Введение
Радиохирургия – это хирургическая процедура с использованием излучения, то есть уничтожение точно выбранных участков ткани с помощью ионизирующего излучения, а не иссечения скальпелем. Как и другие формы лучевой терапии (также называемой радиотерапией), она обычно используется для лечения рака. Радиохирургия была первоначально определена шведским нейрохирургом Ларсом Лекселлем как «единичная высокая доза излучения, стереотаксически направленная на интересующую область внутричерепной локализации». В стереотаксической радиохирургии (СРХ) термин «стереотаксическая» относится к трехмерной системе координат, обеспечивающей точную корреляцию виртуальной мишени, видимой на диагностических изображениях пациента, с фактическим положением мишени у пациента. Стереотаксическая радиохирургия также может называться стереотаксической лучевой терапией тела (СЛТТ) или стереотаксической абляционной радиотерапией (САБР) при использовании вне центральной нервной системы (ЦНС). Первая попытка заменить электроды излучением была предпринята в начале 1950-х годов с использованием рентгеновских лучей. Принцип этого прибора заключался в воздействии на внутричерепную мишень узкими пучками излучения, направленными с нескольких сторон. Пути лучей сходятся в объеме мишени, доставляя смертельную кумулятивную дозу излучения, ограничивая при этом дозу для прилегающих здоровых тканей. Десять лет спустя был достигнут значительный прогресс, во многом благодаря вкладу физиков Курта Лидена и Бьёрна Ларссона. В это время стереотаксические протонные пучки заменили рентгеновские лучи. Пучок тяжелых частиц представлял собой отличную замену хирургическому ножу, но синхроциклотрон был слишком громоздким. Лекселл приступил к разработке практичного, компактного, точного и простого инструмента, которым мог бы управлять сам хирург. В 1968 году это привело к созданию Гамма-ножа, который был установлен в Каролинском институте и состоял из нескольких радиоактивных источников кобальта-60, помещенных в шлем с центральными каналами для облучения гамма-лучами. Этот прототип был разработан для создания радиационных поражений, подобных разрезам, для функциональных нейрохирургических процедур при лечении боли, двигательных расстройств или поведенческих расстройств, не поддающихся стандартному лечению. Успех этого первого устройства привел к созданию второго аппарата, содержащего 179 источников кобальта-60. Этот второй Гамма-нож был разработан для создания сферических поражений при лечении опухолей головного мозга и внутричерепных артериовенозных мальформаций (АВМ). В 1980-х годах были установлены дополнительные установки, все с 201 источником кобальта-60. Параллельно с этими разработками аналогичный подход был разработан для линейного ускорителя частиц или Линака. Установка первого клинического линейного ускорителя мощностью 4 МэВ началась в июне 1952 года в Радиотерапевтическом исследовательском отделении Медицинского исследовательского совета (MRC) в больнице Хаммерсмит в Лондоне. Система была передана для физических и других испытаний в феврале 1953 года и начала лечение пациентов 7 сентября того же года. Тем временем работа в Стэнфордской микроволновой лаборатории привела к разработке ускорителя мощностью 6 МэВ, который был установлен в Стэнфордской университетской больнице, Калифорния, в 1956 году. Линаки быстро стали предпочтительными устройствами для традиционной фракционированной лучевой терапии, но специализированная радиохирургия на основе Линака стала реальностью только в 1980-х годах. В 1982 году испанский нейрохирург J. Barcia Salorio начал оценивать роль кобальт-генерируемой, а затем основанной на Линаке фотонной радиохирургии при лечении АВМ и эпилепсии. В 1984 году Бетти и Деречинский описали радиохирургическую систему на основе Линака. Уинстон и Лутц усовершенствовали прототипы радиохирургии на основе Линака, включив улучшенное стереотаксическое устройство позиционирования и метод измерения точности различных компонентов. С использованием модифицированного Линака первый пациент в Соединенных Штатах был пролечен в Бостонской больнице Бригама и женщин в феврале 1986 года.
