методики по оценке и учету дозиметрических и технологических погрешностей при определении параметров профилей ТПО, возникающих в процессе их формирования, облучения контрольного объекта, включающие погрешности, связанные с моделированием фотонных пучков алгоритмами сглаживания экспериментальных данных, алгоритмами расчета величины и геометрии подводимой дозы, ошибками при детектированиив частности, было показано:

А). Что наиболее приемлемыми алгоритмами сглаживания дозиметрических данных, передаваемых на СПДЛ для расчета исходных фотонных пучков, являются алгоритмы, основанные на методе наименьших квадратов, методе аппроксимации кривыми Безье и медианном;

Б). При создании профиля ТПО наиболее оптимальными являются метод быстрого преобразования Фурье (БПФ) с вычислением интеграла свертки и метод БПФ на основе многосеточной суперпозиции.

2. Методами пленочной дозиметрии, а также с помощью ионизационных камер и матриц в водном и твердотельном фантомах проведены тестовые.

169 измерения параметров, формируемых профилей ТПО, как на этапе ввода радиационного комплекса в эксплуатацию, так и при клинической эксплуатации;

3. Проведена оценка влияния погрешностей данных, выдаваемых каждым блоком комплекса на конечный результат — параметры терапевтического поля, в частности:

А). Разработан алгоритм, учитывающий влияние погрешностей, связанных с функционированием МЛК на формируемый профиль ТПО и, в первую очередь, погрешностей, обусловленных точностью позиционирования лепестков МЛК, а также учетом межблочных и межлепестковых утечек;

Б). Разработан алгоритм учета ошибок, связанных с точностью установки угла поворота гентри.

3. Создана эталонная математическая модель профиля ТПО для целей ДЛТ, построенная на основе физических и биологических целевых функций с учетом геометрических и дозиметрических параметров фотонных пучков и погрешностей в дозиметрических данных, возникающих на каждом технологическом этапе функционирования радиологического комплекса;

4. На основе распределенной системы получения, обработки и оптимизации дозиметрических данных для полей облучения, базирующейся на эталонной математической модели профиля ТПО с использованием физических и биологических целевых функций, оптимизированы, как процесс ввода комплекса ДЛТ в эксплуатацию, так и его клиническое функционирование.

Обратная задача включала в себя проведение процедур оптимизации дозиметрических данных на основе модельных представлений, базирующихся на использовании физических и биологических целевых функций, определяющих оптимальные границы профиля ТПО при заданной дозе с максимально допустимой вероятностью благоприятного исхода от облучения для пациента в целом. Эти процедуры использовались для тестирования параметров ТПО, как при вводе в эксплуатацию всего комплекса ДЛТ, так и в процессе рутинного контроля качества ТПО разработанного в результате решения прямой задачи.

В процессе решения обратной задачи:

1. Было разработано программное решение для процесса оптимизации профильных зависимостей терапевтических полей по данным физических и биологических целевых функций на основе языка программирования «Microsoft Visual С# 2010 Ultimate»;

2. Показано, что использование разработанных алгоритмов сглаживания и аппроксимации дозиметрических данных, а так же алгоритмов расчета плана облучения и проведения последующих оптимизационных процедур, основанных на использовании физических и биологических целевых функций, позволяет значительно повысить точность разработки терапевтических планов лечения.

Суммарная погрешность поглощенной дозы для профиля ТПО, формируемым нашим радиологическим комплексом после проведения оптимизационных процедур, проведенных в рамках решения прямой задачи, составляла 2.75% - 2.8% (при принятых МАГАТЭ нормах в 3%) — а по завершению обратной задачи, результат был улучшен до 1.68% (т.е. почти в 1.65 раза).