Оптимизация термического и радиационного воздействия при радионуклидной вертебропластике тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 03.01.01, кандидат наук Забарянский Юрий Геннадьевич

• Забарянский Юрий Геннадьевич
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Забарянский Юрий Геннадьевич

Введение

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Вертебропластика как метод лечения метастатических опухолей позвоночника

1.2 Результаты применения вертебропластики

1.3 Применение радионуклидов в медицине

1.4 Комбинированное воздействие ионизирующего излучения и гипертермии

Глава 2. Выбор оптимального радионуклида и дозовая нагрузка на персонал

2.1 Выбор радионуклида

2.2 Расчет дозовой нагрузки на радиохирурга при выполнении операции

Глава 3. Экспериментальное и расчетное моделирование тепловых процессов

3.1 Экспериментальное моделирование

4.2 Расчетное моделирование

Глава 4. Оценка эффектов от сочетанного воздействия облучения и гипертермии

Глава 5. Разработка программного обеспечения

5.1 Программа для поддержки радионуклидной вертебропластики

5.2 Формирование воксельного фантома для прецизионных расчетов дозных и температурных полей на основе адаптации данных КТ-томографии

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оптимизация термического и радиационного воздействия при радионуклидной вертебропластике»

Введение

Вторичные опухоли позвоночника являются важной проблемой, требующей новых решений и подходов. Литературные данные свидетельствуют о том, что метастатические поражения скелета появляются примерно в 70% при раке молочной железы [1] и до 60% при раке легкого [2], а доля поражения позвоночника при этом составляет 90%. Важным фактором, влияющим на выживаемость у таких больных является сильный болевой синдром, который ведет к затруднению транспортировки больного и снижает качество жизни. У таких больных часто возникает перелом позвоночника на фоне остеопороза, что также осложняет проведение лечения. Самыми часто используемыми методами воздействия на опухоли в позвоночнике являются лучевая терапия и вертебропластика - оперативное вмешательство, при котором в поврежденный позвонок вводится костный цемент на основе полиметилметакрилата.

Лучевая терапия решает важную задачу уменьшения болевого синдрома, однако эта процедура не оказывает стабилизирующего действия на позвоночник. Больные остаются малоподвижными, что затрудняет их дальнейшее лечение.

Большим преимуществом вертебропластики является тот факт, что не стабилизирующий эффект от нее является практически мгновенным, что позволяет проводить другие лечебные процедуры уже через 1-2 дня после операции [3]. В среднем, через семь суток после операции около 70% больных перестают принимать обезболивающие препараты, еще около 5% используют их нерегулярно. Существенным недостатком вертебропластики является ее кратковременная эффективность. Примерно у 65% больных болевой синдром возвращается в течение полугода. Это связано с тем, что некоторая часть клеток опухоли выживает и спустя какое-то время продолжает размножение.

Наиболее эффективно применение вертебропластики для лечения единичных метастазов в позвоночнике [4]. У таких больных эффект от процедуры носил долговременный характер.

При множественном распространении метастазов вертебропластика показывает меньшую эффективность. Как правило, метастатические очаги продолжают свой рост, распространяясь в сторону позвоночного канала, что приводит к усилению болевого синдрома. Тем не менее, введение костного цемента в поврежденные опухолью позвонки сопровождается уничтожением большей части раковых клеток, что в свою очередь снижает скорость роста опухоли. Считается, что уничтожению метастазов способствует три основных фактора: механический, термический и химический [7,11]. Механический фактор обусловлен укреплением и стабилизацией тела позвонка, кроме того значительный объем опухоли вытесняется во время введения костного цемента. Химический фактор обусловлен цитотоксичностью полиметилметакрилата - основой цемента. Наиболее интересным с точки зрения данной работы является термический фактор. Во время полимеризации выделяется большое количество тепла, что приводит к некрозу опухолевых тканей и нервных окончаний. Однако, как показывает практика, опухоль уничтожается не полностью.

Известно, что гипертермия является радиосенсибилизирующим агентом. Кроме того, в определенном температурном диапазоне, возникает синергизм термического и радиационного воздействия [15,16]. Таким образом, можно предположить, что добавление радионуклида в состав костного цемента окажет комбинированное термическое и радиационное воздействие и значительно повысит эффективность вертебропластики.

В Обнинске уже есть опыт, когда пациентам после проведения вертебропластики дополнительно назначали лучевую терапию. Нескольких пациентов, спустя некоторое время после операции, одноразово облучили дозой 8 Гр. Такая доза была выбрана как максимально возможная за один сеанс терапии. Облучение не было научным экспериментом, а просто

служило дополнительной терапевтической процедурой. Позже выяснилось, что эти пациенты прожили гораздо дольше среднего времени жизни людей с аналогичными диагнозами, но без дополнительного сеанса лучевой терапии.

Однако у метода, описанного выше, есть ряд недостатков, основными из которых являются поражения здоровых тканей, вызванные внешним облучением и временная задержка между процедурами. Из литературных источников известно, что наибольший синергический эффект возникает при одновременном воздействии гипертермии и излучения. Следовательно, для максимальной эффективности операции необходимо ввести радионуклид непосредственно в опухоль. Этот тезис частично подтверждают аналогичные зарубежные исследования [6, 89, 90, 104, 105, 106]. Другие исследования [91,92] показывают, что добавление к костному цементу радионуклида не влияет на его механические свойства и не позволяют радионуклиду выходить за пределы цементного ядра.

Исходя из предпосылок, описанных выше, было выполнено расчетно-теоретическое обоснование принципиально новой терапевтической технологии - радионуклидной вертебропластики. Основными аспектами работы являлось определение необходимой активности применяемого радионуклида, а также оценка возможных эффектов при выполнении радионуклидной вертебропластики.

Цель работы: Дать экспериментальное, теоретическое и расчётное обоснование нового метода воздействия на метастазы злокачественных опухолей в позвоночнике, основанного на введении в поражённую область костного цемента, содержащего радионуклид

Задачи работы:

1. Провести эксперименты для определения физических свойств костной ткани и цемента применительно к задаче вертебропластики, а также для выяснения динамики разогрева цемента при полимеризации.

2. Создать компьютерные модели позвонка для расчетов по переносу излучения и теплогидравлике и смоделировать процесс нагревания и остывания ткани, с учетом тока крови в позвонке.

3. Рассчитать дозы в позвонке при введении в него различных радионуклидов и выбрать оптимальный для радионуклидной вертебропластики.

4. Рассчитать радиобиологические эффекты от сочетанного теплового и радиационного воздействия.

5. Оценить дозовую нагрузку на персонал для типичных сценариев радионуклидной вертебропластики.

6. Разработать программное обеспечение для поддержки радионуклидной вертебропластики.

Научная новизна и теоретическая значимость работы

1. Обоснован новый способ лечения злокачественных опухолей и метастазов в позвоночнике.

2. Разработана методика получения воксельных фантомов органов и тканей человеческого тела на основе томографических снимков.

3. Создана воксельная расчетная модель позвонка, учитывающая ток крови.

Практическая значимость

Результаты работы могут быть использованы для доклинического исследования радиофармпрепарата на основе выбранных радионуклидов 153Sm или 188Re. Разработанная технология быстрого получения воксельных фантомов может быть применена для решения различных задач на других программных комплексах, используемых в медицинской физике. Программное обеспечение можно использовать, при незначительных модификациях, как непосредственно для радионуклидной вертебропластики, так и для работы с томографическими изображениями в других практических приложениях. С небольшими изменениями, ПО, также можно будет применить для других операций, таких как брахитерапия.

Методология исследования

Основные результаты, представленные в работе, получены с помощью алгоритмов математического моделирования реализованных в программных средах MCNP (для задач по переносу излучения) и STAR-CD (для теплофизических расчетов). Экспериментальные данные результатов были получены на сертифицированном оборудовании.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получены характеристики дозных и температурных полей для новой технологии лечения злокачественных образований в позвонке -радионуклидной вертебропластики.

2. Расчетными методами доказана эффективность радионуклидной вертебропластики.

3. Получены дозовые нагрузки на радиохирурга при проведении РНВП. Показано, что они не превышают значений, рекомендованных в НРБ-2009 для персонала группы А.

4. Создан новый метод получения индивидуализированных воксельных фантомов частей человеческого тела по КТ-снимкам, который позволяет экспортировать расчетные модели в различные программные комплексы.

Достоверность результатов

Достоверность научных результатов обеспечена применением теоретических методов и лицензионного верифицированного программного обеспечения, используемого в создании теплогидравлических моделей и расчетах по переносу излучения. На каждом этапе исследования проводились эксперименты, которые хорошо согласовались с полученными моделями и исследованиями других авторов.

Личный вклад

Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке, проведении и

обработке результатов эксперимента, в аналитическом исследовании, численном моделировании и создании программного обеспечения.

