Aktív légzésszabályozás (ABC) A mellkas légzés okozta szervmozgásainak mérése és csökkentése
Aktív légzésszabályozás (ABC) A légzés okozta szervmozgások mérése és csökkentése a mellkasban, Aline Kientopf
Aktív légzésszabályozás (ABC) A mellkas légzés okozta szervmozgásainak mérése és csökkentése A Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen Orvostudományi Karán jóváhagyott doktori értekezés az orvosdoktori fokozat megszerzéséhez Aline Kientopf nyújtotta be a Dortmundtól Riporter: Herr Universitätsprofessor Dr. med. Michael J. Eble professzor Dr. med. Patrick Schauerte szóbeli vizsga napja: 2009. december 2. Ez a disszertáció online elérhető az egyetemi könyvtár honlapján.
Tartalom 1. Bevezetés 1. o. 1.1. Általános háttér 1. oldal 1.2 Céltérfogat-koncepció 1. o. 1.3 A mellékhatások előfordulása a besugárzott térfogattól függően 3. o. 1.4 Korai reakció: radiogén indukálta tüdőgyulladás 5. o. 1.4.1 Fejlődés, klinikai kép és lefolyás 5. o. 1.4.2 Osztályozás 8. o. 1.5 Késői reakció: tüdőfibrózis 9. o. 1.5.1. Eredet 9. o. 1.5.2 Klinika és tanfolyam 10. o. 1.5.3 Osztályozás 10. o. 1.6 A céltérfogat-koncepció megvalósítása a kezelés megtervezésében 13. o. 1.6.1. A CTV és a PTV összehangolása 13. o. 1.7 Célok 15. o. 2. Anyag és módszerek 16. o. 2.1. Aktív légzéskoordinátor (ABC) - rendszer felépítése 16. o. 2.1.2 Csőrendszer 17. o. 2.1.3 Vezérlőmodul 19. o. 2.1.4 Visszajelzés elemek 21. oldal 2.1.4.1 Videóüvegek 21. oldal 2.1.4.2 Vezérlő kapcsoló 23. oldal 2.1.5 Helyiség elrendezés 23. oldal 2.1.6 Mért változók (képernyő elrendezés) 24. oldal 2.1.7 Légzési görbe 25. oldal 2.1.8 Számítógépes tomográf p. 27 2.1.9 Fúziós szoftver 27. o. 2.2 Betegek 29. o. 2.2.1 A betegek elhelyezése 30. o. 2.2.2 A beteg előkészítése nten 30. oldal 2.2.3 A vizsgálatok folyamata 32. o. 2.3 Célparaméterek 37. o. 2.3.1 Értékelt tereptárgyak 37. o. 2.3.2 Reprodukálhatóság és alkalmazhatóság 39. o. 2.3.3 Statisztikai módszerek 41. o.
Irodalomjegyzék 68. o
Az ábrák és táblázatok felsorolása 1. ábra 2. ábra 3. ábra A sugárterápia céltérfogat-koncepciójának grafikus ábrázolása Pneumonitis valószínűsége a besugárzott térfogattól függően Akut sugárzási hatások dózisfüggő alakulása A: Súlyosság vs. B sugárzási dózis: Frekvencia vs. sugárzási dózis 3. o. 1 Pneumonitis osztályozási rendszerek 8. oldal 4. ábra Krónikus sugárhatások dózisfüggő alakulása 9. oldal 2. táblázat LENT-SOMA kritériumok 11. oldal 5. ábra Tüdőterápiás következmények kialakulása 12. oldal 6. ábra Szájcső csőrendszerrel 18. oldal 7. ábra A rendszer felépítése 20. oldal 8. ábra A fekvő helyzetben mozgásképtelen beteg 22. oldal 9. ábra A képernyő maszk sematikus ábrázolása 24. oldal 10. ábra A légzési ciklus grafikus ábrázolása 26. oldal 11. ábra Szervi mozgások a légzési ciklus alatt 28. oldal 12. ábra A vizsgálat protokollja 33. oldal 13. ábra A beteg légzési görbéje, inspiráció 34. oldal 14. ábra A légzés blokkolva az inspirációs fázisban 35. oldal 15. ábra Pa tienten, lejárat 36. oldal 16. ábra: A légzés blokkolása a kilégzési fázisban 36. oldal 17. ábra: A légzés blokkolása a légzési helyzet közepén 37. oldal 18. ábra Képek átfedése x, y és z irányban a trachealis bifurkáció elmozdulásának meghatározásához p 39
