Активний контроль дихання (ABC) Вимірювання та зменшення рухів органів грудної клітки, спричинених диханням
Активний контроль дихання (ABC) Вимірювання та зменшення дихальних рухів органів у грудній клітці за допомогою Аліни Кіентопф
Активне управління диханням (ABC) Вимірювання та зменшення дихальних рухів органів грудної клітини Дисертація, затверджена медичним факультетом Рейнського університету в Аахені для здобуття вченого ступеня доктора медицини, представленого Аліною Кіентопф з Дортмунда Доповідач: Herr Universitätsprofessor Dr. мед. Майкл Дж. Ебле професор доктор мед. День усного іспиту Патріка Шауерте: 2 грудня 2009 р. Ця дисертація доступна в Інтернеті на веб-сайті університетської бібліотеки.
Зміст 1. Вступ п. 1 1.1 Загальна довідка с. 1 1.2 Поняття цільового об’єму с. 1 1.3 Частота побічних ефектів залежно від опроміненого об’єму с. 3 1.4 Рання реакція: радіогенно індукований пневмоніт с. 5 1.4.1 Розвиток, клінічна картина та перебіг с. 5 1.4.2 Класифікація с. 8 1.5 Пізня реакція: фіброз легень с. 9 1.5.1 Походження с. 9 1.5.2 Клініка та курс с. 10 1.5.3 Класифікація с. 10 1.6 Впровадження цільової концепції обсягу в плануванні лікування с. 13 1.6.1 Вирівнювання CTV та PTV с. 13 1.7 Цілі с. 15 2. Матеріал та методи с. 16 2.1 Координатор активного дихання (ABC) - структура системи с. 16 2.1.2 Трубна система с. 17 2.1.3 Модуль управління с. 19 2.1.4 Елементи зворотного зв'язку с. 21 2.1.4.1 Відеоокуляри с. 21 2.1.4.2 Вимикач керування с. 23 2.1.5 Розміщення приміщення с. 23 2.1.6 Вимірювані змінні (розміщення екрану) с. 24 2.1.7 Крива дихання с. 25 2.1.8 Комп’ютерний томограф с. 27 2.1.9 Програмне забезпечення Fusion с. 27 2.2 Пацієнти с. 29 2.2.1 Розміщення пацієнтів с. 30 2.2.2 Підготовка пацієнта Десять стор. 2.2 2.2.3 Порядок досліджень стор. 32 2.3 Цільові параметри стор. 37 2.3.1 Оцінювані орієнтири стор. 37 2.3.2 Відтворюваність та застосовність стор. 39 2.3.3 Статистичні методи стор. 41
Бібліографія с.68
Перелік рисунків та таблиць Рис. 1 Рис. 2 Рис. 3 Графічне представлення концепції цільового обсягу променевої терапії Імовірність пневмоніту як функція опроміненого об’єму Дозозалежний розвиток гострих радіаційних ефектів A: Тяжкість проти дози опромінення B: Частота проти дози опромінення с. 3 с. 1 Системи класифікації пневмонітів с. 8 Рис. 4 Залежний від дози розвиток хронічного променевого впливу с. 9 Таблиця 2 Критерії LENT-SOMA с. 11 Рис. 5 Розвиток наслідків легеневої терапії с. 12 Рис. 6 Мундштук із системою зондів с. 18 Рис. 7 Структура системи с. 20 Рис. 8 Пацієнт, іммобілізований у положенні лежачи на спині с. 22 Рис. 9 Схематичне зображення екранної маски с. 24 Рис. 10 Графічне зображення циклу дихання с. 26 Рис. 11 Рухи органів під час дихального циклу с. 28 Рис. 12 Протокол обстеження с. 33 Рис. 13 Крива дихання пацієнта, вдих с. 34 Рис. 14 Дихання заблоковане під час фази вдиху с. 35 Рис. 15 Па tienten, видих стор. 36 Рис. 16 Блокування дихання у фазі видиху Стор. 36 Рис. 17 Блокування дихання в середині положення дихання Стор. 37 Рис. 18 Накладання зображень у напрямках x, y та z для визначення зміщення біфуркації трахеї p 39
Рис. 19 Таблиця 3 Рис. 20 Таблиця 4 різні КТ-зображення пацієнта під час терапії; Блокування дихання після видиху, середнє зміщення під час видиху та два об'єми вдиху, пацієнт із загальним ателектазом лівої легені, зміщенням середостіння під час дихання, середнім зміщенням між першим та другим КТ зображеннями стор.
