Кибернож

Система CyberKnife использует систему управления изображением. Камеры рентгеновского изображения располагаются вокруг пациента, благодаря чему получаются мгновенные рентгеновские изображения.

Первоначальный метод (который всё ещё используется) — метод отслеживания положения черепа. Изображения рентгеновской камеры сравниваются с библиотекой анатомических изображений пациента, сгенерированных компьютером. Радиоизображения, реконструированные цифровым способом (DRR), передаются в компьютерный алгоритм, который определяет, какие изменения движения робота необходимы в связи с движениями пациента. Система изображений позволяет киберножу излучать с точностью до 0,5 мм без использования механических зажимов, прикрепляемых к голове пациента[5]. Изображения строят с помощью бескаркасной стереотаксической радиохирургии. Этот метод считается 6-мерным (6-D), поскольку коррекции производятся вращательными и поступательными движениями в трёх направлениях (X, Y и Z). Следует отметить, что необходимо использовать некоторые анатомические и искусственные особенности для ориентации робота при излучении рентгеновского излучения, поскольку опухоль никак не может быть в достаточной степени определена (если она полностью видима) на изображениях рентгеновской камеры.

Для работы с опухолями спины и лёгких доступны дополнительные методы контроля изображений. Для опухолей спины используется вариант, называемый Xsight-Spine[6]. Вместо сбора изображений черепа при этом методе используются изображения позвоночника. В то время как череп имеет жёсткую неизменяемую структуру, позвонки могут двигаться относительно друг друга, поэтому необходимо применять алгоритмы искривления изображения для коррекции искажений изображений рентгеновской камеры.

Недавно было разработано Xsight-Lung[7] — усовершенствование метода Xsight, позволяющее отслеживать положение некоторых лёгочных опухолей без имплантации сравнительных маркеров[8].

Для некоторых опухолей мягких тканей может быть использован метод отслеживания сравнительного положения[9]. Небольшие металлические маркеры изготавливаются из золота (для биологической совместимости) высокой плотности для получения хорошего контраста рентгеновских изображений и имплантируются в пациента хирургическим путём. Процедуру производит интервенционный радиолог или нейрохирург. Размещение маркеров — критически важный шаг при проведении обследования. Если они окажутся слишком далеко от местоположения опухоли или не будут достаточно рассеяны друг относительно друга, станет невозможным точно распределить облучение. Как только маркеры размещаются на местах, они отображаются на сканере CT, система контроля изображения программируется в соответствии с их позицией. После получения изображений рентгеновской камерой определяется положение опухоли относительно маркеров и осуществляется облучение соответствующей части человеческого тела. Таким образом, метод сравнительного отслеживания не требует информации об анатомии скелета для позиционирования облучения. Тем не менее известно, что маркеры могут мигрировать, что ограничивает точность лечения, если оно не могло быть проведено в надлежащее время между моментом имплантации и лечением для стабилизации маркеров[10][11].

Система Кибернож также может использовать метод синхронизации. В этом методе используется комбинация имплантируемых фидуциарных маркеров (обычно — небольших маркеров из золота, хорошо видимых на рентгеновских изображениях) и светоизлучающих оптических волокон (LED-маркеров), устанавливаемых на коже пациента. Их положение также отмечается следящей инфракрасной камерой. Поскольку опухоль постоянно движется, рентгеновские камеры, необходимые для получения постоянного изображения, требуют слишком большого уровня излучения, попадающего на кожу пациента. Система синхронизации решает эту проблему, периодически получая изображение внутренних маркеров и вычисляя модель связи между движением внешних LED-маркеров и внутренних маркеров. Метод получил такое название, поскольку для синхронизации двух потоков данных необходимы временные отметки с двух датчиков (рентгеновских инфракрасных LED).