19. ábra 3. táblázat 20. ábra 4. táblázat a beteg különböző CT-képei a terápia során; Légzési zár a lejárat után, átlagos elmozdulás a kilégzés során és a két belégzési térfogat, a bal tüdő teljes atelektázisában szenvedő beteg, légzés közbeni mediastinum-elmozdulás, az első és a második CT-kép átlagos elmozdulása 40. oldal 47. oldal 47. oldal 48. oldal 53. oldal
TD 5/5 TD50/5 TV UTP WHO x- irány/szint y- irány/szint z- irány/szint tolerálható dózis, klinikailag releváns sugárhatások 5% -os valószínűsége 5 év tolerancia dózisban, 50% klinikailag releváns sugárhatás valószínűsége 5 év alatt Kezelt Térfogat árnyékolatlan sodrott pár Egészségügyi Világszervezet laterális-laterális irány/szint ventro-dorzális irány/szint koponya-kaudális irány/szint
PTV GTV CTV TV Daganat terjedési területe Sugárzott térfogat 1. ábra: A sugárterápia céltérfogatának grafikus ábrázolása Összefoglalva elmondható, hogy a klinikai céltérfogat (CTV) magában foglalja a tumor térfogatát (GTV), a CTV a tipikus tumor terjedési területet is figyelembe veszi. Egy másik biztonsági zóna veszi körül a tervezési céltérfogatot (PTV), amely a legjobb esetben megfelel a kezelt mennyiségnek (TV). 1.3 Mellékhatások előfordulása a besugárzott térfogattól függően Az NTCP (Normal Tissue Complication Probability) a sugárzás által kiváltott mellékhatások előfordulásának valószínűségét jelenti, intratorakális folyamatok besugárzása esetén a pneumonitis előfordulása különös jelentőséggel bír. A várakozás valószínűsége dózistól függ, és függ a beteg objektív jellemzőitől 3
mutatják a CT változását (Dörr, Side Effects in Radiation Oncology, 2000, 165. o.). A 20 Gy-vel végzett besugárzás után a tüdőgyulladás előfordulása 4% -ról 37% -ra nő (lásd 2. ábra) (2). 2. ábra: A tüdőgyulladás valószínűsége a besugárzott térfogat függvényében (2). 1.4 Korai reakció: radiogén indukálta tüdőgyulladás 1.4.1 Fejlődés, klinikai tünetek és lefolyás A tüdőgyulladás látencia fázisa (a sugárzás végétől a klinikai tünetek megjelenéséig eltelt idő) körülbelül négy-nyolc hétig tart, és kifejezettebb és hangsúlyosabb, annál inkább Sugárzást alkalmazunk, és minél több a tüdőszövet ki van téve (lásd 3. ábra: akut sugárhatások) (2). A sugárzásos tüdőgyulladás klinikai képét láz, terméketlen köhögés, légzési elégtelenség és fokozott légzési gyakoriság jellemzi. Tipikus 5
Auskultációs eredmények. A fokozott véráramlású területek gyakrabban érintettek. Radiográfia alapján a tüdőszövet matt üvegszerű összenyomódása látható. Ezek a fiziológiai tüdőhatárokat meghaladó változások általában a sugárzási portálok szerint alakulnak ki. A tüdőfunkciós teszt általában a CO2 diffúziós képességének csökkenését mutatja. A tüdő diszfunkciójának mértéke azonban a fennmaradó, nem besugárzott térfogat állapotától függ. Az akut tüdőgyulladás fokozódó érszűkülethez vezethet, ami a dyspnea előrehaladásához vezethet. 6.