TD 5/5 TD50/5 TV UTP ВООЗ x- напрямок/рівень y- напрямок/рівень z- напрямок/рівень Допустима доза, 5% ймовірність клінічно значущих радіаційних ефектів через 5 років дозу толерантності, 50% ймовірність клінічно значущих радіаційних ефектів через 5 років Том Неекранований вита пара Всесвітня організація охорони здоров'я бічний бічний напрямок/рівень вентро-спинного напрямку/рівень черепно-каудального напрямку/рівень
PTV GTV CTV TV Площа поширення пухлини Опромінений об’єм Рис. 1: Графічне представлення концепції цільового об’єму променевої терапії Підсумовуючи, можна сказати, що клінічний цільовий об’єм (CTV) включає об’єм пухлини (GTV), при цьому CTV також враховує типову область поширення пухлини. Інша зона безпеки оточує цільовий обсяг планування (PTV), який у найкращому випадку відповідає обробленому обсягу (TV). 1.3 Частота побічних ефектів залежно від обсягу опроміненого NTCP (Нормальна ймовірність ускладнення тканин) представляє ймовірність виникнення побічних ефектів, спричинених радіацією. Очікувана ймовірність залежить від дози та залежить від об’єктивних характеристик пацієнта 3
показують зміни в КТ (Dörr, Side Effects in Radiation Oncology, 2000, с. 165). Частота пневмоніту після опромінення 20 Гр збільшується з 4% до 37% (див. Рис. 2) (2). Рис. 2: Імовірність пневмоніту як функція опроміненого об’єму (2). 1.4 Рання реакція: радіогенно-індукований пневмоніт. Застосовується радіація, і більше опромінюється легенева тканина (див. Рис. 3: гострі променеві ефекти) (2). Клінічна картина променевого пневмоніту характеризується лихоманкою, непродуктивним кашлем, дихальною недостатністю та збільшенням частоти дихання. Типовий 5
Результати аускультації. Частіше страждають ділянки з посиленим кровотоком. Рентгенологічно видно матове склоподібне стиснення легеневої тканини. Ці зміни, що перевищують фізіологічні межі легенів, зазвичай розвиваються відповідно до радіаційних порталів. Тест функції легенів зазвичай показує зниження дифузійної здатності СО2. Однак ступінь дисфункції легенів залежить від стану залишкового, неопроміненого об’єму. Гострий пневмоніт може призвести до посилення звуження судин, що може призвести до прогресування задишки. 6-й
Гострі ефекти випромінювання Тяжкість Висока доза Середня доза Низька доза Час/тижні 100 Частота [%] Доза Рис. 3: Дозозалежний розвиток гострих радіаційних ефектів: A: Тяжкість проти дози опромінення B: Частота проти дози опромінення (від Dörr, W. Побічні ефекти в радіоонкології, 2000, Стор.11) 7
1.5 Пізня реакція: фіброз легенів 1.5.1 Розвиток Через місяці до років після опромінення фіброз легенів може протікати як пізня реакція. Ступінь вираженості прояву зростає із рівнем дози (див. Рис. 4: хронічні ефекти опромінення) (2). Він може розвинутися із вже наявного пневмоніту, але може протікати і без попередніх клінічних симптомів пневмоніту. Він розвивається навколо радіогенно індукованих запальних ділянок і призводить до розширення дифузійного шляху. Ефекти хронічного випромінювання Висока доза Тяжкість Середня доза Низька доза Час/доза Рис. 4: Залежний від дози розвиток хронічного променевого впливу (від Dörr, W. Побічні ефекти в радіоонкології, 2000, с.11)
1.5.2 Клініка та перебіг Клінічно на рентгені спостерігається мелірована конденсація. Тканину також можна рубцювати і зменшувати, так що вона здається меншою, ніж початкове поле випромінювання. При хронічному перебігу важливим є розвиток легеневої кістки з правою серцевою недостатністю. У цьому випадку на рентгенограмі також виявляється збільшення серцевої тіні. Плевра також може бути фіброзною і можуть виникати дистелектази та ателектази. Часто присутня компенсаторна розтягнення решти легенів. Пацієнти мають безсимптомне дихання лише тоді, коли функція легенів, що залишилася, є достатньою. Повна ступінь радіогенно-індукованого легеневого фіброзу зазвичай досягається через два роки. 1.5.3 Класифікація Оцінка пізнього впливу на нормальну тканину (Великий піст = пізній ефект нормальної тканини) розрізняє чотири ступені тяжкості: критерії SOMA (таблиця 2). S означає суб'єктивні критерії, O - об'єктивні критерії, M - терапевтичні заходи щодо побічних ефектів і A - аналіз та діагностичні методи для підтвердження побічних ефектів. 10
Схематичний підсумок клінічного та патофізіологічного впливу випромінювання на легені наведено на рис. 5. Розвиток наслідків легеневої терапії Час перебігу гострого підгострого хронічного пізнього летального пошкодження Клінічне пошкодження Легенева порогова доза Пневмоніт O2 дифузія Інтерстиціальний фіброз Хронічний cor pulmonale Субклінічне пошкодження Задишка кашель Сегментарний фіброз Потовщення перегородок Рис. 5: Розвиток легеневих реакцій на радіацію з часом (Дерр, побічні ефекти der Radiationonkologie, 2000, с.49). 12-й
