Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Современное состояние проблемы. 14
1.1 Методы локального инвазивного воздействия на ткани мозга:
1.1.1 Криохирургический метод; 14
1.1.2 Высокочастотная гипертермия тканей мозга ; 39
1.1.3 Анодный лизис тканей мозга; 40
1.1.4 Лазерная хирургия тканей мозга; 41
1.1.5 Имплантируемые радиоактивные источники для целей радионейрохирургии; 43
1.1.6 Редко используемые методы локального инвазивного воздействия. 46
1.2 Стереотаксические устройства. 47
1.3 Методы локального неиивазнвного воздействия на ткани мозга:
1.3.1. Радиохирургия пучками тяжелых заряженных частиц; 59
1.3.2. Радионейрохирургия на установке Gamma-Knife; 63
1.3.3. Радиохирургия с помощью узких фотонных пучков; 66
1.4. Выводы из анализа литературных данных и постановка задач исследования. 74
Собственные исследования
I - Инвазивный стереотаксис
ГЛАВА 2 Методы локального воздействия на ткани мозга: 79
2.1 Локальная криохирургия образований мозга: 81
2.1.1 Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования криохирургического прибора для локальных деструкции ткани мозга : 82
2.1.2 Исследование параметров действия криозонда на ткань мозга (in vivo). 95
2.2 Электрические методы локального воздействия на ткани мозга 104
2.3 Имплантируемые изотопные источники для целей радионейрохирурпш: 106
2.3.1 Исследование радиационно-физическнх характеристик источников Te-125m; 111
2.3.2 Экспериментальное исследование параметров воздействия радиоактивных источников Те-125пл на ткани мозга (in vivo). 120
ГЛАВА 3. Стереотаксическпе системы: 127
3.1 Стереотаксическая система НИЗАН; 134
3.2 Стереотаксическая система ПОАНИК. 145 ГЛАВА 4 Инвазнвные стереотаксическпе нейрохирургические методики. 156
4.1 Стереотаксическое лечение глиальных опухолей с применением криодеструкции ; 160
4.2 Предоперационное планирование стереотаксической криодеструкции; 178
4.3 Недеструктивные стереотаксическпе методики. 186
II - Неинвазивный стереотаксис глава
5 Дистанционная стереотаксическая радиохирургия 201
5.1 Дистанционная радионейрохирургия узкими пучками протонов с энергией 1000 МэВ. 201
5.1.1 Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения протонных пучков с энергией 1000 МэВ для радионейрохирургии; 202
5.1.2 Формирование локальных глубинных дозных полей; 214
5.2 Стереотаксическая радионейрохирургия и радиотерапия с
помощью высокоэнергетических фотонных пучков. 237
ГЛАВА 6 Сравнительный анализ источников излучения, применяемых для дистанционной радионейрохирургии . 245
Заключение. 253
Выводы. 253
Список литературы 256
- Высокочастотная гипертермия тканей мозга
- Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования криохирургического прибора для локальных деструкции ткани мозга
- Стереотаксическое лечение глиальных опухолей с применением криодеструкции
- Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения протонных пучков с энергией 1000 МэВ для радионейрохирургии;
Введение к работе
Стереотаксис - медицинская технология, обеспечивающая малотравматичные щадящие доступы к глубоким образованиям мозга человека с целью диагностики, лечения и изучения сложных заболеваний и поражений центральной нервной системы. С момента появления первого стереотаксического прибора - энцефалометра Д.Н. Зернова прошло более ста лет (Zernov D. 1890). За этот промежуток времени было несколько попыток создания стереотаксических систем, которые предназначались для исследований функций мозга и снижения сопутствующей травматизации мозга при проведении нейрохирургических операций. На средину прошлого столетия приходится максимальное развитие клинического стереотаксиса. Стереотаксическая аппаратура этого периода применялась в основном для проведения операций с исследовательской целью. При помощи этой аппаратуры пытались локализовать функционально-значимые структуры мозга и воздействовать на них различными физическими или химическими методами. К этому же периоду времени относятся первые попытки применения стереотаксиса в нефункциональной нейрохирургии, т.е. для . лечения очаговых поражений головного мозга - опухолей, гематом, абсцессов. С тех пор, постоянно усовершенствуя стереотаксическую технику и методы локального воздействия на структуры мозга, исследователи старались приблизиться к идеалу стереотаксической операции -планируемому воздействию на внутримозговую мишень при полной сохранности зон, не подлежащих воздействию.