Radiosurgery is surgery using radiation, that is, the destruction of precisely selected areas of tissue using ionizing radiation rather than excision with a blade. Like other forms of radiation therapy (also called radiotherapy), it is usually used to treat cancer. Radiosurgery was originally defined by the Swedish neurosurgeon Lars Leksell as "a single high dose fraction of radiation, stereotactically directed to an intracranial region of interest". In stereotactic radiosurgery (SRS), the word "stereotactic" refers to a three dimensional coordinate system that enables accurate correlation of a virtual target seen in the patient's diagnostic images with the actual target position in the patient. Stereotactic radiosurgery may also be called stereotactic body radiation therapy (SBRT) or stereotactic ablative radiotherapy (SABR) when used outside the central nervous system (CNS). The first attempt to supplant the electrodes with radiation was made in the early fifties, with x rays. The principle of this instrument was to hit the intra cranial target with narrow beams of radiation from multiple directions. The beam paths converge in the target volume, delivering a lethal cumulative dose of radiation there, while limiting the dose to the adjacent healthy tissue. Ten years later significant progress had been made, due in considerable measure to the contribution of the physicists Kurt Liden and Börje Larsson. At this time, stereotactic proton beams had replaced the x rays. The heavy particle beam presented as an excellent replacement for the surgical knife, but the synchrocyclotron was too clumsy. Leksell proceeded to develop a practical, compact, precise and simple tool which could be handled by the surgeon himself. In 1968 this resulted in the Gamma Knife, which was installed at the Karolinska Institute and consisted of several cobalt 60 radioactive sources placed in a kind of helmet with central channels for irradiation with gamma rays. This prototype was designed to produce slit like radiation lesions for functional neurosurgical procedures to treat pain, movement disorders, or behavioral disorders that did not respond to conventional treatment. The success of this first unit led to the construction of a second device, containing 179 cobalt 60 sources. This second Gamma Knife unit was designed to produce spherical lesions to treat brain tumors and intracranial arteriovenous malformations (AVMs). Additional units were installed in the 1980s all with 201 cobalt 60 sources. In parallel to these developments, a similar approach was designed for a linear particle accelerator or Linac. Installation of the first 4 MeV clinical linear accelerator began in June 1952 in the Medical Research Council (MRC) Radiotherapeutic Research Unit at the Hammersmith Hospital, London. The system was handed over for physics and other testing in February 1953 and began to treat patients on 7 September that year. Meanwhile, work at the Stanford Microwave Laboratory led to the development of a 6 MeV accelerator, which was installed at Stanford University Hospital, California, in 1956. Linac units quickly became favored devices for conventional fractionated radiotherapy but it lasted until the 1980s before dedicated Linac radiosurgery became a reality. In 1982, the Spanish neurosurgeon J. Barcia Salorio began to evaluate the role of cobalt generated and then Linac based photon radiosurgery for the treatment of AVMs and epilepsy. In 1984, Betti and Derechinsky described a Linac based radiosurgical system. Winston and Lutz further advanced Linac based radiosurgical prototype technologies by incorporating an improved stereotactic positioning device and a method to measure the accuracy of various components. Using a modified Linac, the first patient in the United States was treated in Boston Brigham and Women's Hospital in February 1986.