Akut sugárhatások Súlyosság Nagy dózis Közepes dózis Alacsony dózis Idő/hét 100 Frekvencia [%] Dózis 3. ábra: Akut sugárzási hatások dózisfüggő alakulása: A: Súlyosság versus sugárzási dózis B: Frekvencia versus sugárzási dózis (Dörr, W. mellékhatások a rádió onkológiában, 2000, P.11) 7
1.5 Késői reakció: tüdőfibrózis 1.5.1 Fejlődés A besugárzás után hónapokkal vagy évekkel késői reakcióként tüdőfibrózis léphet fel. A megnyilvánulás súlyossága a dózis szintjével növekszik (lásd 4. ábra: krónikus sugárhatások) (2). Kialakulhat meglévő tüdőgyulladásból, de előfordulhat a tüdőgyulladás előzetes klinikai tünetei nélkül is. Radiogén indukálta, gyulladásos területek körül alakul ki, és a diffúziós út kiszélesedéséhez vezet. Krónikus sugárhatások Nagy dózis Súlyosság Közepes dózis Alacsony dózis Idő/dózis 4. ábra: Krónikus sugárzási hatások dózistól függő fejlődése (Dörr, W. mellékhatások a rádió onkológiában, 2000, 11. o.) 9
1.5.2 Klinika és lefolyás Klinikailag a röntgen csíkos kondenzációt mutat. A szövet is hegesedhet és összezsugorodhat, így kisebbnek tűnik, mint az eredeti sugárzási mező. A krónikus lefolyásban fontos a cor pulmonale fejlődése jobb szívelégtelenséggel. Ebben az esetben a röntgenfelvétel a szív árnyékának megnagyobbodását is mutatja. A mellhártya fibrotikus is lehet, dystelectasis és atelectasis is előfordulhat. A fennmaradó tüdő kompenzációs feszülése gyakran fennáll. A betegek csak akkor jelentkeznek tünetmentesen, ha a fennmaradó tüdőfunkció elegendő. A radiogén eredetű tüdőfibrózis teljes mértékét általában két év múlva érik el. 1.5.3 Osztályozás A normál szövetre gyakorolt késői hatások (LENT = késői hatású normál szövet) rögzítése négy súlyossági fokot különböztet meg: a SOMA kritériumokat (2. táblázat). S a szubjektív kritériumokat, O az objektív kritériumokat, M a mellékhatások terápiás intézkedéseit, A pedig a mellékhatások validálására szolgáló elemzési és diagnosztikai módszereket jelenti. 10.
A tüdő klinikai és kórélettani sugárzási hatásainak sematikus összefoglalását az 5. ábra mutatja. Tüdőterápiás következmények kialakulása Időbeli lefolyás akut szubakut krónikus késői halálos károsodás Klinikai károsodás Pulmonalis küszöbdózis Pneumonitis O2 diffúzió Intersticiális fibrózis Krónikus cor pulmonale Szubklinikai károsodás Dyspnoe köhögés Segmentális fibrózis A szepták megvastagodása 5. ábra: A sugárzás tüdőreakcióinak kialakulása az idő múlásával (Dörr, mellékhatások a der Radiationonkologie, 2000, 49. o.). 12.
2.1.2 Csőrendszer A vizsgálat elvégzéséhez a tesztalany csőrendszert kap egy szájrésszel, amelyen keresztül a CT-vizsgálat során lélegzik. Az orrkapcsot úgy tervezték, hogy megakadályozza az orr légzését és biztosítsa, hogy minden légzés a szájrészen keresztül történjen. A csőrendszer felépítését sematikusan mutatjuk be a 6. ábrán. A légzéssel mozgatott levegő mennyisége először egy rugalmas műanyag csövön keresztül halad át egy mikroszűrőn. Egy közbeiktatott turbina kerék irányítja a levegő áramlását a csőrendszeren keresztül. A turbinán átáramló levegő áramlása generálja a turbina kerekének áramlástól függő forgását. Ezt a forgó mozgást detektor rögzíti. A forgás számát és irányát visszavezetjük a vezérlő modulba, és átalakítjuk térfogatméréssé. A lefelé irányuló csőrendszerben van egy ballonszelep, amely teljesen lezárja a cső lumenjét, amikor az felfújva és aktiválva van, így az árapály térfogatárama mind a belégzési, mind a kilégzési irányban megakadályozható, vagyis a légzés leáll. 17-én
6. ábra: Szájcső tömlő rendszerrel (módosítva az Aktív Légzés Koordinátor Kezelői Kézikönyvben, 2001, 2-5. O.) ) Csatlakozó a ballonszelephez (7) Ballon szelep (8) Orrkapocs 18