Успехи экспериментальной ядерной физики того периода, создание ускорителей элементарных частиц и разработка технологий получения искусственных радиоактивных изотопов, дало в руки врачей методы неинвазивного воздействия на глубинные структуры тела человека, которые в частности стали применяться в стереотаксической нейрохирургии.
Следующим событием, давшим толчок развитию стереотаксиса, стало появление в медицине в 70-80-х годах прошлого века компьютерных томографов и персональных компьютеров. Рентгеновские и магниторезонансные компьютерные томографы позволили нейрохирургам -стереотаксистам увидеть внутримозговые структуры, которые подлежали воздействию, что значительно облегчило задачу их локализации. При использовании обычной рентгенографии эти структуры оставались невидимыми, а для их локализации использовались внутримозговые ориентиры и специальные стереотаксические атласы. Координаты внутримозговых структур рассчитывали, исходя из метрических данных, полученных для усредненного мозга и использованных для построения атласа, не учитывая при этом индивидуальные анатомические особенности мозга пациента. Большинство современных стереотаксических систем оснащены специализированными математическими программами, которые . дали возможность проводить расчеты координат целевых точек, на основе полученных томографических данных, и осуществлять наведение на них стереотаксического инструмента, или пучка высокоэнергетического излучения.
К настоящему времени значительно расширились показания к применению стереотакстиса. Во многих нейрохирургических центрах продолжается применение стереотаксиса в функциональной нейрохирургии. Стереотаксис эффективно используется у больных, страдающих паркинсонизмом, органическими гиперкинезами, эпилепсией, неукротимыми болями, некоторыми психическими нарушениями (в том числе наркоманией). Однако сейчас стереотаксис в большей степени применяется для целей нефункциональной нейрохирургии - это стереотаксическая навигация при различных операциях на мозге, стереотаксическая биопсия новообразований мозга, стереотаксическая деструкция опухолей мозга, стереотаксическая эвакуация гематом, абсцессов, инородных тел и т.д. По данным обзора (Gildenberg 1994), посвященного состоянию стереотаксиса в странах Европы
7 и Северной Америки, за 17 лет число стереотаксических биопсий мозговых новообразований выросло в 6000 раз, эвакуации гематом более чем в 800 раз, аспирации кист и абсцессов - более чем в 400 раз. Стереотаксис в ряде случаев позволяет заменить «открытые» нейрохирургические операции щадящими стереотаксическими вмешательствами, когда вместе с искусством нейрохирурга к успеху приводят использование возможностей современной интроскопической техники, точный математический расчет и техническое совершенство применяемой аппаратуры.
Стереотаксис можно условно подразделить на инвазивный и неинвазивный. Инвазивный стереотаксис подразумевает нарушение целостности тканевых покровов головы пациента, проникновение во внутримозговую мишень специальным инструментом и оказание на эту мишень специфического воздействия. Неинвазивный стереотаксис основан на применении для воздействия на структуры мозга дистанционных радиационных источников высокой энергии, без нарушения целостности покровов головы. Эффективность этого метода при лечении таких заболеваний, как - аденомы гипофиза, артерио-венозные мальформации, опухоли мозга небольших размеров, бывает не ниже, чем при оперативной нейрохирургии, но сопутствующая травматизация мозга значительно меньше. По мнению ведущих специалистов, только в России такие стереотаксические операции показаны не менее чем 1 миллиону больных. Актуальность темы
Появление во второй половине прошлого столетия компьютерной рентгеновской и магнитно-резонансной томографии значительно повысило информативность диагностики заболеваний центральной нервной системы (ЦНС). Это привело к диспропорции между точной диагностикой и общепринятым в то время в нейрохирургии подходом, когда оперативное вмешательство осуществлялось на основе субъективных знаний анатомии и пространственного воображения нейрохирурга. Сложившееся положение стимулировало развитие малоинвазивных инструментальных методов