Для предотвращения скрытых перемещений робота и изменений изображения используется прогнозирование движения. Перед началом лечения компьютерный алгоритм создаёт модель корреляции, отвечающую на вопрос о взаимосвязи движения внутренних маркеров в сравнении с движением внешних маркеров. В ходе лечения система периодически отмечает положение внутренних маркеров и соответствующее положение опухоли на основе движения накожных маркеров. Во время лечения корреляционная модель обновляется с постоянным шагом по времени. Таким образом, при методе отслеживания синхронизации не делаются предположения о регулярности или воспроизводимости характера дыхания пациента.

Для правильной работы системы синхронизации необходимо, чтобы для любой корреляционной модели существовала функциональная зависимость между маркерами и внутренними фидуциарными маркерами. Размещение внешнего маркера также важно, маркеры обычно размещаются в животе пациента, благодаря чему их движение отражает внутреннее движение диафрагмы и лёгких. Метод синхронизации был изобретён в 1998[12][13]. Первые пациенты прошли лечение в больнице Кливленда в 2002. Этот метод используется главным образом при онкологических заболеваниях лёгких и поджелудочной железы[14][15].

Для изменения позиции пациентов при лечении используется робототехническое ложе с шестью степенями свободы, называемое RoboCouch[16].

Безрамная основа системы CyberKnife также повышает клиническую эффективность. В традиционной, основанной на применении рамы радиохирургии точность вмешательства зависит только от соединения жёсткой рамы с пациентом. Рама прикрепляется к черепу пациента инвазивным алюминиевыми или титановыми шурупами. Система CyberKnife — единственное радиохирургическое устройство, не требующее рамы для точного определения цели[17]. После установления рамы относительные позиции человеческой анатомии могут определяться сканерами CT или МРТ. После сканирования врач может спланировать облучение, используя выделенную компьютерную программу, и рама убирается. Таким образом, использование рамы требует выполнения линейной последовательности событий, прежде чем можно будет лечить следующего пациента. Поэтапная радиохирургия посредством системы CyberKnife даёт особенную выгоду пациентам, которые до этого получали большие дозы обычной радиотерапии, и пациентам, имеющим глиомы близ критических областей мозга. В отличие от радиотерапии всего мозга, которая может проводиться ежедневно в течение нескольких недель, радиохирургия обычно может быть выполнена за 1-5 лечебных сеанса. Радиохирургия может применяться в одиночку для лечения опухолей мозга или в совокупности с хирургией или радиотерапией всего мозга, что зависит от специфических клинических обстоятельств[18].

In iterative optimization, simplex optimization, or Sequential Optimization, the solution set can consist of the sum of the number of isocentrically targeted beams and non-isocentrically targeted beams. Therefore, the maximum number of potential beams in a single treatment plan is 10,256 beams, if 32 isocenters are targeted and 12 collimators are used to generate a treatment plan using Sequential Optimization.

— CK's Physics Essential Guide

Другой особенностью этой системы является наличие ряда трекинговых систем, которые отслеживают расположение опухоли в пространстве, в том числе в режиме реального времени. Это позволяет автоматически подстраивать наведение пучка во время сеанса лечения, что обеспечивает высокую (субмиллиметровую) точность не только позиционирования ускорителя, но и самого облучения без жёсткой фиксации пациента, то есть без стереотаксической рамки, которая крепится к черепу пациента, например, при лечении «Гамма-ножом». Слежение обеспечивается двумя парами «рентгеновская трубка — детектор на аморфном кремнии», изображения с которых поступают в компьютер, который обрабатывает их и создаёт стереоскопическое изображение. Ориентирами для этой системы служат костные структуры пациента, рентгеноконтрастные метки и в случае достаточного контраста — сама опухоль. При радиохирургическом лечении области лёгких во время дыхания происходит смещение опухоли в пространстве. Комплекс трекинговых систем Киберножа позволяет проводить точное лечение, не ограничивая дыхание пациента, моделируя позицию терапевтической мишени по положению ИК-датчиков на теле пациента (то есть по дыхательной экскурсии). Высокая точность позиционирования пучка ионизирующего излучения позволяет применять в лечении пациента намного большие дозы излучения за сеанс, что позволяет сократить курс лечения от нескольких недель до одного-пяти дней[19][20].