21 век
Технологические усовершенствования в медицинской визуализации и вычислительной технике привели к расширению клинического применения стереотаксической радиохирургии и увеличению ее возможностей в 21-м веке. Точность локализации, заложенная в самом термине "стереотаксическая", остается первостепенной важностью для радиохирургических вмешательств и значительно повышается благодаря технологиям визуального контроля, таким как N-локализатор и Sturm Pastyr-локализатор, изначально разработанным для стереотаксической хирургии. В 21-м веке первоначальная концепция радиохирургии расширилась, включив в себя лечение, состоящее до пяти фракций, и стереотаксическая радиохирургия была переопределена как самостоятельная нейрохирургическая дисциплина, использующая внешне генерируемое ионизирующее излучение для инактивации или уничтожения четко определенных мишеней, как правило, в головном мозге или позвоночнике, без необходимости хирургического разреза. Несмотря на сходство между стереотаксической радиохирургией и фракционной лучевой терапией, механизм достижения лечебного эффекта несколько различается, хотя оба метода лечения демонстрируют сопоставимые результаты при определенных показаниях. Стереотаксическая радиохирургия делает больший акцент на доставке точных, высоких доз в небольшие области для уничтожения целевой ткани с одновременным сохранением прилегающих здоровых тканей. Тот же принцип используется и в традиционной лучевой терапии, хотя чаще применяются более низкие дозы, распределенные по большей площади (например, при ВМАТ-терапии). Фракционная лучевая терапия в большей степени опирается на различную радиочувствительность мишени и окружающей здоровой ткани к общей накопленной дозе облучения. В настоящее время оба метода лечения являются взаимодополняющими: опухоли, устойчивые к фракционной лучевой терапии, могут хорошо реагировать на радиохирургию, а опухоли, слишком большие или расположенные слишком близко к критически важным органам для безопасной радиохирургии, могут быть подходящими кандидатами для фракционной лучевой терапии. Ведущие производители, Varian и Elekta, предлагают специализированные линейные ускорители для радиохирургии, а также аппараты, предназначенные для традиционного лечения с возможностями радиохирургии. Существуют системы, предназначенные для расширения возможностей обычных линейных ускорителей за счет технологий формирования пучка, планирования лечения и инструментов визуального контроля. Примером специализированного линейного ускорителя для радиохирургии является CyberKnife – компактный линейный ускоритель, установленный на роботизированной руке, которая перемещается вокруг пациента и облучает опухоль из множества фиксированных позиций, имитируя концепцию Gamma Knife.
Механизм действия
Основной принцип радиохирургии заключается в селективной ионизации тканей посредством высокоэнергетических пучков излучения. Ионизация – это процесс образования ионов и свободных радикалов, которые повреждают клетки. Эти ионы и радикалы, образующиеся из воды в клетке или биологических материалов, могут вызывать необратимые повреждения ДНК, белков и липидов, приводящие к гибели клетки. Таким образом, биологическая инактивация происходит в объеме ткани, подлежащей лечению, с точным разрушительным эффектом. Доза излучения обычно измеряется в граях (один грай (Gy) – это поглощение одного джоуля энергии на килограмм массы). Единицей, которая стремится учитывать как различные органы, подвергающиеся облучению, так и тип излучения, является зиверт, описывающий как количество поглощенной энергии, так и ее биологическую эффективность.
Клинические применения
При использовании вне ЦНС это может называться стереотаксической лучевой терапией тела (СЛТТ) или стереотаксической абляционной радиотерапией (САБР).
Мозг и позвоночник
Радиохирургия выполняется мультидисциплинарной командой нейрохирургов, радиоонкологов и медицинских физиков для эксплуатации и обслуживания высокотехнологичного, высокоточного и сложного оборудования, включая медицинские линейные ускорители, установки Gamma Knife и Cyberknife. Высокоточное облучение мишеней в головном и спинном мозге планируется на основе данных, полученных с помощью компьютерной томографии, магнитно-резонансной томографии и ангиографии. Радиохирургия в первую очередь показана для терапии опухолей, сосудистых поражений и функциональных расстройств. При применении данной методики требуется значительный клинический опыт, необходимо учитывать тип поражения, при наличии – его патологию, размер, локализацию, возраст пациента и общее состояние его здоровья. Общими противопоказаниями к радиохирургии являются чрезмерно большой размер целевого поражения или слишком большое количество поражений для практического лечения. Пациенты могут лечиться амбулаторно в течение одного-пяти дней. Для сравнения, средняя продолжительность госпитализации при краниотомии (традиционной нейрохирургии, требующей вскрытия черепа) составляет около 15 дней. Эффект от радиохирургии может стать очевидным лишь спустя несколько месяцев после лечения. Поскольку радиохирургия не удаляет опухоль, а биологически инактивирует ее, отсутствие роста поражения обычно считается признаком успешного лечения. К общим показаниям для радиохирургии относятся различные виды опухолей головного мозга, такие как невриномы слухового нерва, герминомы, менингиомы, метастазы, невралгия тройничного нерва, артериовенозные мальформации и опухоли основания черепа, среди прочих. Стереотаксическая радиохирургия при метастазах в позвоночник эффективна для контроля боли в 90% случаев и обеспечивает стабильность опухолей по данным визуализации в 95% случаев, особенно при поражении одного или двух сегментов позвоночника. В то же время, традиционная дистанционная лучевая терапия более подходит при множественном поражении позвоночника.
