Кибернож
Кибер-нож (англ. CyberKnife) — радиохирургическая система производства компании Accuray, предназначенная для лечения доброкачественных и злокачественных опухолей и при других показаниях. Разработана в 1992 году профессором нейрохирургии и радиационной онкологии Стенфордского университета (США) Джоном Адлером и Питером и Расселом Шонбергами из Schonberg Research Corporation. Изготавливается компанией Accuray, штаб-квартира которой находится в г.Саннивейл, штат Калифорния.
Метод воздействия системы основан на лучевой терапии с целью более точного воздействия чем при обычной лучевой терапии Два основных элемента системы: (1) Небольшой линейный ускоритель создающий излучение и (2) роботехническое устройство позволяющее направлять энергию на любую часть тела с любого направления.
По заявлению производителя, в настоящее время в мире установлено около 250 установок кибер-ножа, более 100 000 пациентов получили лечение. Большинство из этих установок находится в клиниках США, на втором месте — Япония. В меньшей степени — в странах Европы и Азии.
Содержание
Основные характеристики
Источник излучения установлен на промышленном многоцелевом роботе. На оригинальной установке CyberKnife использовался японский робот производства компании Fanuc, на более современных системах используется робот производства немецкой компании KUKA KR 240. На роботе установлен портативный линейный ускоритель с полосой излучения в рентгеновском диапазоне, который может облучать объект с показателем 600 cGy в минуту. Американское общество лучевой онкологии (ASTRO) объявило о появлении модели с показателем излучения в 800 cGy в минуту. Излучение коллимируется посредством вольфрамовых коллиматоров (также называемых конусами) создающих круговые поля излучения. В настоящее время применяются поля излучения шириной в 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 20; 25; 30; 35; 40; 50 и 60 мм. ASTRO 2007 также увидело применение коллиматора с изменяемой апертурой IRIS в котором используется два набора из шести призматических вольфрамовых сегментов для формирования размытого устойчивого поля в виде двенадцатиугольника что снимает необходимость настройки для фиксации коллиматоров. Монтаж источника излучения на роботе позволяет получить почти полную свободу в положении источника в пространстве близ пациента и моментальное перемещение источника, что позволяет облучать с самых различных направлений без необходимости перемещения, как пациента, так и источника, которая возникает при использовании современных конструкций.
Управление изображением
Система CyberKnife использует систему управления изображением. Камеры рентгеновского изображения располагаются вокруг пациента, благодаря чему получаются мгновенные рентгеновские изображения.
Первоначальный метод (который всё ещё используется) – метод 6D или отслеживание положения черепа. Изображения рентгеновской камеры сравниваются с библиотекой анатомических изображений пациента сгенерированных компьютером. Радиоизображения реконструированные цифровым способом (DRR) и компьютерный алгоритм определяют, какие коррекции движения робота необходимы в связи с движениями пациента. Система изображений позволяет киберножу излучать с точностью до 0,5 мм без использования механических зажимов прикрепляемых к голове пациента.. Использование техники построения изображений относится к бескаркасной стереотаксической радиохирургии. Этот метод считается 6D поскольку коррекции производятся вращательными и поступательными движениями в трёх направлениях (X,Y и Z). Следует отметить что необходимо использовать некоторые анатомические и искусственные особенности для ориентации робота при излучении рентгеновского излучения, поскольку опухоль никак не может быть в достаточной степени определена (если она полностью видима) на изображениях рентгеновской камеры.
Для работы с опухолями спины и лёгких доступны дополнительные методы контроля изображений. Для опухолей спины используется вариант называемый Xsight-Spine. Вместо сбора изображеий черепа при этом методе используются изображения спинальных процессов. В то время как череп имеет жёсткую неизменяемую структуру позвонки могут двигаться относительно друг друга поэтому необходимо применять алгоритмы искривления изображения для коррекции искажений изображений рентгеновской камеры.
Недавно было внесено Xsight-Lung - усовершенствование метода Xsight позволяющее отслеживать положение некоторых лёгочных опухолей без имплантации сравнительных маркеров.
Для некоторых опухолей мягких тканей может быть использован метод отслеживания сравнительного положения.. Небольшие металлические маркеры изготавливаются из золота (для биологической совместимости) высокой плотности для получения хорошего контраста рентгеновских изображений имплантируются в пациента хирургическим путём. Процедуру производит интервенционный радиолог или нейрохирург. Размещение маркеров – критический шаг для метода. Если они окажутся слишком далеко от местоположения опухоли или не будут достаточно рассеяны друг относительно друга, станет невозможным точно распределить облучение. Как только маркеры размещаются на местах, они отображаются на сканере CT, система контроля изображения программируется в соответствии с их позицией. После получения изображений рентгеновской камерой определяется положение опухоли относительно маркеров и осуществляется облучение любой части человеческого тела. Таким образом, метод сравнительного отслеживания не требует какой-либо анатомии скелета для позиционирования облучения. Тем не менее, известно, что маркеры могут мигрировать и это ограничивает точность лечения, если оно не могло быть проведено в надлежащее время между моментом имплантации и лечением для стабилизации маркеров.
