Исследование области применимости алгоритмов расчета поглощенной дозы в системе планирования XiO для использования в клинической практике
|
Введение 13
1 Краткая история развития лучевой терапии 15
2 Планирование лечения 18
3 Трехмерное планирование дистанционной лучевой терапии 20
3.1 Особенности 2- , 2,5- и 3-мерного дозиметрического планирования 20
4 Лучевая терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучка 23
4.1 Общее описание и сравнение 3DCRT и IMRT 23
4.2 Планирование облучения и расчет доз для IMRT 27
5 Алгоритмы для дозовых вычислений 34
5.1 Алгоритм Pencil Beam Convolution (PBC) 38
5.2 Дозовые вычисления метода Superposition 40
6 Описание системы планирования XiO 42
7 Использование таблиц Quantec 46
8 Верификация плана лучевой терапии 48
8.1 Анализ данных 49
9 Гарантия качества лучевой терапии 53
10 Используемое оборудование 54
10.1 Высокоэнергетический линейный ускоритель Elekta Synergy 54
10.2 Клинический дозиметр Dose-1 55
10.3 Матричный дозиметр MatriXX 56
10.4 I’mRT Phantom 57
10.5 Ионизационная камера СС13 58
11 Практическая часть 60
11.1 Проверка алгоритмов для трехмерной конформной лучевой терапии ... 60
11.2 Проверка алгоритмов для лучевой терапии с модуляцией интенсивности67
12. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.... 72
12.1 Предпроектный анализ 72
12.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 73
12.2 Планирование управления научно-техническим проектом 75
12.2.1 Иерархическая структура работ проекта 75
11
12.2.2 Контрольные события проекта 75
12.2.3 План проекта 76
12.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 79
12.3.1 Расчет материальных затрат 79
12.3.2 Расчёт амортизации оборудования для экспериментальных работ.. 80
12.3.3 Затраты на оплату труда исполнителей НТИ 83
12.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 85
12.3.5 Накладные расходы 85
12.4 Формирование бюджета затрат научно-технического исследования
(НТИ) 86
12.5 Организационная структура проекта 86
12.6 Матрица ответственности 87
12.7 Определение ресурсной эффективности исследования 89
13 Социальная ответственность 92
13.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 92
13.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного воздействия и устранению их влияния при работе на линейном ускорителе .... 94
13.2.1 Организационные мероприятия 94
13.2.2 Технические мероприятия 95
13.2.3 Условия безопасной работы 97
13.3 Радиационная безопасность 99
13.4 Электробезопасность 103
13.5 Пожарная и взрывная безопасность 104
Заключение 107
Список публикаций студента 109
Список использованных источников 110
Приложение А 113
Приложение Б 129
1 Краткая история развития лучевой терапии 15
2 Планирование лечения 18
3 Трехмерное планирование дистанционной лучевой терапии 20
3.1 Особенности 2- , 2,5- и 3-мерного дозиметрического планирования 20
4 Лучевая терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучка 23
4.1 Общее описание и сравнение 3DCRT и IMRT 23
4.2 Планирование облучения и расчет доз для IMRT 27
5 Алгоритмы для дозовых вычислений 34
5.1 Алгоритм Pencil Beam Convolution (PBC) 38
5.2 Дозовые вычисления метода Superposition 40
6 Описание системы планирования XiO 42
7 Использование таблиц Quantec 46
8 Верификация плана лучевой терапии 48
8.1 Анализ данных 49
9 Гарантия качества лучевой терапии 53
10 Используемое оборудование 54
10.1 Высокоэнергетический линейный ускоритель Elekta Synergy 54
10.2 Клинический дозиметр Dose-1 55
10.3 Матричный дозиметр MatriXX 56
10.4 I’mRT Phantom 57
10.5 Ионизационная камера СС13 58
11 Практическая часть 60
11.1 Проверка алгоритмов для трехмерной конформной лучевой терапии ... 60
11.2 Проверка алгоритмов для лучевой терапии с модуляцией интенсивности67
12. Финансовый менеджмент, ресурсоэффективность и ресурсосбережение.... 72
12.1 Предпроектный анализ 72
12.1.1 Анализ конкурентных технических решений с позиции
ресурсоэффективности и ресурсосбережения 73
12.2 Планирование управления научно-техническим проектом 75
12.2.1 Иерархическая структура работ проекта 75
11
12.2.2 Контрольные события проекта 75