Публикации по теме диссертации

Материалы диссертации отражены в 19 публикация в период с 2012 по 2016 год, из них 9 статей. В журналах списка ВАК вышло 4 статьи.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 101 странице и состоит из введения, обзора литературы, 5 глав, результатов, выводов и приложений. Работа содержит 45 рисунков и 15 таблиц. В библиографическом списке 107 источника, из них на иностранном языке 64.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ

1.1 Вертебропластика как метод лечения метастатических опухолей

позвоночника

Перкутанная вертебропластика (ПВП) - процедура, заключающаяся в введении с помощью шприца костного цемента на основе полиметилметакрилата в поврежденное тело позвонка [5].

Основной целью применения вертебропластики является укрепление тел позвонков перед установкой стабилизирующих систем. В некоторых случаях процедура выполняется после резекции опухоли для заполнения пустого пространства внутри позвонка [6,7].

Впервые процедура ПВП была выполнена в 1984 году во Франции, женщине 54 лет с агрессивной вертебральной гемангиомой C2 [8]. Позднее ПВП стала применяться при лечении переломов позвоночника, вызванных остеопорозом и вертебральными остеолитическими метастазами [3].

Важным положительным эффектом вертебропластики является регресс болевого синдрома. Такой эффект достигается приблизительно в 90% случаев при остеопорозных компрессионных переломах [9] и в 70-75% у пациентов с различной опухолевой патологией [10]. Среди факторов, влияющих на купирование болевого синдрома выделяют три основных: термический, механический и химический [7,11].

Механический фактор. Вследствие стабилизации тела позвонка, микродвижения не происходят, поэтому нервные окончания, находящиеся внутри позвонка не возбуждаются. Таким образом механически фактор является основной причиной, по которой происходит купирование болевого синдрома.

Термический фактор. Мощность тепловыделения при полимеризации цемента оказывается достаточной, чтобы вызвать некроз нервных окончаний, что напрямую влияет на чувствительность пациента. Кроме того, многочисленные исследования показывают, что гипертермия может

вызывать значительное угнетение роста опухолевых клеток [15].

10

Цитотоксичность полиметилметакрилата также оказывает противоопухолевый эффект. Данный факт подтвержден многочисленными клиническими исследованиями [18].

При опухолевом поражении, возможно, помимо вышеуказанных механизмов значительную роль играет ишемический фактор, обусловленный повышением гидростатического давления в теле позвонка вследствие механического смещения опухолевой ткани костным цементом в пределах остеолитической активности, что приводит к дополнительному поражению опухоли.

Показания к проведению ПВП:

I. Злокачественные (множественные миеломы) и доброкачественные (гемангиомы) новообразования. В том числе вторичные опухоли (остеолитические метастазы) [5,7];

II . Остеопороз и сопутствующие ему переломы позвонков с возникновением болевого синдрома [5,7];

III . Другие исключительные показания (лимфома с остеолитическим компонентом, болезнь Кюммеля, эозинофильная гранулема) [5].

Техника выполнения вертебропластики и необходимые предоперационные исследования:

В первую очередь перед операцией осуществляется осмотр пациента. Кроме того назначаются различные исследования по визуализации операционной зоны: позвонков и спинного мозга. К таким исследованиям относятся МРТ, мультспиральная компьютерная томография и рентгенография. Дополнительно требуется развернутая коагулограмма и общий анализ крови. Для пациентов с подозрением на онкологическое заболевание дополнительно проводится поиск онкомаркеров.

Непосредственно перед операцией пациенту вводятся антибиотики и проводится анестезия. Для операций, проводимых на шейном отделе позвоночника или в случаях, когда болевой синдром ярко выражен, используется общая анестезия.

Операция проводится под КТ-контролем. Перед введением иглы хирург замешивает компоненты цемента и набирает их в шприц. Доступ к позвонкам, по которому осуществляется введение иглы шприца зависит от многих параметров. Различают несколько видов доступов: трансоральный (используется редко, для некоторых шейных позвонков), переднебоковой, заднебоковой, транспедикулярный и парапедикулярный.

После введения иглы осуществляется непосредственно введение цемента в позвонок. Объем вводимого цемента зависит от степени поражения позвонка и его размеров. Среднее значение объема составляет 4-5 мл. Для позвонков шейного отдела объем может составлять около 2мл. В особо сложных случаях вводится до 8мл костного цемента [4].

Послеоперационный режим. В течение часа после операции пациент должен находиться в лежачем положении. Каждые 15 минут необходим осмотр, включая оценку показателей жизненно важных функций и неврологического состояния больного. За это время полиметилметакрилат полимеризуется на 90% и затвердевает. Если показатели в норме и пациент чувствует себя хорошо, то через час ему может быть разрешено принять сидячее положение в постели под присмотром помощника. Для визуализации расположения импланта и оценки успешности вертебропластики необходима контрольная постоперационная компьютерная томограмма пролеченного позвонка. Как правило, в первые часы после операции происходит значительное уменьшение боли, однако в некоторых случаях возможно и усиление болевого синдрома. В таком случае показано применение обезболивающих и нестероидных противовоспалительных средств в течение 2 дней [7].

Осложнения могут возникать в 10% случаев. Непосредственно во время операции большинство осложнений связаны с истечением цемента из тела позвонка. Самой частой причиной истечения цемента, в свою очередь, является значительной изношенность или повреждение задней части позвонка и замыкательных пластин. Пример истечения приведен и рис. 1.1.

Рисунок 1.1 Истечение костного цемента вследствие разрушения замыкательной пластинки.

При вертебральной гемангиоме и компрессионном переломе вследствие остеопороза риск осложнений, которые можно обнаружить не превышает 1%. У пациентов с вторичными опухолями осложнения встречаются в 5 - 10% случаев. В основном рост количества осложнений у таких больных связан с характером повреждений позвонков [18]. Таким образом, можно выделить следующие возможные осложнения во время проведения операции:

1. Временное незначительное повышение температуры тела и усиление болевого синдрома. Данное осложнение обусловлено естественной реакцией организма на операционное вмешательство, встречается нечасто и довольно безопасно для пациента [6, 5, 10].

2. Переломы костей позвоночника. Возникают вследствие неудачного позиционирования иглы шприца, а также из-за пониженного содержания кальция в костях некоторых пациентов. Редкое осложнение.

3. Синдром раздражения спинномозговых корешков. Возникает при попадании костного цемента в радикулярную вену или межпозвонковое отверстие. Чаще всего синдром исчезает после приема нестероидных противовоспалительных препаратов. Иногда требуется дополнительная операция, при которой происходит удаление части цемента и декомпрессия корешка [6,7,8].

4. Компрессия спинного мозга. Возникает чаще всего при метастатическом поражении позвонка и связана с истечением костного цемента в спинномозговой канал. В таких случаях необходимо открытое хирургическое вмешательство, которое удаляет лишний цемент. Такая операция значительно сложнее чем вертебропластика, поэтому это осложнение довольно опасно. Является редким осложнением [7,9].

5. Легочная эмболия. Может привести к летальному исходу, но встречается крайне редко. Данное осложнение обусловлено проникновением цемента в паравертебральные вены или использованием большого количества цемента [7,9,18]. В связи с этим не рекомендуется проведении операции более чем для трех позвонков единоразово. В тех случаях, когда необходимо лечение большего количества позвонков, вертебропластика происходит в несколько этапов.

Основные заболевания при которых применяется ПВП.

Метастатическое поражение позвоночника.

У пациентов с различными формами рака метастатическое поражение позвоночника встречается в 27 - 70% случаев по данным разных авторов [6]. Вторичные опухоли позвоночника занимают третье место по распространенности после поражений легких и печени. Наиболее часто поражается метастазами поясничный отдел. Среди всех опухолей позвоночника приблизительно 96% составляют метастазы. Остальные 1 -4% первичные доброкачественные и злокачественные опухоли. Тело позвонка поражается наиболее часто.

Главными причинами метастатического поражения позвоночника являются рак предстательной железы, рак легких и рак молочной железы. На долю этих заболеваний приходится около 70% всех вторичных опухолей позвонка. Больные с таким диагнозом имеют однолетнюю выживаемость 17% при раке предстательной железы и около 22% при раке молочной железы. Смертность среди пациентов с гипернефроидным раком и раком щитовидной железы в большой степени зависит от типа первичной опухоли.

Обычно, метастазы в позвоночник у больных раком легких обнаруживаются в срок от 3,5 месяцев до полугода. У пациентов с раком молочной железы время распространения метастазов значительно выше и составляет от 2.5 до 3 лет. Эти данные помогают планировать роведение вертебропластики у пациентов с таким диагнозом.

Чаще всего ПВП назначается пациентам с выраженным болевым синдромом в спине, связанным с любой физической нагрузкой. Особым показанием является прием наркотических анальгетиков. Также вертебропластика показана пациентам с короткой ожидаемой продолжительностью жизни, которым противопоказана хирургическая операция по удалению опухоли [18].