8 лечения ряда заболеваний ЦНС, использующих современную томографическую диагностику и основанных на стереотаксических принципах. (Leksel L. 1980, Аничков А.Д. и др. 1999, Трофимова Т.Н. 1998, Холявин А.И. 2001, Шустин В.А. 1998). В арсенале нейрохирургов появился ряд коммерческих стереотаксических систем, позволяющих нацеливаться на внутримозговые мишени с помощью томографов и оказывать локальные воздействия. (Brown R.A.1975, Leksel L. 1985, Birg W., 1985, Chapter J. 1999, Аничков А.Д. и др. 1998). Все это привело к более широкому применению стереотаксиса, причем темпы увеличения числа стереотаксических операций в нефункциональной нейрохирургии значительно превысили их число в функциональной. Был разработан ряд хорошо зарекомендовавших себя стереотаксических методик, которые стали широко применяться в нейрохирургии. Особую роль в настоящее время играет стереотаксис для диагностики и лечения опухолей головного мозга,, прежде всего диагностированных на ранних стадиях. В большинстве случаев хирургическое лечение опухолей головного мозга с помощью традиционных «открытых» нейрохирургических вмешательств производится, когда объем опухоли уже достаточно велик. В случае малого размера опухоли, расположенной в глубине мозга, только стереотаксис может позволить нейрохирургу отыскать ее, уточнить диагноз путем биопсии и осуществить адекватное лечение. (Mundinger F. 1984,1985, Ostertag В. 1980, Голанов А.В. 1998). К сожалению, деструктивные стереотаксические методики, которые можно было бы использовать для лечения опухолей мозга, в настоящее время используются недостаточно широко. Такое положение связано, в основном, с отсутствием у нейрохирургов - стереотаксистов методов локального деструктивного воздействия, в достаточной мере удовлетворяющих требованиям малоинвазивной нейрохирургии - это прежде всего локальность и предсказуемость биологических параметров действия на ткани мозга.
Локальное воздействие на стереотаксическую мишень заключительный этап в диагностике и стереотаксическом лечении
9 нейрохирургических больных. Предшествующие этапы могут быть скорректированы при подготовке и проведении операции, воздействие же на мишень ставит окончательную точку в стереотаксической процедуре и, соответственно, может привести стереотаксическое вмешательство к успеху или неудаче (Кандель Э.И. 1972, 1981). При клиническом применении методов воздействия на мозг локальность - одно из важнейших условий воздействия. Анатомические особенности мозга, где компактно расположены жизненно важные и функционально значимые структуры, вносят жесткие пространственные ограничения геометрические параметры воздействия. Высокие требования к точности наведения стереотаксического инструмента на мишень должны быть соизмеримы с требованиями к знанию физических и биологических параметров воздействия на ткани мозга, позволяющих получать планируемый клинический эффект. Современное состояние медицинской техники не всегда позволяет локализовать патологический очаг или функционально-значимую структуру и селективно воздействовать на них с целью объемной деструкции, в то время как потребность нейрохирургии в технологиях подобного рода достаточно высока. Таким образом, актуальность настоящего исследования определяется необходимостью разработки новых малоинвазивных методов локального воздействия на здоровые и патологические структуры мозга, определения их медико-биологических параметров, что имеет важное теоретическое и практическое значение для повышения эффективности и качества медицинской помощи населению.
Целью настоящего исследования является: Обоснование и разработка комплекса методов и технических средств стереотаксического лечения заболеваний головного мозга. Для достижения цели решались следующие задачи: 1. Разработать методы локального низкотемпературного воздействия на ткани мозга. Исследовать биофизические и медико-биологические параметры криовоздеиствия на патологические и здоровые ткани мозга с точки зрения
10 возможности применения разработанной аппаратуры в клинике стереотаксической нейрохирургии.
2. Дать медико-биологическое обоснование возможности применения в
нейрохирургии имплантируемого радиоактивного источника
низкоэнергетического Гамма-излучения на базе Те-125т.
3. Разработать стереотаксические системы, предназначенные для
локализации внутримозговых мишеней с помощью современных
интроскопических методов и наведения на них инструмента локального
воздействия или узких пучков высокоэнергетического излучения.
4. Исследовать биофизические особенности воздействия на ткани мозга
пучков протонов с энергией 1000 МэВ с целью определения возможности
применения их для дистанционной стереотаксической радионейрохирургии.