12.2.3 План проекта 76
12.3 Бюджет научно-технического исследования (НТИ) 79
12.3.1 Расчет материальных затрат 79
12.3.2 Расчёт амортизации оборудования для экспериментальных работ.. 80
12.3.3 Затраты на оплату труда исполнителей НТИ 83
12.3.4 Отчисления во внебюджетные фонды 85
12.3.5 Накладные расходы 85
12.4 Формирование бюджета затрат научно-технического исследования
(НТИ) 86
12.5 Организационная структура проекта 86
12.6 Матрица ответственности 87
12.7 Определение ресурсной эффективности исследования 89
13 Социальная ответственность 92
13.1 Анализ опасных и вредных производственных факторов 92
13.2 Обоснование и разработка мероприятий по снижению уровней опасного воздействия и устранению их влияния при работе на линейном ускорителе .... 94
13.2.1 Организационные мероприятия 94
13.2.2 Технические мероприятия 95
13.2.3 Условия безопасной работы 97
13.3 Радиационная безопасность 99
13.4 Электробезопасность 103
13.5 Пожарная и взрывная безопасность 104
Заключение 107
Список публикаций студента 109
Список использованных источников 110
Приложение А 113
Приложение Б 129
Объектом исследования являются алгоритмы расчета поглощенной дозы
в системе планирования.
Цель работы – исследование и сравнение алгоритмов расчета
поглощенной дозы в системе планирования XiO для использования в
клинической практике; осуществление гарантии качества медицинского
линейного ускорителя.
В процессе исследования проводились: изучение технической
литературы, создание дозиметрических планов облучения для нескольких
пациентов с различными локализациями в системе планирования XiO, с
использованием алгоритмов Convolution, Superposition и FastSuperposition,
верификация созданных дозиметрических планов, сравнение и анализ
результатов.
В результате исследования была проведена гарантия качества
медицинского линейного ускорителя, проведено сравнение алгоритмов расчета
поглощенной дозы для трехмерной конформной лучевой терапии и лучевой
терапии с поперечной модуляцией интенсивности, определен выбор
оптимальных алгоритмов для использования в клинической практике.
Область применения: в медицине в радиологическом отделении при
создании дозиметрических планов лечения для локализаций различного рода.
Экономическая эффективность/значимость работы заключается в
возможности минимизировать затраты на приобретение дополнительного
набора алгоритмов расчета поглощенной дозы для планирующей системы.
Магистерская диссертация выполнена с помощью текстового редактора
Microsoft Office Word 2010, редактор таблиц Microsoft Office Excel 2010.
Проблема онкологических заболеваний остается приоритетной для современного общества. По смертности рак занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний, по страху, который внушает людям, - первое. Многие тысячи исследователей стремятся понять его причины, найти пути к его профилактике и лечению. Десятки институтов и сотни лабораторий во всем мире работают над этой проблемой, обеспечивая успех в ее понимании и медленный, но неуклонный прогресс в профилактике и лечении.
С марта 2015 года на базе Томского областного онкологического диспансера проводится лучевая терапия с использованием аппаратов последнего поколения. Одним из таких является линейный ускоритель Elekta Synergy. Это аппарат, который используется для проведения наружной радиотерапии при злокачественных новообразованиях любых тканей и органов. На данный момент на линейном ускорителе осуществляется трехмерная конформная лучевая терапия (3DCRT) и лучевая терапия с модуляцией интенсивности (IMRT).
При создании адекватных планов лечения в системе планирования XiO в клинической практике, т.е. скорость создания дозиметрического плана и точность расчета поглощенной дозы в гетерогенной среде (в пациенте), остро встает вопрос о выборе алгоритма расчета поглощённой дозы в планирующей системе. Поэтому целью данной работы было исследование и сравнение результатов расчёта поглощенной дозы с использованием всех имеющихся в системе планирования XiO алгоритмов, которые используются для соответствующих методик доставки дозы применяемых в клинической практике.