Система Кибернож также может использовать т.н. систему или метод синхронизации. При этом методе используется комбинация имплантируемых фидуциарных маркеров (в обычном случае небольших маркеров из золота хорошо видимых на рентгеновских изображениях) и светоизлучающие оптические волокна (LED-маркеры), устанавливаемые на коже пациента. Их положение также отмечается следящей инфракрасной камерой. Поскольку опухоль постоянно движется рентгеновские камеры, требующиеся для получения постоянного изображения, требуют запрещённых уровней излучения попадающего на кожу пациента. Система синхронизации предотвращает эту неприятность, периодически получая изображение внутренних маркеров и вычисляя модель связи между движением внешних LED-маркеров и внутренних маркеров. Метод получил такое название, поскольку для синхронизации двух потоков данных необходимы временные отметки с двух датчиков (рентгеновских инфракрасных LED).
Для предотвращения скрытых перемещений робота и изменений изображения используется прогнозирование движения. Перед началом лечения компьютерный алгоритм создаёт модель корреляции, отвечающую на вопрос о взаимосвязи движения внутренних маркеров в сравнении с движением внешних маркеров. В ходе лечения система периодически отмечает положение внутренних маркеров и соответственного положение опухоли, основанное на движении накожных маркеров. Во время лечения корреляционная модель обновляется в ходе фиксированных временных шагов. Таким образом, при методе отслеживания синхронизации не делаются предположения о регулярности или воспроизводимости характера дыхания пациента.
Для правильной работы системы синхронизации необходимо, чтобы для любой корреляционной модели существовала функциональная зависимость между маркерами и внутренними фидуциарными маркерами. Размещение внешнего маркера также важно, маркеры обычно размещаются в животе пациента, благодаря чему их движение отражает внутреннее движение диафрагмы и лёгких. Метод синхронизации был изобретён в 1998. Первые пациенты прошли лечение в больнице Кливленда в 2002. Этот метод используется главным образом при онкологических заболеваниях, таких как опухоли лёгких и поджелудочной железы.
RoboCouch
Для изменения позиции пациентов при лечении используется робототехническое ложе с шестью степенями свободы, называемая RoboCouch.
Безрамная основа
Безрамная основа системы CyberKnife также повышает клиническую эффективность. В традиционной основанной на применении рамы радиохирургии точность вмешательства зависит только от соединения жёсткой рамы с пациентом. Рама прикрепляется к черепу пациента инвазивным алюминиевыми или титановыми шурупами. Система CyberKnife единственное радиохирургическое устройство, не требующее рамы для точного определения цели. После установления рамы относительные позиции человеческой анатомии могут определяться сканерами CT или МРТ. После сканирования врач может спланировать облучение, используя выделенную компьютерную программу, и рама убирается. Таким образом, использование рамы требует выполнения линейной последовательности событий, прежде чем можно будет лечить следующего пациента. Поэтапная радиохирургия посредством системы CyberKnife даёт особенную выгоду пациентам, которые до этого получали большие дозы обычной радиотерапии и пациентам, имеющим глиомы близ критических областей мозга. В отличие от радиотерапии всего мозга которая может проводиться ежедневно в течение нескольких недель радиохирургия обычно может быть выполнена за 1-5 лечебных сеанса. Радиохирургия может применяться в одиночку для лечения опухолей мозга или в совокупности с хирургией или радиотерапией всего мозга, что зависит от специфических клинических обстоятельств.
In iterative optimization, simplex optimization, or Sequential Optimization, the solution set can consist of the sum of the number of isocentrically targeted beams and non-isocentrically targeted beams. Therefore, the maximum number of potential beams in a single treatment plan is 10,256 beams, if 32 isocenters are targeted and 12 collimators are used to generate a treatment plan using Sequential Optimization.
— CK's Physics Essential Guide
Другой особенностью этой системы является наличие ряда трекинговых систем, которые отслеживают расположение опухоли в пространстве, в том числе в режиме реального времени. Это позволяет автоматически подстраивать наведение пучка во время сеанса лечения, что обеспечивает высокую (субмиллиметровую) точность не только позиционирования ускорителя, но и самого облучения без жёсткой фиксации пациента, то есть без стереотаксической рамки, которая крепится к черепу пациента, например, при лечении «Гамма-ножом». Слежение обеспечивается двумя парами «рентгеновская трубка — детектор на аморфном кремнии», изображения с которых поступают в компьютер, который обрабатывает их и создаёт стереоскопическое изображение. Ориентирами для этой системы служат костные структуры пациента, рентгеноконтрастные метки и в случае достаточного контраста — сама опухоль. При радиохирургическом лечении области лёгких во время дыхания происходит смещение опухоли в пространстве. Комплекс трекинговых систем Кибер-ножа позволяет проводить точное лечение, не ограничивая дыхание пациента, моделируя позицию терапевтической мишени по положению ИК датчиков на теле пациента (то есть по дыхательной экскурсии). Высокая точность позиционирования пучка ионизирующего излучения позволяет применять в лечении пациента намного большие дозы излучения за сеанс, что позволяет сократить курс лечения от нескольких недель до одного-пяти дней.
Клиническое применение
С августа 2001 Управление по санитарному надзору (США) разрешило использовать систему CyberKnife для лечения опухолей в любых частях человеческого тела. Система используется для лечения опухолей поджелудочной железы, печени , простаты, позвоночника, рака горла и мозга и доброкачественных опухолей.
Ни одно исследование не выявило какого-либо превышения показателя выживания при использования системы по сравнению с другими методами. С увеличением точности облучения растёт возможность увеличения дозы и возможно последующее увеличение эффективности, особенно в местных коэффициентах. При этом объёмы исследований были ограничены, и необходимы более обширные исследования для определения изменения показателя выживания
В 2008 на установке CyberKnife проходил лечение актёр Патрик Суэйзи.