Вертебральная гемангиома. (ВГ)

Гемангиома является сосудистой опухолью и по разным оценкам встречается не так часто, примерно в 1% случаев среди всех костных опухолей [19]. Гемангиомы наиболее часто встречаются в грудном отделе позвоночника, реже их можно встретить в поясничном отделе, крайне редко в шейном и крестцовом [19]. Обычно опухоль распространяется в единственный позвонок. Чуть чаще гемангиомы встречаются у женщин, чем у мужчин, (примерно в 60% случаев), при этом средний возраст пациентов составляет примерно 40 лет. В основном опухоль локализуется в теле позвонка, но может распространяться и на дужку.

Основным симптомом является выраженная локализованная боль. Пальпация и перкуссия паравертебральной области и остистого отростка, как правило, болезненна.

ВГ согласно клинико-рентгенологическим проявлениям подразделяют на четыре группы:

1. Асимптоматические гемангиомы без рентгенологических признаков агрессивности (выявляются случайно).

2. Симптоматические (болевые) гемангиомы без рентгенологических признаков агрессивности.

3. Асимптоматические гемангиомы с рентгенологическими признаками агрессивности (выявляются случайно).

4.Симптоматические ВГ с рентгенологическими признаками агрессивности, в свою очередь подразделяются на ВГ с эпидуральным распространением и ВГ без эпидурального распространения.

Показания к вертебропластике основаны на приведенной классификации. Пациентам 1-й группы процедура ПВП не показана. Пациентам 2-й группы операция показана для купирования болевого синдрома. При локализации опухоли в грудном отделе позвоночника показания становятся более явными. Для пациентов из 3-й группы ПВП обычно не проводится, однако при появлении клинических симптомов может быть показана. Перкутанная вертебропластика показана для всех пациентов из 4-й группы. Остро развившаяся миелопатиея является показанием для открытого хирургического вмешательства в комбинации с ПВП. Несмотря на противопоказания, описанные выше вертебропластика применяется в при компрессии спинного мозга. В таком случае ПВП является предварительным этапом перед проведением открытого хирургического вмешательства, целью которого служит стабилизация позвонка и уменьшение риска кровотечения во время основной операции.

Компрессионные переломы тела позвонка на фоне остеопороза.

Переломы на фоне остеопороза представляют огромную медицинскую и социально - экономическую проблему. В США регистрируется около 700 000 переломов позвонков ежегодно. Наиболее часто такие переломы встречаются у пожилых людей, причем рост вероятности перелома сильно зависит от возраста пациента. Если для людей в возрасте 50-60 лет риск перелома возрастает на 15%, то для людей старше 80 риск составляет уже более 70%.

В основном переломы позвонков при остеопорозе происходят спонтанно (46%) или после минимальной травмы (36%). В таких случаях постановка правильного диагноза. Часто компрессионный перелом на фоне остеопороза сопровождается острой болью в спине. Кроме болевого синдрома, перелом может осложняться деформацией позвоночника и повреждением спинного мозга. Важно отметить, что перелом и следующая за ним бол сильно ухудшают качество жизни пациента и часто сопровождаются бессонницей, которая в свою очередь может вызвать депрессию.

Второй причиной остеопороза и перелома, после возраста пациента, является прием глюкокортикостероидов. Это связано с побочным действием препаратов - вымыванием ионов кальция. Компрессионные переломы встречаются более чем у 50% пациентов принимающих стероидные препараты, причем чем больше была доза стероидов, тем чаще встречались переломы.

Ранее безоперационное лечение остеопорозных переломов заключалось в накладывании корсета и соблюдения постельного режима. Сопровождающие перелом боли при этом купировались анальгетиками. Однако такое лечение было малоэффективным, более того, оно приводило к таким осложнениям как пневмония, эмболия ветвей легочной артерии и тромбоз глубоких вен голеней. Таким образом перелом позвонков при остеопорозе является показанием к проведению вертебропластики.

1.2 Результаты применения вертебропластики

В Италии было проведено широкомасштабное ретроспективное исследование по применению вертебропластики в клинических условиях.

Целью исследования была ретроспективная оценка результатов применения вертебропластики для лечения большого количества больных.

С середины 2000г. вертебропластика была использована для лечения 1733 пациентов в 8 лечебных центрах. Всего было проведено 3575 операции (некоторым пациентам вертебропластика проводилась в несколько этапов). У 1298 (74,6%) больных были переломы тел позвонков на фоне остеопороза, у 373 (21,5%) — опухолевые поражения позвоночника, у 43 (2,5%) — гемангиомы и у оставшихся 25 (1,4%) — травматические переломы тел позвонков. Чаще всего операция проводилась односторонним доступом под рентгеноскопическим контролем. Во всех случаях была применена местная анестезия.

Результаты:

У 1636 из 1733 (94,4%) пациентов болевой синдром исчез в течение 2 суток. У больных с остеопорозом купирование синдрома зафиксировано в 98% случаев, у больных с гемангиомами и с травматическими переломами эффективность была 100%. Для больных со злокачественными новообразованиями эффективность процедуры была чуть менее заметна, только у 70% болевой синдром исчез. Тяжелых побочных эффектов не отмечено. У 16 из 1733 (0,9%) пациентов была выявлена эмболия мелких ветвей легочной артерии, однако она носила бессимптомный характер и прошла бесследно. При этом примерно в 40% случаев (у 686 больных) костный цемент попадал в область околопозвоночных вен и межпозвонковых дисков. В 6 случаях (0,3%) развились подкожные гематомы, а в 10 случаях (0,6%) — радикулит, который прошел после местной инъекции глюкокортикоидов, а в двух случаях самостоятельно. Во время одной из операций игла от шприца, сломалась и осталась в позвонке, при этом на

пациента это не оказало какого-либо значительного отрицательного воздействия.

Таким образом, данное исследование подтверждает эффективность и безопасность вертебропластики. Показано, что доля осложнений от операции не велика. Самый большой эффект от вертебропластики достигнут для лечения компрессионных переломов и переломов на фоне остеопороза. Значительный, хоть и меньший, эффект также наблюдался при лечении злокачественных новообразований в позвоночнике. Это может быть объяснено тем, что у таких больных степень разрушения костной ткани гораздо более выражена [10].

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Забарянский Юрий Геннадьевич, 2021 год

- _

U. DU 0)

С

0) 1—

-3

JU

40

эп 4

jU с Расстоян ние мм

Рисунок 3.18 Распределение максимума температуры в костной ткани тела позвонка на различном расстоянии от поверхности костного цемента:

1 - экспериментальные данные; 2 - результаты расчета с помощью кода STAR-CD; 3- результаты расчета с помощью кода КАНАЛ

г с

эи

2.5мм 1

л ^ 3.5мм 1 2.5мм 2

чо

U

3.5мм 2

Л п 2.5мм 3 3.5мм 3

35

00

jU 2( 10 4( 30 6С 10 8С 10 10 tai 00 1, с 12 00 14 00 16 00 18 00 20

на расстояниях 2.5 мм и 3.5 мм от поверхности цемента: 1 - экспериментальные данные;

2 - результаты расчета с помощью кода STAR-CD;

3 - результаты расчета с помощью кода КАНАЛ В дальнейшем использовалась только программа STAR-CD, так как, во-первых, она давала результаты, наиболее согласующиеся с экспериментальными, и, во-вторых, была лучше адаптирована к конкретной задаче, т.к. давала возможность проводить трехмерные расчеты, необходимые в дальнейшей работе.

После того, как полученная модель с достаточной точностью удовлетворила результатам экспериментов, было решено использовать ее для задачи, учитывающей процессы, происходящие в организме - в первую очередь ток крови.

Губчатая костная ткань позвонка получает на 100 г массы 2-3 мл крови в 1 с. Для образца с массой 14,8 г с полостью, заполненной цементом, (таблица 3.5) расход крови составляет 4,86*10-4 л/с. При средней скорости в капиллярах 1 мм/с и внутреннем диаметре капилляров 1 мм расчетная пористость костной ткани 0,58. При указанном значении пористости проведен расчет теплообмена в позвонке, погруженном в воду. Толщина слоя воды вокруг боковой поверхности позвонка принималась равной 5 см.

В таблице 3.5 приведены исходные данные, принятые для расчета. Моделировался позвонок с коаксиальной полостью, которая заполнялась цементом. Принималось, что позвонок окружен слоем ткани, теплопроводность и теплоемкость которой равна теплоемкости и теплопроводности воды. Движение крови в костной ткани позвонка рассматривалось как ламинарное течение в пористом теле. Расход крови через позвонок принимался равным 4,86*10-4 л/c и был взят из литературных источников [103]. Предполагалось, что кровь является ньютоновской жидкостью с вязкостью 0,004 Па-с. Плотность, удельная теплоемкость,

коэффициент теплопроводности крови принимались равными аналогичным свойствам воды.

Таблица 3.5

Начальные условия для расчета тепловыделения в позвонке в

человеческом теле.