Для реализации данной цели было создано несколько планов лечения с
различными локализациями (область малого таза, область средостенья и
область головы-шеи) для двух методик доставки дозы: 3DCRT и IMRT. Для
каждой анатомической области и методики облучения использовались
13
несколько алгоритмов расчета поглощенной дозы. Далее была проведена верификация всех дозиметрических планов на линейном ускорителе Elekta Synergy по абсолютной (точечное измерение) и относительной поглощенной дозе (распределение поглощенной дозы в определенной плоскости оценивалось по методики гамма-индексирования).
В рамках исследования представлены результаты для планирования 3DCRT с использованием алгоритмов расчета поглощенной дозы Convolution и Superposition, и для методики IMRT с алгоритмами расчета Superposition и FastSuperposition. Верификация планов по абсолютной поглощенной дозе проводилась в тканеэквивалентном твердотельном фантоме I’mRTPhantom с помощью ионизационной камеры CC13 и клинического дозиметра DOSE1. Проверка по 2D распределению поглощенной дозы на основе критерия гамма- индекса проводилась при помощи дозиметрической матрицы из ионизационных камер MatriXX.
в системе планирования.
Цель работы – исследование и сравнение алгоритмов расчета
поглощенной дозы в системе планирования XiO для использования в
клинической практике; осуществление гарантии качества медицинского
линейного ускорителя.
В процессе исследования проводились: изучение технической
литературы, создание дозиметрических планов облучения для нескольких
пациентов с различными локализациями в системе планирования XiO, с
использованием алгоритмов Convolution, Superposition и FastSuperposition,
верификация созданных дозиметрических планов, сравнение и анализ
результатов.
В результате исследования была проведена гарантия качества
медицинского линейного ускорителя, проведено сравнение алгоритмов расчета
поглощенной дозы для трехмерной конформной лучевой терапии и лучевой
терапии с поперечной модуляцией интенсивности, определен выбор
оптимальных алгоритмов для использования в клинической практике.
Область применения: в медицине в радиологическом отделении при
создании дозиметрических планов лечения для локализаций различного рода.
Экономическая эффективность/значимость работы заключается в
возможности минимизировать затраты на приобретение дополнительного
набора алгоритмов расчета поглощенной дозы для планирующей системы.
Магистерская диссертация выполнена с помощью текстового редактора
Microsoft Office Word 2010, редактор таблиц Microsoft Office Excel 2010.
Проблема онкологических заболеваний остается приоритетной для современного общества. По смертности рак занимает второе место после сердечно-сосудистых заболеваний, по страху, который внушает людям, - первое. Многие тысячи исследователей стремятся понять его причины, найти пути к его профилактике и лечению. Десятки институтов и сотни лабораторий во всем мире работают над этой проблемой, обеспечивая успех в ее понимании и медленный, но неуклонный прогресс в профилактике и лечении.
С марта 2015 года на базе Томского областного онкологического диспансера проводится лучевая терапия с использованием аппаратов последнего поколения. Одним из таких является линейный ускоритель Elekta Synergy. Это аппарат, который используется для проведения наружной радиотерапии при злокачественных новообразованиях любых тканей и органов. На данный момент на линейном ускорителе осуществляется трехмерная конформная лучевая терапия (3DCRT) и лучевая терапия с модуляцией интенсивности (IMRT).
При создании адекватных планов лечения в системе планирования XiO в клинической практике, т.е. скорость создания дозиметрического плана и точность расчета поглощенной дозы в гетерогенной среде (в пациенте), остро встает вопрос о выборе алгоритма расчета поглощённой дозы в планирующей системе. Поэтому целью данной работы было исследование и сравнение результатов расчёта поглощенной дозы с использованием всех имеющихся в системе планирования XiO алгоритмов, которые используются для соответствующих методик доставки дозы применяемых в клинической практике.
Для реализации данной цели было создано несколько планов лечения с
различными локализациями (область малого таза, область средостенья и
область головы-шеи) для двух методик доставки дозы: 3DCRT и IMRT. Для
каждой анатомической области и методики облучения использовались
13
несколько алгоритмов расчета поглощенной дозы. Далее была проведена верификация всех дозиметрических планов на линейном ускорителе Elekta Synergy по абсолютной (точечное измерение) и относительной поглощенной дозе (распределение поглощенной дозы в определенной плоскости оценивалось по методики гамма-индексирования).