5. На основании проведенных исследований разработать
стереотаксические методики малоинвазивных нейрохирургических операций;
и дать обоснование возможности применения их в клинике для лечения
заболеваний головного мозга.
Научная новизна:
Впервые в эксперименте изучено локальное действие температур около -70С на патологические и здоровые ткани мозга. Дано медико-биологическое обоснование применения этого метода для стереотаксической нейрохирургии.
Впервые исследована и внедрена в клиническую практику новая стереотаксическая методика лечения неоперабельных глиальных опухолей мозга. Методика основана на экспериментально показанном феномене -функциональной неоднородности глиальных опухолей - наличии в них локальных зон гиперметаболизма, сопровождающегося интенсивной пролиферацией. Методика заключается в локализации с помощью позитронно-эмиссионного томографа пролиферативно-активных зон опухоли мозга, которые затем подвергаются стереотаксической криотомии.
Впервые изучены физические параметры и морфологические особенности действия на ткани мозга имплантируемых источников низкоэнергетического гамма-излучения на базе изотопа Те-125М, экспериментально показана возможность применения источников в нейроонкологии.
Для проведения малоинвазивных операций на мозге человека разработаны и внедрены в клиническую практику оригинальные стереотаксические системы, обладающие адаптивностью, универсальностью и автономностью относительно интроскопических установок.
Впервые с помощью биодозиметрических тестов исследованы дозиметрические и медико-биологические параметры пучков протонов с энергией 1000 МэВ от синхроциклотрона ПИЯФ РАН, дано обоснование возможности применения данного излучения для целей дистанционной стереотаксической радионейрохирургии.
Разработаны методы и устройства, предназначенные для локализации внутримозговых мишеней с помощью КТ, МРТ и ангиографа при подготовке к стереотаксическим инвазивным вмешательствам и стереотаксическому облучению этих мишеней узкими пучками высокоэнергетического излучения.
Практическая значимость: В работе сформулированы требования к методам локального воздействия на ткани мозга, а также принципы их использования. Проведен сравнительный анализ нескольких методов локального воздействия, разработано техническое обеспечение клинических методик, позволившее применить их для лечения заболеваний центральной нервной системы. Все разработки, представленные в диссертации, предназначены для использования их в клинических учреждениях нейрохирургического профиля. В разработках учтены специфические особенности отечественной медицины, что позволило широко внедрить их в клиническую практику ряда медицинских учреждений нашей страны и ближнего зарубежья.
12 Основные положения, выносимые на защиту:
Медико-биологические параметры действия криозондов с температурой - 79С и имплантируемых источников на базе Те-125м позволяют получать ограниченные зоны некроза тканей мозга в планируемом объеме.
Метод лечения глиальных опухолей мозга, состоящий из стереотаксической локализации пролиферативно-активных зон с помощью позитронно-эмиссионного томографа и криодеструкции этих зон, применим на опухолях, не допускающих открытое вмешательство. Это малоинвазивный нейрохирургический метод, обеспечивающий сохранение качества жизни пациентов после операции.
Биофизические и медико-биологические параметры пучков протонов с энергией 1000 МэВ позволяют использовать этот вид излучения в медицине, а применение разработанных стереотаксических устройств обеспечивает возможность проведения радиохирургических операций на мозге.
4. Разработанные стереотаксические системы и методы
локализации внутримозговых мишеней с наведением на них
стереотакснческого инструмента излучения позволяют решать задачи
малоинвазивной нейрохирургии.
Апробация и внедрение результатов работы. Результаты научного исследования доложены и обсуждены на I международном семинаре по использованию протонных пучков в лучевой терапии (МЛ 979), на III и IV совещаниях по использованию новых ядерно-физических методов для решения научно-технических и народно-хозяйственных задач (Дубна 1979,1982), The international symposium "Physiological and biochemical basis of brain activity" (Санкт-Петербург 1994), на международной научной конференции «Актуальные вопросы лучевой диагностики и интервенционной радиологии» (Спб. 1997), International MRY simposium (Dusseldorf 1997), Congress of Baltik Neurosurgeons (Riga 1993), I, II, и III
13 съездах нейрохирургов (1995, 1998, 2002), на V и VI симпозиумах «Повреждения мозга (минимально инвазивные технологии)» (1999, 2001 С-Петербург), VII международном симпозиуме «Новые технологии в нейрохирургии» (Санкт-Петербург, 2004), на всероссийской научно-практической конференции «Поленовские чтения» (апрель 2005), на международной научно-практической конференции «Малоинвазивная нейрохирургия» (май 2006) и в ряде других отечественных и международных форумах.