Диаметр полости, заполняемой цементом, мм 18

Высота полости, заполняемой цементом, мм 18

Диаметр позвонка, мм 36

Высота позвонка, мм 18

Плотность костной ткани позвонка, кг/м3 1178

Удельная теплоемкость костной ткани, Дж/(кгхК) 2274

Коэффициент теплопроводности костной ткани, Вт/(мхК) 0,31

Начальная температура крови, 0С 37

Начальная температура цемента, 0С 24

Начальная температура позвонка, 0С 37

Расход крови через костную ткань позвонка, л/с 4,86х10"4

Результаты расчета [85,86] температуры костной ткани позвонка во времени на различном расстоянии от поверхности костного цемента для объема костного цемента 4.58 см3 представлены на рис. 3.20.

0 мм

1 мм 1.5 мм

2 мм 2.5 мм

3 мм 3.5 мм

4 мм 4.5 мм

5 мм

О 500 1000 1500 2000 2500

1аи, с

Рисунок 3.20 Изменение температуры костной ткани позвонка в теле человека во времени в зависимости от границы цемента.

После этого расчета встал вопрос: влияет ли на распределение температур расположение цементного ядра относительно границ позвонка? А также, как на это распределение влияет сама форма цементного ядра? Для ответа на эти вопросы была проведена серия расчетов с различной формой и расположением цементного ядра внутри позвонка.

Пример расчетной области позвонка с не коаксиальным расположением цилиндрической полости, заполняемой костным цементом, показан на рисунке 3.21. Расчет проводился для позвонка и полости с геометрическими размерами и начальными условиями, представленными в таблице 3.5.

На рисунке 3.22 показано расчетное изменение температуры костной ткани позвонка во времени для величины смещения оси полости 5 мм на различных расстояниях от поверхности цемента. Здесь «длинная» сторона позвонка - наибольшее расстояние от поверхности костного цемента до замыкательной пластины позвонка; «короткая» сторона позвонка -

наименьшее расстояние от поверхности костного цемента до замыкательной пластины позвонка. Результаты расчета дают совпадение температурных кривых, полученных на «длинной» стороне позвонка и в позвонке при коаксиальном расположении полости с костным цементом. На «короткой» стороне позвонка наблюдаются меньшие значения максимальной температуры и более медленное остывание костной ткани, чем на «длинной» стороне позвонка.

Рисунок 3.21 Расчетная область позвонка с не коаксиальным расположением цилиндрической полости, заполняемой костным цементом (вид сверху)

0 мм 1

<-> 60 -1.5 ММ 1 3 мм 1 0 мм 2 -1.55 мм 2 -3.11 мм 2 0 мм 3 -1.55 мм 3 -3 .11 мм 3 00

40

5< Ю 10 00 15 1аи, с 00 20 00 25

Рисунок 3.22 Изменение температуры костной ткани позвонка во времени: 1- коаксиальное расположение полости;

2 - «длинная» сторона позвонка;

3 - «короткая» сторона позвонка

Таким образом, можно сделать вывод, что на распределение температур внутри позвонка влияют не только характеристики окружающей ткани, скорость тока крови или объем цемента, но и само расположение цементного ядра. Это объясняется различием в теплофизических свойствах ткани позвонка, твердой оболочки позвонка (так называемой замыкательной пластинки) и окружающей ткани (мышцы, жир, кровь). Чем ближе цемент располагается к окружающей ткани, тем менее интенсивно происходит теплосъем, поскольку замыкательная пластинка исполняет роль теплоизолятора, а внутри самого позвонка относительно эффективный теплосъем происходит благодаря интенсивному току крови.

Для наибольшего соответствия модели реальным параметрам была разработана технология получения воксельного фантома позвонка (см. главу 5) и произведена серия расчетов. Однако в дальнейшем от рутинных расчётов с воксельной моделью было решено отказаться, поскольку точность

результатов была сравнима с точностью для упрощенных моделей, но время, необходимое для расчетов с использованием фантомов, увеличилось на порядок. Это объясняется увеличением количества расчетных ячеек, средний фантом состоял из 1500000 ячеек, в то время как упрощенная модель состояла максимум из 200000 ячеек.

Выводы:

1. Проведены экспериментальные исследования нестационарных температурных полей при полимеризации костного цемента в позвонке в процессе стабилизирующей вертебропластики.

2. Разработана экспериментальная модель локальной гипертермии в очаге опухолевого роста в губчатой ткани тела позвонка.

3. Разработан и апробирован расчетный аппарат, позволяющий с достаточной для практического применения точностью прогнозировать разогрев костной ткани на разном удалении от границы костного цемента.

4. Показано, что при введении в полость литического метастаза высокотемпературного костного цемента на границе его поверхности и костной ткани достигается температура более 70 0С. А также в областях, в пределах 1см от границы цемента, температура достигает значений, достаточных для гипертермической радиосенсибилизации.

Глава 4. Оценка эффектов от сочетанного воздействия облучения и гипертермии

В предыдущих главах были получены распределения доз и температур

внутри позвонка. Таким образом, можно рассчитать влияние гипертермии и радиационного излучения на костную ткань. Однако, как показывают исследования [32, 38, 39], сочетанное воздействие гипертермии и радиационного облучения оказывает значительно более сильное влияние на раковые клетки, чем каждый из этих факторов по отдельности.

Оценка синергизма является нетривиальной задачей, поскольку он зависит от многих факторов, таких как: вид опухоли, продолжительность нагрева, величина нагрева, величина дозы.

На рис. 4.1 представлен пример зависимости коэффициента

синергического взаимодействия от температуры, при которой происходило

облучение диплоидных дрожжевых клеток ионизирующим излучением (А),

ультрафиолетовым излучением (Б) и ультразвуком (В). Коэффициент

синергического усиления определялся как отношение эффективных

повреждений, возникших после комбинированного действия этих агентов, к

сумме эффективных повреждений, вызванных этими агентами,

примененными раздельно. Во всех этих примерах имеется диапазон

температур, при которых наблюдается синергизм, и в этом диапазоне

существует температура, при которой отмечается максимальный синергизм.

При температурах ниже этого диапазона синергический эффект не

наблюдался, и клеточная гибель определялась, главным образом, сумой

повреждений, индуцированных ионизирующим излучением,

ультрафиолетовым излучением или ультразвуком. При температурах выше

этого диапазона синергический эффект также не наблюдался, но клеточная

гибель определялась в основном гипертермией. Было показано, что снижение

интенсивности любого из излучений, используемых в комбинации, приводит

к уменьшению температуры, при которой наблюдается максимальный

синергизм. Другими словами, чем меньше интенсивность одного из

67

действующих агентов, тем меньше должна быть интенсивность другого фактора для обеспечения максимальной эффективности синергического взаимодействия.

и

11 ' ' ' '_1__1_I_I_'

45 $0 $9 45 50 55 54) 52 54 5*

Темпера гура." С

Рисунок 4.1 Зависимость коэффициента синергического усиления от

температуры, при которой происходило одновременное комбинированное

воздействие гипертермии и ионизирующего излучения (А),

ультрафиолетового излучения(Б) и ультразвука (В)

Очевидно, что для клеток опухоли диапазон температур, при которых

наблюдается синергизм, может быть другим. Кроме того, сама степень

синергизма может оказаться другой. Да и в целом синергизм определяется в

основном экспериментально. Хотя и существуют математические модели для

описания синергизма [21,36,37], они используют в качестве исходных

данных кривые зависимости выживаемости клеток от величины дозы и

гипертермии, которые все равно получаются экспериментально. Таких

кривых для опухолей позвоночника не существует. Поэтому вместо оценки

синергизма был рассчитан коэффициент термического (теплового) усиления.

Коэффициент термического усиления используют для количественной

оценки эффективности взаимодействия, он показывает, во сколько раз

увеличилась радиочувствительность клеток при одновременном

терморадиационном воздействии по сравнению с таковой при действии

только ионизирующего излучения.

Для оценки эффектов была использована формула [49]:

68

КТУ= 1+ т/то*ехр(к(Т-То) (4.1)

где КТУ - коэффициент теплового усиления; т - время теплового воздействия, мин; т0=5 (мин) - минимальное время теплового воздействия, при котором проявляется гипертермия [107]; Т - температура костной ткани, 0С, Т0=44.79 и к=0.966 -эмпирические коэффициенты имеющие размерность температуры и Т-1 соответственно. Данная формула применима в диапазоне 41-46 0С.

В формулу входят две независимые величины: температура и время. Температура стоит в показателе экспоненты, а значит, оказывает большее влияние на величину КТУ. Из формулы так же видно, что функция не имеет предела, т.к. КТУ при увеличении длительности воздействия и температуры растет до бесконечности. Чтобы отсечь заведомо ложные результаты, было сделано два допущения:

Зафиксировано значение времени 5 минут, как наименьшее время, рассматриваемое в экспериментах с гипертермией.