2.1.2 Трубна система Для проведення дослідження досліджуваний отримує трубну систему з мундштуком, яким він дихає під час КТ. Затискач для носа призначений для запобігання носовому диханню та забезпечення повного дихання через мундштук. Структура трубної системи схематично показана на рис. 6. Об’єм повітря, що рухається диханням, спочатку проходить через мікрофільтр через гнучку пластикову трубку. Вставлене турбінне колесо направляє потік повітря через систему труб. Потік повітря через турбіну створює залежне від потоку обертання колеса турбіни. Цей обертальний рух реєструється детектором. Кількість і напрямок обертання повертаються до модуля управління і перетворюються на вимірювання об'єму. У нижній течії трубопровідної системи є балонний клапан, який повністю герметизує просвіт труби, коли він надувається і активується, так що припливний об'ємний потік запобігається як вдиху, так і видиху, тобто зупиняється дихання. 17-й
6: Мундштук із шланговою системою (модифіковано з Посібника з експлуатації активного дихального координатора, 2001, с. 2-5) (1) Мундштук (2) Фільтр-мембрана (3) З’єднувальний елемент (4) Лінія з турбінним колесом, перетворювачем (5) Утримуючий пристрій (6 ) З'єднувач для балонного клапана (7) Балонний клапан (8) Затискач для носа 18
2.1.3 Модуль управління Рис. 7 показує взаємозв'язок окремих компонентів. Система ABC включається і вимикається через модуль управління. Для цього, як і для всіх інших входів і виходів, на тильній стороні компонента розташований перемикач. Основне джерело живлення також забезпечується через з'єднання змінного струму, встановлене ззаду. Дихальна система пацієнта також контролюється модулем управління. Компонент турбінного колеса з'єднаний з модулем за допомогою кабелю, щоб визначити об'ємний потік і оцінити його з урахуванням обсягу та напрямку потоку. Балонний клапан в системі труб з'єднаний з блоком управління шлангом. Команди затримки дихання, ініційовані ПК експерта, реалізуються модулем управління шляхом подачі повітря в балон через підключений шланг, накачування та герметизація системи труб. Кабель RS-232 з'єднує модуль управління з приймачем, який, у свою чергу, підключається до передавача за допомогою UTP-кабелю. Передавач та ПК з'єднані між собою за допомогою RS-232 та стандартного кабелю. 19-го
Паралельний перемикач управління Шнур живлення Турбінний перетворювач Збірний балонний клапан Послідовний кабель Датчик послідовного кабелю Модуль управління Модуль керування балонним клапаном Трубка зворотного зв'язку Монітор Шнур живлення Кабель живлення Категорія 5, UTP кабель
Приймач Блок живлення Шнур живлення Консольна кімната Передавач Область передачі RS 232 Послідовний кабель Користувальницький кабель Керування комп'ютером Шнур живлення Рис. 7: Структура системи (змінено з Посібника операторів активного дихання, 2001, с.
Рис. 8: Пацієнт, іммобілізований у положенні лежачи на спині A = відеоокуляри для візуалізації кривої потоку дихальних потоків 22
2.1.6 Вимірювані змінні (компонування екрану) Рис. 9: Схематичне зображення екранної маски Виміряні змінні розділені на кілька вікон на екрані контрольного програмного забезпечення, які відображають різні налаштування системи, які можна вибрати для відповідного пацієнта. 9 показує це в схематично спрощеному поданні. В середині користувальницького інтерфейсу ви можете бачити графічно відображену криву об'ємного потоку дихаючого повітря, що протікає через датчик, як функцію часу. Вісь y показує дихальний об’єм пацієнта в літрах. Вісь х показує хронологічну послідовність у 24
10: Графічне зображення дихального циклу (синя крива = нормальне дихання, червона крива = задишка); Заздалегідь визначені обсяги для блокування дихання: E. = видих, I. = натхнення, S.B. = Задихане дихання Обсяг, на якому зупинено дихання, слід визначити під час попереднього тренування з пацієнтом (див. Нижче). Тривалість переривання дихання являє собою час, протягом якого пацієнту пропонується зупинити дихання під час записів. Відповідний час блокування, оскільки це також видно пацієнту в нижньому правому куті зображення, відлічується назад до нуля від початку переривання. Після закінчення цього періоду дихання автоматично знову звільняється. Переривання дихання може відбуватися як під вдихом, так і під час видиху. Вибір здійснюється за допомогою режиму запуску в спадному меню. 26-й