В рамках исследования представлены результаты для планирования 3DCRT с использованием алгоритмов расчета поглощенной дозы Convolution и Superposition, и для методики IMRT с алгоритмами расчета Superposition и FastSuperposition. Верификация планов по абсолютной поглощенной дозе проводилась в тканеэквивалентном твердотельном фантоме I’mRTPhantom с помощью ионизационной камеры CC13 и клинического дозиметра DOSE1. Проверка по 2D распределению поглощенной дозы на основе критерия гамма- индекса проводилась при помощи дозиметрической матрицы из ионизационных камер MatriXX.
В ходе магистерской диссертации были созданы дозиметрические планы для трехмерной конформной лучевой терапии для рака предстательной железы, ретромалярной области слева, рака желудка с рапространением в нижнюю треть, рассчитаны двумя алгоритмами - Convolution и Superposition. Освоена методика планирования лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности, созданы планы для тех же пациентов и рассчитаны алгоритмами Superposition и FastSuperposition. Проведена проверка работы (гарантия качества) системы планирования XiO. Проведена верификация рассчитанных дозиметрических планов. Для проверки планов 3DCRT использовался тканеэквивалентный фантом I’mrt BodyFhantom, ионизационная камера CC13 и клинический дозиметр Dose1. Для проверки планов IMRT использовался детекторный массив MatriXX, тканеэквивалентные пластины SP34 и программное обеспечение OmniPro.
В ходе анализа полученных данных было численно доказано, что алгоритм Convolution показывает достоверный результат только для области малого таза, при его выборе для других областей возможна высокая вероятность возникновения ошибки из-за отсутствия учета гетерогенности среды, что может привести к неоценимым последствиям для организма человека, получающего лучевую терапию. Таким образом, можно сделать вывод о том, что наиболее приемлемым вариантом для расчета дозиметрических планов для любых локализаций в системе планирования XiO для 3DCRT можно выбрать в качестве основного алгоритма расчета Superposition, которым можно заменить все предлагаемые на рынке.
При исследовании полученных данных для методики планирования лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности практически во всех случаях показали высокий результат оба алгоритма расчета. Но были выявлены некоторые недочеты использования алгоритма Superposition для области малого таза, который показал недостаточное для использования в клинической практике значение процентной вероятности совпадения в каждой точке. Так же время затрачиваемое данным алгоритмом на расчет поглощенной дозы значительно выше. Отсюда следует, что наиболее подходящим является алгоритм FastSuperposition.
Также было изучено имеющееся оборудование для проведения дозиметрических проверок в онкологическом диспансере. При осуществлении гарантии качества для трехмерной лучевой терапии имеющееся оборудование полностью соответствует международным стандартам. Для этого уровня планирования подходит 1D верификация. Для осуществления гарантии качества для лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности на данный момент осуществляется 2D верификация дозиметрических планов, что в свою очередь не несет полной информации о распределении дозы, так как измерения проводятся в плоскости.
В ходе анализа полученных данных было численно доказано, что алгоритм Convolution показывает достоверный результат только для области малого таза, при его выборе для других областей возможна высокая вероятность возникновения ошибки из-за отсутствия учета гетерогенности среды, что может привести к неоценимым последствиям для организма человека, получающего лучевую терапию. Таким образом, можно сделать вывод о том, что наиболее приемлемым вариантом для расчета дозиметрических планов для любых локализаций в системе планирования XiO для 3DCRT можно выбрать в качестве основного алгоритма расчета Superposition, которым можно заменить все предлагаемые на рынке.
При исследовании полученных данных для методики планирования лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности практически во всех случаях показали высокий результат оба алгоритма расчета. Но были выявлены некоторые недочеты использования алгоритма Superposition для области малого таза, который показал недостаточное для использования в клинической практике значение процентной вероятности совпадения в каждой точке. Так же время затрачиваемое данным алгоритмом на расчет поглощенной дозы значительно выше. Отсюда следует, что наиболее подходящим является алгоритм FastSuperposition.
Также было изучено имеющееся оборудование для проведения дозиметрических проверок в онкологическом диспансере. При осуществлении гарантии качества для трехмерной лучевой терапии имеющееся оборудование полностью соответствует международным стандартам. Для этого уровня планирования подходит 1D верификация. Для осуществления гарантии качества для лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности на данный момент осуществляется 2D верификация дозиметрических планов, что в свою очередь не несет полной информации о распределении дозы, так как измерения проводятся в плоскости.