Максимальный возможно коэффициент был принят равным 6, так как это максимальное значение, которое встречалось в литературе и которое, при этом получено экспериментально [81]

Все расчеты проводились только для расстояний до поверхности цемента не более 6 мм, т.к. на большем расстоянии все возможные эффекты от гипертермии крайне малы, а поглощенная доза от радиационного воздействия изотопов 188Яе или 153Бт не превышает 10 Гр. Для дальнейших расчетов для каждого значения объема костного цемента были построены непрерывные кривые значений КТУ в зависимости от расстояния до границы раздела цемент - костная ткань. Для каждого из четырех объемов цемента была построена кривая, результаты представлены на рисунках 4.2-4.5. Все кривые были рассчитаны по формуле 4.1, поэтому значения КТУ оказались больше 6. Это было сделано для наглядности поведения зависимости КТУ от расстояния от границы костного цемента. Несоответствие допущениям,

сделанным выше, было устранено позже, при расчете эквивалентной дозы (рис 4.6-4.9)

Рисунок 4.2 Зависимость КТУ от расстояния до поверхности костного цемента для объема полости 2.04 см3.

Рисунок 4.3 Зависимость КТУ от расстояния до поверхности костного цемента для объема полости 3 см3

тс

9П \ v

1 Ч > \

2 б 2 8 3 2 3 4 3 б г, 3.8 мм 4 2 4 4 4 б 4 8

Рисунок 4.4 Зависимость КТУ от расстояния до поверхности костного цемента для объема полости 4.58 см3

4

1 Ч

с;

2.5 3 4 3 9 г, мм 4.4 4 9 5

Рисунок 4.5 Зависимость КТУ от расстояния до поверхности костного цемента для объема полости 6.23 см3

Для получения диаграммы эффектов от комбинированного терморадиационного воздействия на позвонок были использованы результаты расчета дозных полей для изотопов 188Яе и 153Бш. Относительно

безопасный уровень активности, с которым работает большинство радиохирургов, составляет 100-200 мКи. Для активности 100 мКи рассчитана зависимость дозы облучения от расстояния до поверхности раздела костный цемент - костная ткань. Далее эти значения дозы были помножены на соответствующие коэффициенты теплового усиления. В случае если КТУ в данной точке составлял значение большее 6, то принималось значение 6. Это продиктовано тем, что в использованной литературе не встречалось значение КТУ>6 [81], поэтому рассматривать большие значения без специальных исследований не представляется возможным. Для каждого объема полости, заполняемой костным цементом, и изотопа были получены графики зависимости эквивалентной дозы от расстояния до поверхности костного цемента. Результаты представлены на рисунках 4.6-4.9.

Рисунок 4.6 Зависимости доз от расстояния до поверхности костного цемента для изотопов 188Яе и 153Бт в первом контрольном объеме для объема полости

2.04 см3:

1 - радиационная доза 188Яе; 2 - радиационная доза 153Бт; 3 - эквивалентная доза 188Яе; 4- эквивалентная доза 153Бт

Рисунок 4.7 Зависимости доз от расстояния до поверхности костного цемента для изотопов 188Яе и 153Бт в первом контрольном объеме для объема полости

3 см3:

1 - радиационная доза 188Яе; 2 - радиационная доза 153Бт; 3 - эквивалентная доза 188Яе; 4- эквивалентная доза 153Бт

Рисунок 4.8 Зависимости доз от расстояния до поверхности костного цемента для изотопов 188Яе и 153Бт в первом контрольном объеме для объема полости

4.58 см3:

1 - радиационная доза 188Яе; 2 - радиационная доза 153Бт; 3 - эквивалентная доза 188Яе; 4- эквивалентная доза 153Бт

3 3.2 3.4 3.6 3.8 4 4.2 4.4 4.6 4.8 5 5.2 5.4

X, лллл

Рисунок 4.9 Зависимости доз от расстояния до поверхности костного цемента для изотопов 188Яе и 153Бт в первом контрольном объеме для объема полости

6.23 см3:

1 - радиационная доза 188Яе; 2 - радиационная доза 153Бт;

3 - эквивалентная доза 188Яе; 4- эквивалентная доза 153Бт

Графики, построенные отдельно для каждого из рассмотренных объемов полостей, заполняемых костным цементом, дают отрывочное представление об эффективности введения в цемент радионуклида. Для большей наглядности представления результатов расчета были построены диаграммы эффектов от комбинированного радиационного и теплового воздействия (рис. 4.10, 4.11), показывающие зависимость эффектов как от расстояния до поверхности костного цемента, так и от его объема в полости позвонка. При построении диаграмм рассматривались две величины дозы 60 Гр и 20 Гр. Первая обеспечивает некроз, а вторая паллиативный эффект. В тех местах, где доза была меньше 20 Гр, считалось, что никакого эффекта не наблюдается. Хотя на практике и применяются дозы менее 20 Гр, в данной

работе использовались консервативные оценки. Очевидно, что при другом значении активности радионуклида получатся другие результаты, поэтому в дальнейшем, при создании программного обеспечения [84] (см главу 5.) учитывался тот факт, что врач может выбрать любую дозу облучения и активность изотопа. Данные диаграммы были созданы для наглядности и некоторой визуализации эффектов от проведения радионуклидной вертебропластики [91].

'^Паллиатив

0.00 1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00

V, мл

Рисунок 4.10 Диаграмма эффекта от комбинированного радиационного и теплового воздействия при применении КЦ-153Бт

4

3 -

2 2 - 2

1 :

О • 0.00

Рисунок 4.11 Диаграмма эффекта от комбинированного радиационного и теплового воздействия при применении КЦ-188Яе

Вывод: эффект от комбинированного (радиационного и теплового) воздействия наблюдается как для 153Бт, так и для 188Яе, при этом изотоп 188Яе выглядит предпочтительней для применения при радионуклидной вертебропластике. Однако 188Яе не так широко распространен, как 153Бт, и технологии по его получению не так хорошо отработаны.

1.00 2.00 3.00 4.00 5.00 6.00 7.00 V, мл

Глава 5. Разработка программного обеспечения

5.1 Программа для поддержки радионуклидной вертебропластики

Очевидно, что каждый раз проводить расчеты, представленные в предыдущих главах невозможно, ввиду их трудоемкости. Кроме того, время, затраченное на них, может быть критически важным для пациента. Поэтому было решено создать программное обеспечение, которое бы работало с базой заранее произведенных расчетов. Это существенно упрощает работу медицинского персонала и не требует дополнительных материальных затрат в виде найма и обучения инженеров.

Разработанная программа позволяет предсказывать эффект от радионуклидной вертебропластики, а также существенно упрощает предоперационную работу с томографическими снимками. После определения врачом зоны, куда будет введен костный цемент, программа путем аппроксимации и интерполяции из заранее насчитанных таблиц, выводит все необходимые данные для оценки эффекта от операции. С помощью данной программы также можно получить трехмерное изображение позвонка и введенного в него цемента, что позволяет оценить эффективность операции.

Все подпункты раздела содержат информацию по описанию программ в соответствии с ГОСТ 19.402.

Общие сведения

Обозначение и наименование программы

Наименование программы - ВЕРТОБРО-ПРОГНОЗ.

Программное обеспечение, необходимое для функционирования данной программы

Для работы программы необходима предустановленная платформа Microsoft.Net Framework версии не ниже 4

Языки программирования

Данный код написан на Microsoft Visual C# WPF (Windows Presentation Foundation)

Функциональное назначение

Программное обеспечение разработано для прогнозирования способа лечения онкологических заболеваний методом комбинированной вертебропластики. Данное ПО позволяет предсказывать эффект от такой операции и существенно упрощает предоперационную работу с томографическими снимками.

Описание логической структуры Алгоритм программы

На рисунке 5.1 представлен алгоритм работы программного комплекса

(ПК)

Рисунок 5.1. Принципиальный алгоритм работы программного

На этапе инициализации модели загружаются таблицы с заранее рассчитанными параметрами по температурам и дозам в зависимости от расстояния от источника тепла/излучения и объема этого источника.

На следующем этапе пользователем выборочно подгружаются томографические снимки, на которых ему необходимо вручную выделить область с метастазами. Затем происходит расчет эквивалентных доз внутри позвоночника, после чего пользователю представляется визуализация данных расчета

Используемые методы

Для определения коэффициента теплового усиления в каждой точке используется формула 4.1.

Для каждой формы цемента (сфера и цилиндр) и расстояния до критического органа были созданы базы данных по температурам и продолжительности их теплового воздействия. Для расчета температур в промежуточных точках применяется линейная интерполяция. Поскольку данные представлены с шагом в 1 мм, а минимальный размер пикселя на томографическом снимке составляет 0.25мм, такая интерполяция вполне удовлетворительна

При этом для каждого расчетного узла температура определяется путем линейной интерполяции по таблицам в зависимости от текущего расстояния и объема источника.

Для выбранных радионуклидов 153Бт и 188Яе созданы базы данных по дозам, обусловленным в- и у-излучением, причем учтены вклады обоих типов излучений в цепочках процессов до поглощения последнего электрона: в * (у^Р^у^.. в); у * (Р^у^ в .. в).