Разработанные методы внедрены в клиническую практику Института мозга человека РАН, Российской Военно-медицинской академии, Центрального научно-исследовательского рентгено-радиологического института Росздрава, психоневрологического НИИ им. В.М. Бехтерева, клинической больницы № 26 г. С.Петербурга, Спб-МАПО, Республиканской клинической больницы г. Каунаса, Областной клинической психиатрической больницы г. Ярославля, ГИДУВ Новокузнецк, Областной больницы г. Брянск, городской клинической больницы N1 г. Омска, ^больницы неотложной медицинской помощи г. Омска, Мурманской областной больницы, Областной клинической больницы г. Рязань, Государственного института лазерной хирургии г. Челябинск, больницы скорой помощи г. Алматы, Казахстан, Городской больницы N5 г.Тольятти, Российского нейрохирургического института им. Поленова, Удмуртского республиканского нейрохирургического центра (г. Ижевск), В этих клинических учреждениях используются разработанные нами методики и оригинальная аппаратура при стереотаксическом лечении тяжелых заболеваний головного мозга. К настоящему времени проведено более 2000 малоинвазивных операций с использованием криометода и стереотаксической техники. С помощью узких протонных пучков синхроциклотрона ПИЯФ на базе клиники ЦНИРРИ МЗ РФ к настоящему времени пролечено около 1500 больных с диагнозами «аденомы гипофиза» и «артерио-венозные мальформации».
14 Публикации. По теме диссертации имеется 61 печатная работа; в центральных отечественных и зарубежных журналах - 16, патентов и авторских свидетельств - 11, в материалах конференций, симпозиумов и сборниках научных трудов - 31, монография -1, учебно-методическое пособие -1, информационное письмо МЗ и МП -1. Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, обзора литературы, пяти глав с описанием результатов собственных исследований и их обсуждений, выводов, списка литературы и приложения. Работа содержит 12 таблиц, 96 рисунков. Список литературы включает 285 источников, из которых 121 отечественных авторов и 164 зарубежных. Машинописный текст диссертации изложен на 284 страницах.
Высокочастотная гипертермия тканей мозга
Это деструктивный метод воздействия, который основан на нагревании ограниченного объема ткани при пропускании через нее высокочастотного синусоидального тока от монополярного или биполярного электрода, погруженного в мозг. Метод используется в клинических целях с начала шестидесятых годов. (Абраков Л.В. 1975) В настоящее время он получил большое распространение при стереотаксическом лечении таких функциональных заболеваний, как паркинсонизм, эпилепсия, психические расстройства и ряда других. Для локальной внутритканевой электрокоагуляции применяют обычно генераторы синусоидального напряжения с частотой до 1МГц и регулируемой мощностью до нескольких десятков ватт. Объем деструкции зависит от конструкции электрода и величины пропускаемого через него тока. При коагуляции температуру ткани, прилежащей к активным поверхностям электрода, необходимо контролировать. Обычно для этой цели применяют встроенные в электрод термопары, или терморезисторы. Монополярные электроды образуют более определенную форму деструкции, чем биполярные, но при этом объем разрушения больше зависит от физических параметров окружающей ткани. Биполярные электроды можно использовать как универсальные - для проведения электростимуляций, измерения биопотенциалов и эмпиданса.. При осуществлении деструкции, окружающую электрод ткань нагревают до уровня не более 60-70С. Нагревание до большей температуры может привести к необратимому повреждению стенок прилежащих сосудов, или привариванию окружающей ткани к электроду. Большинство термокоагуляторов, например выпускаемые фирмой Radionix, позволяют осуществлять автоматическое поддержание температуры за счет отрицательной обратной связи по температуре от встроенных датчиков. (CosmanKR.udp.1983).