2.1.3 Vezérlő modul A 7. ábra az egyes alkatrészek összekapcsolását mutatja. Az ABC rendszert a vezérlő modulon keresztül lehet be- és kikapcsolni. Ehhez egy kapcsoló található, mint minden más be- és kimenetnél, az alkatrész hátulján. A fő tápegységet hátulra szerelt váltakozó áramú csatlakozáson keresztül is biztosítják. A beteg légzőrendszerét a vezérlő modul is vezérli. A turbinakerék alkatrésze kábellel csatlakozik a modulhoz annak érdekében, hogy észlelje a térfogatáramot, és értékelje azt a térfogat és az áramlási irány szempontjából. A csőrendszerben lévő léggömb szelepet egy tömlő köti össze a vezérlőberendezéssel. A vizsgáló PC által kezdeményezett lélegzet visszatartására vonatkozó parancsokat a vezérlő modul úgy hajtja végre, hogy a csatlakoztatott tömlőn keresztül levegőt juttat a ballonba, felfújja és lezárja a csőrendszert. RS-232 kábel köti össze a vezérlő modult a vevővel, amely viszont egy adóhoz csatlakozik UTP kábelen keresztül. Az adó és a számítógép RS-232-n és egy szabványos kábelen keresztül van hálózatba kapcsolva. 19-én
Párhuzamos vezérlő kapcsoló Tápkábel Tápellátás Turbina jelátalakító felvétele Szerelvény Balloon Valve RS-232 soros kábel Távadó kábel vezérlő modul Balloon szelep cső Betegvisszajelzés Monitor Tápegység Tápkábel, 5. kategória, UTP kábel
A vevő tápellátásának tápkábel-kezelési helyisége Konzolterület adó RS 232 soros kábel Egyéni kábelvezérlő számítógép tápkábel 7. ábra: A rendszer felépítése (módosítva az Aktív Légzés Koordinátor Kezelői Kézikönyvben, 2001, 3-9. O.) 20
8. ábra: A fekvő helyzetben rögzített páciens A = video szemüveg az árapály térfogatáram görbéjének megjelenítéséhez
2.1.6 Mért változók (képernyő elrendezés) 9. ábra: A képernyő maszk sematikus ábrázolása A mért változók a vezérlőszoftver képernyőn több ablakra vannak felosztva, amelyek különböző rendszerbeállításokat jelenítenek meg, amelyek az adott beteg számára kiválaszthatók. A 9. ábra ezt sematikusan leegyszerűsítve ábrázolja. A felhasználói felület közepén látható a jeladón átfolyó légző levegő grafikusan megjelenített térfogatáram görbéje az idő függvényében. Az y tengely a beteg árapálytérfogatát mutatja literben. Az x tengely a kronológiai sorrendet mutatja 24-ben
10. ábra: A légzési ciklus grafikus ábrázolása (kék görbe = normális légzés, piros görbe = lihegés); Előre meghatározott térfogatok a légzáráshoz: E. = lejárat, I. = inspiráció, S.B. = Lihegő légzés A légzés leállításának térfogatát a pácienssel folytatott előző edzésen kell meghatározni (lásd alább). A légzés megszakításának időtartama azt az időt jelöli, amelyre a beteget a felvételek során a légzés leállítására kérik. A megfelelő rögzítési idő, mivel a páciens számára is látható a kép jobb alsó sarkában, a megszakítás kezdetétől visszafelé nulláig számít. Ezen időszak után a légzés automatikusan újra felszabadul. A légzés megszakítása történhet inspirációban és lejáratban is. A kiválasztás a legördülő menü Trigger Mode menüpontján keresztül történik. 26-án
2.1.8 Számítógépes tomográf Minden beteg spirális CT-képeket kap. Ehhez a Somatom Emotion (Erlangen, Németország) számítógépes tomográfot használják. Ez az eszköz egy másodpercet vesz igénybe forgatásonként. Mivel a légzés visszatartásának hosszabb idejét (> 35 másodperc) a legtöbb beteg rosszul tolerálta, a felvételekhez szeletvastagságot és 8 mm szelettávolságot választottak. Ez 25-35 másodperc teljes időt garantál a teljes mellkas egyedi felvételeinél. A mellkas képei minden esetben különböző légzési helyzetben készülnek. A páciens helyzete nem változik, és a felvételek mindig ugyanabból az asztal pozícióból indulnak, így a CT felvételek mindig ugyanabból a kiindulási helyzetből készülnek. 2.1.9 Fúziós szoftver A szervmozgások mértékét képfúziós szoftver segítségével mérik (Hermes; Nuclear Diagnostics AB, Stockholm, Svédország). Manuális lineáris fúziót hajtottunk végre lépésről lépésre, különböző tereptárgyak alapján (lépésköz/pixel = 0,975 mm) (lásd a 11. ábrát). 27.