Геометрическая модель для расчета дозы представляла собой набор шаровых слоев, окружающих шаровой источник (цемент с радионуклидом). Радиус источника изменялся от 0.2 см до 2 см с шагом 0.1 см. Шаровые слои (моделирующие костную ткань), окружающие источник, имели толщины

0.05 см, их количество = 20. В каждом слое рассчитаны и занесены в базу данных величины доз:

Dp- поглощенная доза Р-излучения DY- поглощенная доза у-излучения Dp + DY.- полная доза.

Для оперативного расчёта доз применена интерполяция "lin-log". Качество интерполяции можно проиллюстрировать численным экспериментом. Для двух последовательных значений радиуса источника в базе данных (с радионуклидом 153Sm) r = 0.5 и 0.6 см получены значения полной дозы Dp + DY двумя способами:

- "lin (по радиусу)-^ (по дозе)" интерполяцией;

- непосредственно расчётом по программе MCNP.

Результаты численного эксперимента представлены на рис. 5.2 и 5.3. Следует отметить, что в качестве опорных значений радиуса выбраны относительно малые, где следует ожидать большой погрешности интерполяции. Но даже в этих условиях максимальная погрешность (при расстоянии 2.25 мм от поверхности цемента) ~ 2%, что вполне допустимо.

OA 0.6

Distance from cement core, cm Рисунок 5.2. Качество интерполяции дозы с помощью базы данных: первые три кривые - прямой расчёт по программе MCNP, четвертая кривая -интерполяция (данные для г = 0.5 и 0.6 см содержатся в базе данных)

Depth, Deviation.

cm , %

0.025 1.08

0.075 1.21

0.125 0.68

0.175 0.674

0.225 2.20

0.275 -1.41

0.325 1.26

0.375 0.656

0.425 0.895

0.475 -1.41

0.525 0.196

0.575 -0.671

0.625 -1.59

0.675 0.910

0.725 -0.453

0.775 -0.396

0.825 0.799

0.875 -0.158

Рис. 5.3. Качество интерполяции дозы с помощью базы данных: слева -отношение интерполированного значения дозы к точному значению как функция расстояния от поверхности костного цемента; справа - отклонение интерполированного значения от точного в % Связи программы с другими программами

Данное ПО работает автономно (при наличии Microsoft.Net Framework версии не ниже 4).

Используемые технические средства

Для реализации запуска программы на расчет необходим персональный компьютер, технические характеристики которого должны быть не ниже следующих:

- процессор не слабее Intel® Core™2 Duo (2 ядра) с тактовой частотой не менее 2000 Мгц;

- не менее 2 Гб оперативной памяти DDR3;

- видеокарта семейства NVIDIA GeForce (или подобная) с установленной памятью 512 Мб. (или подобная);

- жесткий диск с объёмом не менее 50 Гб;

- стандартные клавиатура и мышь;

- предустановленная операционная система Windows XP/Vista/7/8.

- Монитор широкоформатный:

- диагональ экрана не менее 20 дюймов Вызов и загрузка

Программа поставляется уже в виде готового к запуску файла -VERTOPREDICT.exe

Входные и выходные данные Входные данные

Входные данные для программы разделяются на два типа: данные, поставляемые с программой (данные по теплогидравлическим и дозовым расчетам) и томографические снимки.

Первый тип данных представляет собой набор таблиц в следующем формате.

Для теплогидравлических данных: 2.05 0 1 1.5 2 2.5 3 3.5 0 38.7 38.1 37.9 37.7 37.6 37.5 37.3 100 40 39 38.65 38.3 38.1 37.9 37.6

1098 38.6 38.3 38.15 38 37.9 37.8 37.6,

где в первой строке первое число (2.05) обозначает объем цемента, далее указаны все рассчитанные расстояния от источника тепла, мм (0, 1, 1.5 и т.д.). Вторая и последующие строчки содержат информацию о времени, прошедшем с момента введения цемента, с (первое число, например, 0 и 100) и далее температуры, достигнутые к данному времени для каждого рассчитанного расстояния, 0С (38.7, 38.1 и т.д.).

Для дозовых характеристик таблицы представлены в формате аналогичном формату теплогидравлических данных за исключением того, что вместо объема цемента указывается его активность, и данные для каждого момента времени - это мощности доз облучения.

Томографические снимки как входные данные должны иметь расширение и должны быть записаны в формате DICOM, что является стандартным выходным файлом после томографического обследования. Программа позволяет загружать несколько dcm- файлов для выбранного пациента. При этом каждый файл должен содержать лишь один рисунок (некоторые устройства поддерживают до нескольких срезов, хранящихся в одном файле).

Выходные данные

Выходными данными после расчета эффекта от сочетанной вертебропластики выбранной локальной области является таблица со значениями коэффициента теплового усиления облучения и расстоянием от

границы цемента. Эти данные могут быть представлены в виде таблица и визуально, т.е. как закрашенные области на томографическом снимке.

5.2 Формирование воксельного фантома для прецизионных расчетов дозных и температурных полей на основе адаптации данных КТ -томографии

Все снимки, полученные с помощью компьютерной томографии, хранятся в формате DICOM (англ Digital Imaging and Communications in Medicine). Этот формат универсален и является стандартным для использования изображений и документов в медицинских целях. Информационная модель стандарта для DICOM-файла четырёхступенчатая: пациент (patient) ^ исследование (study) ^ серия (series) ^ изображение (кадр или серия кадров) (image).

Последняя ступень содержит в себе так называемые числа Хаунсфилда, которые являются некоторой оценкой плотности вещества. На основе этих чисел строится изображение в оттенках серого цвета: чем больше число Хаунсфилда, тем плотнее ткань, тем изображение светлее. Таким образом, зная плотность вещества в каждом пикселе изображения, можно построить фантом, для его последующей передачи в расчетные программы. Такие фантомы были построены и для расчетов по переносу излучения и для теплофизических расчетов.

Для передачи массива данных DICOM-файлов во входной файл программы MCNP был создан программный интерфейс, формирующий воксельный фантом расчётной области (позвонка и окрестности) в пакете данных для расчёта. На рис. 5.4 показана часть входного файла с описанием фантома, а на рис. 5.5 показан «срез» полученного фантома. C VERTEBROPLASTY MODULE C

100 0 -20 fill=99 IMP:P=1 C 101 0 20 -30 IMP:P=1

101 0 20 -30 IMP:P=0 C 999 0 30 IMP:P=0

C

C V O X E L P H A N T O M (75x88x28) C

C DIMENSIONS 5.08725x5.96904x2.80000 C

C 3-material test C

102 0 -10 U=99 LAT=1 IMP :P=1 FILL=0:74 0:87 0:27 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 Рисунок 5.4. Пример входного файла с воксельным фантомом для расчёта дозных полей по программе MCNP (малый фрагмент, полное количество строк в задании ~ 23200)

Рисунок 5.5. «Срез» позвонка на высоте 2.4 см (полная высота 2.8 см), полученная визуализатором из входного файла программы MCNP

Аналогичным образом был получен фантом позвонка для программы STAR-CD. На рисунке 5.6 представлен трехмерный фантом позвонка, используемый для прецизионных теплофизических расчетов. Данный фантом состоит из более чем 1.5 млн. ячеек.

Рисунок 5.6. Воксельный фантом позвонка

Выводы:

- Создано программное обеспечение для поддержки радионуклидной вертебропластики.

- Программное обеспечение позволяет не только предсказывать эффект от операции, но и оценивать его постфактум, что облегчает работу врача.

- Отработана технология получения воксельных фантомов из КТ-снимков.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Проведена серия натурных экспериментов и определены физические свойства костной ткани и цемента, а также выяснена динамика разогрева цемента при полимеризации.

2. Созданы воксельные фантомы позвонка для расчетов по переносу излучения и теплогидравлике, и смоделированы процессы нагревания и остывания позвонка, с учетом физиологических процессов в позвонке.

3. Рассчитаны дозы в позвонке при введении в него различных радионуклидов и их смесей. Выбраны два оптимальных для данной операции радионуклида - 188Re и 153Sm.

4. Оценены эффекты от сочетанного теплового и радиационного воздействия.

5. Оценена дозовая нагрузка на персонал для типичных сценариев вертебропластики.

6. Создано программное обеспечение для поддержки радионуклидной вертебропластики.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Алиев М.Д., Степанова А.М., Мусаев Э.Р., Валиев А.К., Гуторов С.Л. МЕТАСТАТИЧЕСКОЕ ПОРАЖЕНИЕ ПОЗВОНОЧНИКА У БОЛЬНЫХ РАКОМ МОЛОЧНОЙ ЖЕЛЕЗЫ. ФАКТОРЫ ПРОГНОЗА. // Сибирский онкологический журнал. 2015;1(3):61-67.

2. Daniele S, Sandro B, Salvatore I, et al. Natural history of non-small-cell lung cancer with bone metastases.//Sci Rep 2015

3. Джинджихадзе Р.С., Лазарев В.А., Горожанин А.В., Борзунов А.Н. и соавт. Перкутанная вертебропластика // Нейрохирургия 2005, №1, С 36-41.