2.1.8 Комп’ютерний томограф Кожен пацієнт отримує спіральні КТ-зображення. Для цього використовується комп’ютерний томограф Somatom Emotion (Ерланген, Німеччина). Цей пристрій займає одну секунду за обертання. Оскільки більша тривалість затримки дихання (> 35 секунд) погано переносилася більшістю пацієнтів, для записів було обрано товщину зрізу та відстань зрізу 8 мм. Це гарантує загальний час 25-35 секунд для окремих записів усієї грудної клітки. Зображення грудної клітки робиться в кожному випадку в різних положеннях дихання. Положення пацієнта не змінюється, і записи завжди починаються з одного положення таблиці, так що записи КТ завжди робляться з одного і того ж вихідного положення. 2.1.9 Програмне забезпечення для синтезу Розмір рухів органів вимірюється за допомогою програмного забезпечення для синтезу зображень (Hermes; Nuclear Diagnostics AB, Стокгольм, Швеція). Ручний лінійний синтез проводився поетапно на основі різних орієнтирів (інтервал кроку/піксель = 0,975 мм) (див. Рис. 11). 27
Рис. 11: Рухи органів під час дихального циклу. При переході від нормального вдиху до поверхневого дихання пацієнт виявляє зміну дихального механізму (спочатку діафрагмальне дихання, з поверхневим диханням, грудне дихання) A: Видихання B: Злиття видиху та вдиху C: Злиття видиху та поверхневого дихання 28
Інформація про налаштування для опромінення під контролем дихання в системі стереотаксичного позиціонування Назва. Діагностика. Посвідчення особи. Цільовий обсяг. Допоміжні засоби позиціонування. Обсяг дихання: натхнення 1а. л /. Дата, 1б. л /. Дата 2а. л /. Дата, 2б. л /. Термін дії 1а. л /. Дата, 1б. л /. Дата 2а. л /. Дата, 2б. л /. Дата задишки 1а. л /. Дата, 1б. л /. Дата 2а. л /. Дата, 2б. л /. Дата Рис. 12: Протокол обстеження. Між окремими записами пацієнт завжди встигав відновити комфортне дихання, дозволити стихнути задишці та компенсувати будь-який дефіцит дихання. Початок обстеження: Спочатку пацієнт отримав відеоокуляри, мундштук і затискач для носа, і його попросили спостерігати за диханням через трубку у вигляді кривої. Потім випробуваному давали контрольний перемикач і доручали тримати його постійно, щоб показати екзаменатору, що він готовий розпочати сеанс. Пацієнту було наказано негайно відпустити перемикач, якщо він почуває себе незручно або потребує допомоги. Досягнення спокійного дихання: Пацієнту було наказано прийняти нормальне та спокійне дихання (див. Рис. 13). 33
Рис. 13: Крива дихання пацієнта; Зелена лінія позначає гучність, обрану для блокування дихання під час вдиху. Блокування дихання під час вдиху: Як тільки випробуваний досяг цього, екзаменатор активував систему, натискаючи пробіл. В активованому режимі на рівні вибраної гучності блокування дихання з'явилася зелена смужка. Після кількох дихальних циклів пацієнта попросили вдихнути цю зелену зону (див. Рис. 14). В результаті подальше дихання стало вже неможливим, оскільки балонний клапан повністю закрив просвіт трубки, коли він тепер був надутим. Блокування дихання, як правило, можна знову звільнити, лише якщо пацієнт відпускає перемикач управління або екзаменатор натискає пробіл. У цьому випадку зелена зона була б видалена з дисплея. В іншому випадку переривання дихання автоматично закінчується після введеного раніше часу арешту. 34
14: Дихання заблоковане під час фази вдиху (зелена смужка), тут протягом 17 секунд.Перед тим, як пацієнт повторить обстеження, йому/їй було надано достатньо часу для відновлення нормального дихання. Записи під час видиху: Після двох циклів блокування дихання у фазі вдиху слідували записи для видиху. 15/16 це показано на прикладі. 35
Рис. 15: Крива дихання пацієнта; зелена лінія позначає обсяг, вибраний для блокування дихання після закінчення. Рис. 16: Блокування дихання під час фази видиху (зелена смужка) Останні записи були зроблені в середньому положенні (див. Рис. 17). 36
Рис. 17: Блокування дихання в середині дихання (хакерство) 2.3 Цільові змінні 2.3.1 Оцінені орієнтири Вимірювання переміщень органів проводили методом лінійного злиття. Приклад лінійного зрощення біфуркації трахеї показано на рис. 18. Ми вибрали такі орієнтири для порівняння: 1. діафрагмальні куполи з обох сторін, 2. кінчики легенів з обох сторін і 3. біфуркація трахеї. Відхилення під час дихання визначали для всіх трьох рівнів: х-напрямок = латерально-латеральний, напрямок у = вентро-дорсальний та z-напрямок = каніо-каудальний. 37