Комбинированная терапия
SRS может применяться как самостоятельный метод лечения, так и в сочетании с другими терапиями. При метастазах в головном мозге к вариантам лечения относятся лучевая терапия всего мозга (ЛТВМ), хирургическое вмешательство и системная терапия. Однако недавний систематический обзор не выявил различий во влиянии на общую выживаемость или смертность от метастазов в головном мозге при сравнении лечения только SRS с комбинацией SRS и ЛТВМ, или только ЛТВМ.
Другие органы
Расширение применения стереотаксической лучевой терапии для лечения других опухолей растет и включает рак печени, рак легких, рак поджелудочной железы и другие виды рака.
Риски
В декабре 2010 года газета The New York Times сообщила о случаях передозировки радиации при использовании метода радиохирургии с помощью линейного ускорителя, что во многом было связано с недостаточными мерами предосторожности в оборудовании, модернизированном для стереотаксической радиохирургии. В США эти устройства регулируются Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов (FDA), в то время как Гамма-нож регулируется Комиссией по ядерному регулированию. Это указывает на то, что иммунотерапия может быть эффективна при лечении радиационного некроза, возникающего после стереотаксической лучевой терапии.
Типы источников излучения
Выбор подходящего типа излучения и аппарата зависит от множества факторов, включая тип поражения, его размер и расположение по отношению к критически важным структурам. Данные указывают на то, что со всеми различными техниками можно достичь схожих клинических результатов. Важнее, чем используемый аппарат, являются вопросы, касающиеся показаний к лечению, суммарной поглощенной дозы, схемы фракционирования и соответствия плана лечения.
Гамма-нож
Гамма-нож (также известный как Leksell Gamma Knife) используется для лечения опухолей головного мозга путем доставки высокоинтенсивной гамма-лучевой терапии, сконцентрированной на небольшом объеме. Устройство было изобретено в 1967 году в Каролинском институте в Стокгольме, Швеция, Ларсом Лекселлом, нейрохирургом Ладислау Штайнером, родившимся в Румынии, и радиобиологом Бьёрном Ларссоном из Университета Уппсалы, Швеция. Гамма-нож обычно содержит 201 источник кобальта-60 мощностью приблизительно 30 кюри каждый (1,1 ТБк), расположенных в полусферическом массиве в сильно защищенном корпусе. Устройство направляет гамма-излучение в целевую точку в мозге пациента. Пациент надевает специальный шлем, который хирургически фиксируется к черепу, обеспечивая неподвижность опухоли мозга в точке фокусировки гамма-лучей. Таким образом, аблятивная доза излучения направляется через опухоль за один сеанс лечения, при этом окружающие ткани мозга подвергаются минимальному воздействию. Гамма-ножевая терапия, как и вся радиохирургия, использует дозы радиации для уничтожения раковых клеток и уменьшения размеров опухолей, доставляемые с высокой точностью, чтобы избежать повреждения здоровой ткани мозга. Радиохирургия с использованием гамма-ножа позволяет точно фокусировать множество пучков гамма-излучения на одну или несколько опухолей. Интенсивность каждого отдельного пучка относительно низкая, поэтому излучение оказывает незначительное воздействие на промежуточные ткани мозга и концентрируется непосредственно в опухоли. Радиохирургия с использованием гамма-ножа доказала свою эффективность у пациентов с доброкачественными или злокачественными опухолями головного мозга размером до, сосудистыми мальформациями, такими как артериовенозная мальформация (АВМ), болевыми синдромами и другими функциональными нарушениями. При лечении невралгии тройничного нерва процедуру можно применять повторно. Острые осложнения после радиохирургии с использованием гамма-ножа встречаются редко, и их возникновение связано с лечением основного заболевания.
