ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАДИОНУКЛИДНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ТЕРАПИИ КОСТНЫХ МЕТАСТАЗОВ

ДОЗИМЕТРИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ
РАДИОНУКЛИДНОЙ ДИАГНОСТИКИ И ТЕРАПИИ
КОСТНЫХ МЕТАСТАЗОВ
Доля О.П., Матусевич Е.С., Клепов А.Н., Кураченко Ю.А.
Обнинский Государственный Технический Университет Атомной Энергетики
[email protected] [email protected]
С целью создания системы дозиметрического обеспечения радионуклидной терапии (РНТ)
диагностики и терапии пациентов с метастазами в кости разработаны математические модели,
позволяющие определять активность радиофармпрепаратов (РФП) в метастазах и критических
органах. Методы идентификации базируются на данных планарных сцинтиграфических и
рентгенографических исследований пациентов и радиометрию экскреции РФП из организма.
Расчеты распространения гамма- излучения в теле и системе регистрации проведены методом
Монте-Карло, кинетика РФП – с применением камерных моделей, расчёты активности и
поглощенных доз в очагах поражения части пациентов - с использованием воксельных моделей
костных структур.
При множественных поражениях костей метастазами наиболее целесообразно
использовать метод «внутреннего облучения», основанный на способности
некоторых инкорпорированных радиофармпрепаратов избирательно накапливаться
в метастатических очагах, и за счет облучения β-частицами области нервных
окончаний на границе здоровой и пораженной костных тканей (область периоста)
снижать или полностью снимать болевой синдром. Этот метод и составляет
существо паллиативной РНТ.
Зарубежный и отечественный клинический опыт показывает, что
в
большинстве случаев в той или иной мере паллиативный эффект достигается при
уровнях
активностей
РФП,
определяемых
принятыми
соглашениями
(стандартными протоколами), при этом, как правило, поглощенные дозы
оказываются сравнительно небольшими. Обычно при выборе уровней
поглощенных доз в метастатических очагах учитывается только требования
допустимого облучения критических внутренних органов и тканей пациента и
безопасности окружающих его лиц. По существу, стандартные протоколы
предписывают именно паллиативный режим РНТ с назначением достаточно
невысоких уровней активностей РФП.
Относительно недавно обнаружена повышенная толерантность критических
органов и тканей к облучению, что позволяет достигать высокого уровня очаговых
доз и лучевого поражения метастазов. Например в [P. Anderson, 2001] сообщается
о успешном использовании очень больших лечебных активностей (до 30 мКи/кг
153
Sm) и, соответственно, больших очаговых доз при проведении РНТ пациентам с
метастазами.
В случае применения высоких значений лечебных активностей резко
возрастает роль дозиметрического обеспечения, которое включает:
расчет поглощенных доз в очагах;
−
проверку условий безопасного облучения критических структур пациента:
−
красного костного мозга, остеогенного субстрата, крови, мочевого пузыря,
почек, печени и др.;
оценку и контроль уровня безопасного облучения контактирующих с
−
пациентом лиц после выписки.
При разработке дозиметрического обеспечения РНТ диагностики и терапии
костных метастазов на основе остеотропных РФП возникла необходимость
обоснования и решения комплекса радиометрических и дозиметрических задач. С
этой целью в клинике МРНЦ РАМН была проведена серия экспериментальных
сцинтиграфических (В.В. Крылов, Г.А. Давыдов, Н.А. Олейник, О.Н. Спиченкова,
авторы доклада) и рентгенологических исследований (В.В. Крылов, З.Н. Шавладзе,
310
А.В. Дементьев, авторы доклада) и радиометрических исследований (В.В. Крылов)
группы пациентов с костными метастазами, проходивших РНТ с 153Smоксабифором.
Авторами доклада был разработан ряд физико-математических моделей,
обеспечивающих:
1. идентификацию величин накопленных активностей РФП в
метастатических очагах ряда костей в процессе планарного
сцинтиграфического обследования пациентов, что потребовало
использования метода Монте-Карло для расчёта функции отклика
системы регистрации и воксельных моделей костных структур;
2. идентификацию параметров кинетики накопления РФП в костных
тканях и ряде критических структур на базе камерных моделей, что
позволяет: – определить поглощенные дозы на костные ткани в целом и
критические структуры (кровь, почки, мочевой пузырь);
3. обоснование амбулаторного варианта РНТ с 153Sm путем оценки
уровня облучения окружающих лиц от остаточной активности в теле
пациента и экскрециях;
Кроме того предложена формулировка модели идентификации параметров
камерной модели с учетом ремоделирования здоровых костей, позволяющая
определить эффективную площадь здорового эндоста и площадь поверхности
костной ткани, пораженной MTS.
Разработано программное обеспечение на ФОРТРАНЕ, а также программные
модули реализации расчетных воксельных моделей костных структур транспорта γизлучения применительно к программному комплексу MCNP.
Далее для иллюстрации возможностей разработанного дозиметрического
обеспечения приведены некоторые результаты. О технологии их получения см. [13].
Результаты моделирования Монте-Карло функции отклика коллиматора на
рассеянное γ-излучения от источника в кости
Модель
кости
Фрагмент
тела
коллиматор
Рис. 1. MCNP-модель расчета транспорта γизлучения в системе «коллиматор – тело
пациента».
Рис. 2.
311
Результаты дозиметрического аннализа РНТ (153Sm-оксабифор) пациентов с
костными метастазами по данным сцинтиграфического исследования
Рис 3.
Расчет активностей и поглощенных доз в метастазах и здоровых костях
пациентов с использованием воксельных моделей костных структур и
планарных сцинтиграмм
Пациент Ч. (рак предстательной железы, ведено 65 мКи).
X
Грудина
А
Y
11,45 см 1,12 см
Рис. 4. Срез томограммы позвонка Th-12.
Рис.5. Воксельная модель Th-12 и грудины.
Доза в очаге поражения (зоны 1 и 2 на рис.5) – 21 Гр. Дозы на критические
структуры здоровой кости: на эндост – 0,6 Гр, на красный костный мозг – 0,14 Гр.
312
Решение задачи идентификации параметров кинетики РФП в костных тканях
и критических структурах организма пациента
kBP
A0
B
kPB
P
кровь
 dP(t )
 dt = −(k BP + kMP + k HP + λр ) ⋅ P(t ) + k PB ⋅ B(t ) + k PM ⋅ M