4. Tomita K., Kawagara N., Baba H. Total en blocspondylectomy // Spine, 1997, 22, № 3, P. 324-333.

5. Trujillo R., Dugan V.L. Synergistic inactivation of viruses by heat and ionizing radiations // Biophys. J. - 1972. - Vol. 12. - P. 92-113.

6. Капеко T. S., Sehgal V., Skinner H.B., Al-Ghazi M. S., Ramsinghani N.S., Marques Miranda M., Keyak J.H. Radioactive bone cement for the treatment of spinal metastases: a dosimetric analysis of simulated clinical scenarious // Phys. Med.Biol. 57 (2012) 4387-4401.

7. Aebi M. Spinal metastasis in the elderly // Eur Spine J 2003; 12(suppl.2):S202-S213.

8. Пташников Д.А., Усиков В.Д., Корытова Л.И., Магомедов Ш.Ш. и соавт. Pathological fractures of spine caused by tumor: diagnostics and treatment tactic. First International Scientific Distance Congress on Spine and Spinal Cord Surgery "InterSpine - 2004", Saint-Petersburg, Russia, September, 2004, p. 36-38.

9. Bontoux D, Azais I. Cancer secondaire des os. Clinique et epidemiologie. In: Bontoux D, Alcalay M, eds. Cancer secondaire des Os. Paris: Expansion Scientifique Francaise;1997: 19-27.

10.Bascoulerque Y., Duquesnel J., Leclercq R., et al Percutaneous injection of methyl methacrylate in the vertebral body for the treatment of various diseases: percutaneous vertebroplasty // Radiology 1988; 169Р:372.

11.Yeong CH, Cheng MH, Ng KH . Therapeutic radionuclides in nuclear medicine: current and future prospects. // J Zhejiang Univ Sci B. 2014 Oct;15(10):8 45-63.

12. Сукач Г.Г., Саган Д.Л.,Солодянникова О.И., Войт Н.Ю. Самарий 153Sm оксабифор в комплексной терапии метастатического поражения костей // Клиническая онкология 2011, №4, С 23-27.

13.Palmedo H., Manka-Waluch A., Albers P. et al. Repeated bone-targeted therapy for hormone-refractory prostate carcinoma: randomized phase II trial with the new, high-energy radiopharmaceutical rhenium-188 hydroxyethylidenediphosphonate. // J. Clin. Oncol., 21: 2869-2875

14.Lepareur N, Lacreuille F, Bouvry C, Hindre F, Garcion E, Cherel M, Noiret N, Garin E, Knapp FFR Jr. Rhenium-188 Labeled Radiopharmaceuticals: Current Clinical Applications in Oncology and Promising Perspectives // Front Med (Lausanne). 2019 Jun 14;6:132.

15.Комарова Л.Н. Зависимость синергического взаимодействия гипертермии и ионизирующего излучения от интенсивности применяемых факторов // В кн. Физико-технические проблемы гарантии качества лучевой терапии. Обнинск, 2006. - С.77-78.

16.Мануковский В.А. Вертебропластика в лечении патологии позвоночника (клинико-экспериментальное исследование). Автореферат диссертации на соискание ученой степени д.м.н. - Санкт-Петербург, 2009, С. 45.

17.Белкина С.В., Семкина М.А., Крицкий Р.О., Петин В.Г. Математическое моделирование синергических эффектов последовательного терморадиационного воздействия на клетки млекопитающих // Радиационная биология, Радиоэкология 2010, 50, № 5, С 542-547.

18.Anselmetti GC, Bonaldi G, Carpeggiani P, Manfre L, Masala S, Muto M. Vertebral augmentation: 7 year experience // Acta Neurochir Suppl. 2011;108:147-61

19.Abrams HL, Spiro R, Goldstein N. Metastases in carcinoma. Analysis of 1000 autopsied cases // Cancer 1950; 3:74-85.

20.Alleyne CH, Jr, Rodts GE, Jr, Haid RW. Corpectomy and stabilisation with methylmethacrylate in patients with metastatic disease of the spine: a technical note. // J Spinal Disord 1995; 8(6): 439-443.

21.Barr JD, Barr MS, Lemley TJ,et al. Percutaneous vertebroplasty for pain relief and spinal stabilisation // Spine 2000; 25(8): 923-928.

22.Belkoff SM, Mathis JM, Erbe EM, et al. Biomechanical evaluation of a new bone cement for use in vertebroplasty// Spine 2000; 25(9):1061-1064.

23. Laredo JD, Reizine D, Bard M, Merland JJVertebral hemangiomas: radiologic evaluation// Radiology. 1986 Oct;161(1):183-9.

24. Александров Н.Н., Савченко Н.Е., Фрадкин С.Э. и др. Применение гипертермии и гипергликемии при лечении злокачественных опухолей. - М.: Медицина, 1980.

25.Кузин А.М., Цыб А.Ф., Ярмоненко С.П. и др. Теоретические основы использования некоторых модифицирующих агентов при лучевой терапии злокачественных новообразований //Радиобиология. - 1981.- Т. 21, Вып. 5. -С. 744-751.

26.Петин В.Г., Дергачева И.П., Романенко А.Г., Рябова С.В. Новая концепция оптимизации и прогнозирования эффектов синергизма при комбинированном воздействии химических и физических факторов окружающей среды //Российский химический журнал. - 1997. - Т. 41, № 3. -С. 96-104.

27.Dietzel F. Tumor und Temperatur. Aktuelle Probleme bei der Anwendung thermischer Verfahren in Oncologie und Strahlentherapie. // Munich, Berlin, Wien: Urban und Schwarzenberg, 1975.

28.Hahn G.W. Hyperthermia and Cancer. - N.-Y.: Plenum Press, 1982.

29. Коноплянников А.Г., Деденков А.Н., Курпешев О.К. и др. Локальная гипертермия в лучевой терапии злокачественных новообразований. - М.:ВНИИМИ, 1983.

30.Cancer Therapy by Hyperthermia, Drugs and Radiation. Proceed. Third International Symposium. Eds. by L.A.Dethlefsen, W.C.Dewey. - Bethesda: National Cancer Institute, 1982.

31.Hyperthermic Oncology. Ed. by J.Overgaard. London and Philadelphia: Taylor and Francis. - V. 1, 1984, V. 2,1985.

32. http:// osteoline/ru/products.

33.Добровольский Л.А. "Принцип максимума" при хроническом сочетанном воздействии радионуклидов и гипертермии и критерии гигиенического нормирования //Проблемы нормирования ионизирующих излучений в условиях воздействия модифицирующих факторов/Под ред. Л.А.Булдакова, В.С.Калистрато-вой. - М.: Минздрав РФ, 1991. - С. 250-255.

34.Бреслер С.Е., Бекетова А.Г., Носкин Л.А. и др.Термоиндуцированная радиорезистентность клеток Escherichia coli //Радиобиология. - 1984. - Т. 24., Вып. 5. - С. 50-57.

35.MCNP - A General Monte Carlo N-Particle Transport Code, Version 5. Volume I: Overview and Theory. Authors: X-5 Monte Carlo Team //LA-UR-03-1987.April 24, 2003.

36.Boland PJ, Lane JM, Sundaresan N. Metastatic disease of the spine // Clin Orthop 1982; 169:95.

37.3абарянский Ю.Г., Кураченко Ю.А. Выбор нуклидов и расчёт дозных полей при радионуклидной вертебропластике. Сборник докладов Международной школы-семинара по ядерным технологиям для студентов, аспирантов, молодых учёных и специалистов «Черемшанские чтения» 24-27 апреля 2012 г. ч. 2. Димитровград, 2012. - с. 91 - 98

38.Bostrom MP, Lane JM. Future directions. Augmentation of osteoporotic vertebral bodies // Spine 1997; 22(24suppl):38S-42S.

39. Нормы радиационной безопасности (НРБ-2009). Санитарные правила и нормативы // СанПиН 2.6.1.....-09.

40.Валиев М.А., Мусаев Э.Р., Тепляков В.В., Лукъянченко А.Б., Тюрин И.Е., Молчанов Г.В., Сетдиков Р.А., Мелузова О.М. Чрескожная

вертебропластика в онкологии / под ред. Алиева М.Д., Долгушина Б.И. Москва, ИНФРА-М, 2010, 71 с.

41.Алиев М.Д., Соколовский В.А. Высокотехнологичное лечение в онкоортопедии. - М., 2008, 24 с.

42.Комарова Л. Н. Комбинированное действие ионизирующего излучения и других факторов окружающей среды на живые организмы: новые закономерности и перспективы. Докторская диссертация, 2009

43.Petin V.G., Kim J.K., Kritsky R.O., Komarova L.N. Mathematical description, optimization and prediction of synergistic interaction of fluoride and xylitol // Chemosphere. Environmental Toxicology and Risk Assessment, 2008 -V.72. - Р. 844-849.