Лечение на основе линейных ускорителей
Линейный ускоритель (ЛИНАК) производит рентгеновские лучи в результате столкновения ускоренных электронов с мишенью из материала с высоким атомным номером, обычно вольфрама. Этот процесс также называют «рентгенотерапией» или «фотонной терапией». Головка излучателя, или «гартри», механически вращается вокруг пациента по полной или частичной окружности. Стол, на котором лежит пациент, – «кушетка», также может перемещаться небольшими линейными или угловыми шагами. Комбинация движений гартри и кушетки позволяет проводить компьютерное планирование объема ткани, подлежащей облучению. Для лечения головного мозга часто используются устройства с высокой энергией 6 МэВ из-за глубины расположения мишени. Диаметр энергетического пучка, выходящего из головки излучателя, можно регулировать в соответствии с размером поражения с помощью коллиматоров. Это могут быть сменные отверстия различного диаметра, обычно от 5 до 40 мм с шагом 5 мм, или многолистовые коллиматоры, состоящие из множества металлических пластин, которые можно динамически перемещать во время лечения для формирования пучка излучения в соответствии с объемом ткани, подлежащей абляции. К 2017 году ЛИНАКи могли достигать чрезвычайно узких геометрий пучка, например, от 0,15 до 0,3 мм. Поэтому их можно использовать для проведения ряда операций, которые ранее выполнялись открытым или эндоскопическим способом, например, при невралгии тройничного нерва. Данные долгосрочного наблюдения показали, что они столь же эффективны, как радиочастотная абляция, но менее эффективны, чем хирургическое вмешательство, в предотвращении рецидива боли. Первые такие системы были разработаны Джоном Р. Адлером, профессором нейрохирургии и радиоонкологии Стэнфордского университета, и Расселом и Питером Шонбергами в Schonberg Research и коммерциализированы под брендом CyberKnife.
Протонная терапия
Протоны также могут использоваться в радиохирургии в процедуре, называемой протонной терапией (ПБТ) или терапией протоновым лучом. Протоны извлекаются из материалов-источников протонов с помощью медицинского синхротрона или циклотрона и ускоряются последовательными проходами через кольцеобразный, эвакуированный канал или резонатор, используя мощные магниты для формирования их траектории, пока они не достигнут энергии, необходимой для прохождения через тело человека, обычно около 200 МэВ. Затем они направляются в область, подлежащую лечению в теле пациента, – в зону облучения. В некоторых установках, которые доставляют протоны только определенной энергии, между источником луча и пациентом помещается индивидуальная маска из пластика для регулировки энергии луча и обеспечения необходимой глубины проникновения. Феномен пика Брэгга выброшенных протонов дает протонной терапии преимущества перед другими видами лучевой терапии, поскольку большая часть энергии протона откладывается на ограниченном участке, благодаря чему ткани за пределами этого диапазона (и в некоторой степени внутри него) защищены от воздействия излучения. Это свойство протонов, которое по аналогии с взрывчатым оружием, используемым в противолодочной войне, получило название «эффект глубинной детонации», позволяет создавать конформные распределения дозы вокруг даже очень неправильной формы мишеней, а также доставлять более высокие дозы к мишеням, окруженным или прикрытым радиационночувствительными структурами, такими как зрительный перекрест или ствол мозга. Разработка методов «модуляции интенсивности» позволила достигать аналогичной конформности с помощью радиохирургии с использованием линейных ускорителей. По состоянию на 2013 год не было доказательств того, что протонная терапия превосходит другие виды лечения в большинстве случаев, за исключением «нескольких редких детских онкологических заболеваний». Критики, реагируя на растущее число очень дорогих установок ПБТ, говорили о «гонке медицинских вооружений» и «безудержной медицине и неустойчивой государственной политике».