 dB(t ) = k ⋅ P(t ) − (k + λ ) ⋅ B(t )
р
BP
PB
 dt
 dM (t )

= k MP ⋅ P(t ) − (k PM + λр ) ⋅ M (t )

 dt
 dH (t )
 dt = k HP ⋅ P(t ) − (k + λр ) ⋅ H (t )

 dU (t ) = k ⋅ H (t ) − λ ⋅ U (t )
р
 dt
кость
kMP
kHP
kPM
M
метастазы
H
почки
k
P(0) = 1 ,
B(0) = M(0) = H(0) = U(0) = 0
k PM = 0 – ремоделирование
костной ткани в пораженной кости
отсутствует.
U
Мочевой
пузырь
Пятикамерная модель динамики обращения РФП в организме
пациента: P – камера плазмы крови, B – камера здоровой кости, M – камера
метастазированной кости, H – камера почек, U – резервуар выведения активности (камера
экскреции). kBP, kPB, kMP, kPM, kHP, k – параметры межкамерных коммуникаций
(кинетические параметры).
Задача идентификации решается путем численной минимизация функционала
невязки:
( )
N
{(
( )) + [g ⋅ B(t )− b ] +[g
Φ X = ∑ U iэ − U t iэ
где U
i =1
э
i
2
1
э
i
2
э
i loc
2
( )
⋅ M t iэ − miэloc
] },
2
– экспериментальные значения функции экскреции, отнесенные к
введенной активности; biэloc , miэ loc – экспериментальные значения локальных
функции накопления активностей (описываемых долевыми параметрами g1 , g 2 ) в
соответствующих зонах интереса сцинтиграфического изображения – в здоровой и
пораженной костных структурах в заданные моменты времени
tiэ ;
X = [k BP , k BM , k H , k PB , k , g1, g 2 ]
–
вектор
идентифицируемых
кинетических
параметров .
Результаты идентификации:
Площадь оставшейся здоровой трабекулярной поверхности скелета пациента
S b = 3,6 м 2 ; более подробное обсуждение результатов в [2].
1) О.П. Доля, Е.С. Матусевич, А.Н. Клепов. «Математическое моделирование
кинетики остеотропного радиофармпрепарата в организме пациентов с
метастазами в кости» // Медицинская физика, №2, 2007г, С. 40-50.
2) О.П. Доля, А.Н. Клепов. «Дозиметрическая оценка паллиативной
радионуклидной терапии и идентификация объемов пораженной
метастазами костной ткани» // Медицинская физика, №1, 2008г.
3) О.П. Доля, А.Н. Клёпов, Ю.А. Кураченко, Е.С. Матусевич. «Моделирование
Монте-Карло функции отклика гамма-камеры на гамма-излучение
остеотропного радиофармпрепарата» // Медицинская физика, №2, 2008г.
313