44.Петин В.Г., Жураковская Г.П. Влияние интенсивности действующих агентов на проявление синергического взаимодействия Радиационная биология.Радиоэкология, 2015.-N 6.-С.616-624

45.Loshek D.D., Orr J.S., Solomonidis E. Interaction of hyperthermia and radiation: a survival model. In: Cancer Therapy by Hyperthermia and Radiation. Eds.: Streffer C. et al. Baltimore-Munich, Urban&Schwarzenberg, 1978, pp. 211213.

46. Zaider M., Rossi H.H. The Synergistic effects of different radiations. Radiat. Res., 1980, vol. 83, no. 3, pp. 732-739.

47.STAR-CD®. Доступно по адресу CD-adapco Engineering Simulation Software - CAE and CFD Software

48.Канал. Теплогидравлический код. Описание численной схемы кода КАНАЛ.// Отчет о НИР. Том 7. Обнинск: ЭНИМЦ МС, 2008, 95 с.

49. Мардынский Ю.С. Курпешев О.К. Локальная электромагнитная гипертермия в лечении злокачественных опухолей методическое пособие для врачей, Обнинск 2001

50.Петин В.Г., Комарова Л.Н. Значимость синергического взаимодействия ионизирующего излучения и других вредных факторов для

усиления последствий чернобыльской аварии // Радиация и риск, 2006. - Т. 15, № 1-2. - С.85-113.

51. Dethlefsen L.A., Dewey W.C. (Eds.) Third International Symposium: Cancer Therapy by Hyperthermia,Drugs and Radiation. - Bethesda: National Cancer Institute Monograph 61, 1982. - 500 p.

52. Hahn G.W. Hyperthermia and Cancer. - N.-Y.: Plenum Press, 1982. -

285 p

53.Leenhouts H.P., Sijsma M.J., Cebulska-Wasilewska A., Chadwick K.H. The combined effect of DBE and X-rays on the induction of somatic mutations in Tradescantia //Int. J. Radiat. Biol. - 1986. - V. 49. - P. 109119.

54.Li G.C., Evans R.G., Hahn G.M. Modification and inhibition of repair of potentially lethal X-ray damage by hyperthermia //Radiat. Res. - 1976. - V. 67. - P. 491-501.

55.Murthy M.S.S., Deorukhakar V.V., Rao B.S. Hyperthermic inactivation of diploid yeast and interaction of damage caused by hyperthermia and ionizing radiation //Int. J. Radiat. Biol. - 1979. - V. 35. - P. 333-341.

56.Mills M.D., Meyn R.E. Effects of hyperthermia on repair of radiation-induced DNA strand breaks //Radiat. Res. - 1981. - V. 87. - P. 314-328.

57.Ohshima M., Ward J. Dietary iodine deficiency as a tumor promotor and carcinogen in male F344/NCr rats //Cancer Res. - 1986. - V. 46. - P. 877-883

58.Pakhomova O.N., Tsyb T.S. Mutagenous effect and the mitotic crossing-over induction in yeasts under combined exposure to alpha-particles and gamma-rays //In: Molecular Mechanisms in Radiation Mutagenesis and Carcinogenesis /Eds. K.H. Chadwick, R. Cox, H.P. Leenhouts, J. Thacker. - Brussels: European Commission, 1994. - P. 203-206.

59. Petin V.G., Berdnikova I.P. Effect of elevated temperatures on the radiation sensitivity of yeast cells of different species //Radiat. Environm. Biophys. - 1979. - V. 16. - P. 49-61.

60. Petin V.G., Berdnikova I.P. Responses of yeast cells to heat applied alone or combined with gamma-rays //Int. J. Radiat. Biol. - 1981. - V. 39. - P. 281290.

61. Petin V.G., Kim J.K. Universal rules of synergistic interaction and their significance in EMF application //WHO Meeting on EMF Biological Effects and Standards Harmonization in Asia and Oceania. - Seoul, Korea, 2001. - P. 116.

62.Petin V.G., Kim J.K., Rassokhina A.V., Zhurakovskaya G.P. Mitotic recombination and inactivation in Saccharomyces cerevisiae induced by (254 nm) radiation and hyperthermia depend on UV fluence rate //Mutation Research. -2001. - V. 478. - P. 169-176.

63. Petin V.G., Komarov V.P. Mathematical description of synergistic interaction of hyperthermia and ionizing radiation //Mathem. Biosci. - 1997. - V. 146. - P. 115-130.

64.Raaphorst G.P., Azzam E.I., Feeley M.M. Potentially lethal radiation damage repair and its inhibition by hyperthermia in normal hamster cells, mouse cells, and transformed mouse cells //Radiat. Res. - 1988. - V. 113. - P. 171-182.

65.Reynolds M.C., Brannen J.P. Thermal enhancement of radiosterilization //Radiation Preservation of Food.- Vienna: International Atomic Energy Agency, 1973. - P. 165-176.

66.Reynolds M.C., Garst D.M. Optimizing thermal and radiation effects for bacterial inactivation //Space Life Sci. - 1970. - V. 2. - P. 394-399.

67.Segaloff A., Pettigrew H.M. Effect of radiation dosage on the synergism between radiation and estrogen in the production of mammary cancer in the rat //Cancer Res. - 1978. - V. 38. - P. 3445-3452.

68. Shakhtarin V.V., Tsyb A.F., Stepanenko A.F., Lushnikov E.F., Snykov V.P., Orlov M.Yu., Trofimova S.F. Iodine deficiency and thyroid cancer morbidity following the accident at the Chernobyl power plant //Radiation and Thyroid Cancer /Ed. by G. Thomas, A. Karaoglou, E.D. Williams. - Singapure, New Jersey, London, Hong Kong: Word Scientific, 1999. - P. 277-282.

69. Stewart F.A., Denekamp J. Combined X-rays and heating: is there a therapeutic gain? //In: Cancer Therapy by Hyperthermia and Radiation /Ed. by C. Streffer. - Baltimore-Munich: Urban & Schwarzenberg, 1978.- P. 249-250.

70.Streffer C., Müller W.-U. Radiation risk from combined exposures to ionizing radiations and chemicals //Adv. Radiat. Biol. - 1984. - V. 11. - P. 173-210.

71.Streffer C., Vaupel P., Hahn G. Biological Basis of Oncologic Thermotherapy. - Berlin: Springer Verlag, 1990. - 418 p.

72.Tobias C.A. The repair-misrepair model in radiobiology: comparison to other models //Radiat. Res. - 1985. -V. 104, Suppl. 8, part 2. - P. 77-95.

73.Trujillo R., Dugan V.L. Synergistic inactivation of viruses by heat and ionizing radiations //Biophys. J. -1972. - V. 12. - P. 92-113.

74.Urano M., Kahn J., Majima H., Gerweck L.E. The cytotoxic effect of cis-diamminedichloroplatinum (II) on culture Chinese hamster ovary cells at elevated temperatures: Arrhenius plot analysis //Int. J. Hyperthermia.- 1990. - V. 6. - P. 581-590.

75. Zaider, M., Rossi H.H. The synergistic effects of different radiations //Radiat. Res. - 1980. - V. 83. - P. 732739.

76.Zyb A.F., Petin V.G., Rudakov I.A. Some regularities of cell radiosensitivity modification //Studia Bio-physica. - 1981. - V. 86. - P. 43-44.

77.Kappos A., Pohlit W.A. A cybernetic model for radiation reaction in living cells. Sparsely-ionising radiation: stationary cells //Int. J. Radiat. Biol. 1972. V. 22, N 1. P. 51-65.

78.Brannen J.P. A temperature- and dose rate-dependent model for the kinetics of cellular response to ionising radiation //Radiat. Res. 1975. V. 62, N 3. P. 379-387.

79.Jain V.K., Pohlit W. Biocybirnetics of Cancer. Optimizing Cancer Treatment with Ionizing Radiations. Banglore: INSDOC, 1986. 207 c.

80. Barendsen G.W. Interaction of the LET dependence of radiation induced lethal and sublethal lesions in mammalian cells //Biophysical Modelling of

Radiation Effects /Eds.: Chadwick K.H., Mschini G. and Varma M.N. Bristol: Adam Hilger, 1992. P. 13-20.

81.Curtis S.B. Application of the LPL model to mixed radiations cells //Biophysical Modelling of Radiation Effects /Eds.: Chadwick K.H., Mschini G. and Varma M.N. Bristol: Adam Hilger, 1992. P. 21-28.

82.Zaider M., Branner D.J. The application of the principle of «dual radiation action» in biophysical modelling cells //Biophysical Modelling of Radiation Effects /Eds.: Chadwick K.H., Mschini G. and Varma M.N. Bristol: Adam Hilger, 1992. P. 37-46.

83.Leenhouts H.P., Chadwick K.H. An analysis of synergistic sensitization //Brit. J. Cancer. 1978. V. 37, Suppl. III. P. 198-201.