11. ábra: Szervi mozgások a légzési ciklus alatt. Amikor a normális belégzésről a sekély légzésre vált, a beteg megváltoztatja a légzési mechanizmust (kezdetben rekeszizmos légzés, sekély légzéssel, mellkasi légzéssel).
Tájékoztatás a sztereotaktikus helymeghatározó rendszerben lélegeztetés alatt történő besugárzás beállításáról Név. Diagnózis. ID. Cél kötet. Helymeghatározó segédeszközök. Légzési térfogat: inspiráció 1a. l /. Dátum, 1b. l /. 2a. Dátum. l /. Dátum, 2b. l /. A dátum lejárata 1a. l /. Dátum, 1b. l /. 2a. Dátum. l /. Dátum, 2b. l /. A lihegés dátuma 1a. l /. Dátum, 1b. l /. 2a. Dátum. l /. Dátum, 2b. l /. Dátum 12. ábra: A vizsgálat protokollja Az egyes felvételek között a páciensnek mindig volt ideje visszanyerni a kényelmes légzést, engedni a dyspnoát és kompenzálni a légzési hiányosságokat. A vizsgálat kezdete: Először a páciens megkapta a videós szemüveget, a szájfeltétet és az orrkapcsot, és felkérték, hogy a csövön keresztül görbe formájában figyelje meg a légzést. Ezután a tesztalany megkapta a vezérlő kapcsolót, és utasította, hogy tartsa lenyomva, hogy megmutassa a vizsgabiztosnak, hogy készen áll az ülés megkezdésére. A beteget utasították, hogy azonnal engedje el a kapcsolót, ha kényelmetlenül érzi magát vagy segítségre szorul. Nyugodt légzés elérése: A parancsot a betegnek a normális és nyugodt légzés feltételezésére kapták meg (lásd 13. ábra). 33
13. ábra: A beteg légzési görbéje; A zöld vonal azt a hangerőt jelöli, amely kiválasztva van a légzés elzárásához az inspiráció alatt Légzési zár az inspiráció alatt: Miután a tesztalany ezt elérte, a vizsgáztató a szóköz lenyomásával aktiválta a rendszert. Aktivált üzemmódban egy zöld sáv jelent meg a kiválasztott légzáró hangerő szintjén. Néhány légzési ciklus után a beteget arra kérték, hogy lélegezzen be ebbe a zöld területbe (lásd 14. ábra). Ennek eredményeként a további légzés már nem volt lehetséges, mert a ballonszelep teljesen lezárta a cső lumenjét, amikor az most felfújt volt. A légzár általában csak akkor oldható fel, ha a beteg elengedi a vezérlő kapcsolót, vagy ha a vizsgáló megnyomja a szóközt. Ebben az esetben a zöld területet eltávolították volna a kijelzőről. Ellenkező esetben a légzési megszakítás automatikusan befejeződik a korábban megadott letartóztatási idő után. 34
14. ábra: A légzés blokkolva van az inspirációs fázisban (zöld sáv), itt 17 másodpercig. Mielőtt a beteg megismételné a vizsgálatot, elegendő időt kapott a normális légzés visszatérésére. Felvételek a lejárat ideje alatt: Miután az inspirációs fázisban két légzési ciklus záródott, a lejárathoz tartozó felvételek következtek. A 15/16 ábra ezt egy példával szemlélteti. 35
15. ábra: A beteg légzési görbéje; a zöld vonal jelzi azt a hangerőt, amelyet a légzés lejárta utáni lezárásához választottak 16. ábra: A légzés blokkolása a lejárati fázis alatt (zöld sáv) Az utolsó felvételek középső helyzetben készültek (lásd 17. ábra). 36
17. ábra: A légzés blokkolása a légzés közepén (hackelés) 2.3 Célváltozók 2.3.1 Értékelt tereptárgyak A szerv elmozdulások mérését lineáris fúzióval végeztük. A légcső kettéágazásának lineáris fúziójára mutat példát a 18. ábra. Az alábbi összehasonlítandó tereptárgyakat választottuk ki: 1. mindkét oldalon a rekeszizom, mindkét oldalon a tüdőcsúcsok és 3. a légcső kettéágazása. A légzés közbeni eltéréseket mindhárom szintre meghatároztuk: x-irány = laterális-laterális, y-irány = ventro-dorzális és z-irány = canio-caudalis. 37