Анодный электролизис - это один из первых методов деструктивного воздействия, который применялся в стереотаксической нейрохирургии. Spiegel и Wucis впервые применили этот метод в 1952 году для деструкции базальных ганглиев при стереотаксической операции у человека (Spiegel Е., Wucis Н. 1952.)
Метод основан на разрушении тканей постоянным электрическим током в результате электролиза тканевых солевых растворов. В качестве более стабильные объемы разрушений, чем при применении для этой цели катода. В настоящее время анодный лизис применяется ограниченно в инвазивном стереотаксисе для осуществления локальных деструкции при лечении функциональных заболеваний. (Кандель Э.И. 1981) Осуществляется он с помощью источников постоянного напряжения, стабилизированных по току в диапазоне 1-20 мА, и микроэлектродов из материалов, стойких к электролитическому разрушению (золото, платина, специальные сплавы). Для обеспечения возможности многократной деструкции с целью получения больших очагов разрушения применяют электроды стилетного типа с выдвигающейся в сторону от направителя активной частью. Часто используются универсальные микроэлектроды, позволяющие не только осуществлять деструкцию, но и проводить электростимуляцию подкорковых структур, а также измерение биопотенциалов. Такое многоцелевое использование электродов дает возможность получения дополнительной информации об их локализации в мозге. Объемы деструкции зависят от величины активной части электрода, плотности анодного тока, временной экспозиции воздействия и количества точек электролизиса. Чаще всего применяют стабилизированный ток в диапазоне 5-Ю мА, используя при этом экспозицию в качестве основной регулирующей характеристики. Временную экспозицию выбирают исходя из итогового количества электричества, прошедшего через активный конец анода. Последние 30 лет лазерные медицинские технологии стали широко применяться в различных областях хирургии. Высокоэнергетическое и высокоинтенсивное лазерное излучение используется для иссечения и выпаривания тканей, термотерапии и фотодинамической терапии. В неироонкологии используется высокоэнергетическое лазерное излучение для локального деструктивного воздействия на патологическую опухолевую ткань посредством локальной гипертермии (Roux F.X. et al 1992; Козель А.И. 2000; Slavin К., и др. 1999; Fox J.L. 1969). На основании предварительного компьютерного планирования стереотаксически по трубке-направителю в опухолевый объем вводится кварцевый световод в силиконовой трубке. В работе (Козель А.И. 2000) облучение опухоли лазерным излучением с поддержанием температуры на уровне 60-70С производится фракционированно по 15 минут за сеанс в течение 12-15 дней, при этом в объем опухоли подводится энергия около 300 Дж. Все время лечения световод с направляющей трубкой остается закрепленным в голове пациента. Для деструкции используется фотонное излучение Nd:YAG лазера мощностью около 1,5 Вт.
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности использования криохирургического прибора для локальных деструкции ткани мозга
При разработке криохирургического прибора на основе твердой двуокиси углерода, специализированного для проведения операций на мозге, мы исходили из того, что, как было показано в анализе литературы, температуры сухого льда достаточно для деструкции тканей мозга. Сухой лед - доступный, достаточно безопасный и удобный в работе материал. Температура сухого льда обеспечивает хорошую адгезию с тканями и в то же время не образует ледяных переломов ткани, чреватых образованием гематом. При конструировании прибора было решено разделить в нем функции хладоагёнта и хладоносителя. В качестве хладоносителя был выбрана жидкость с высокой, слабо меняющейся при низких температурах текучестью - ацетон. Температура отвердевания ацетона -95С, температура кипения +56,2С. Такие физические характеристики жидкости позволяют использовать ее в качестве хладоносителя. Ацетон не затвердевает и не теряет текучесть при температуре сухого льда и не закипает при контакте со стенками охлаждающей камеры, имеющей температуру ткани. В результате осуществляется хороший температурный контакт хладоносителя с охлаждающей камерой зонда и затем с тканью мозга в зоне воздействия, что в свою очередь значительно уменьшает время замораживания.
Криозонды являются наиболее сложными и наиболее ответственными элементами криоприбора. При его проектировании мы взяли за основу готовую конструкцию (Шальников 1970), которая применялась в приборах, работающих на жидком азоте. Эти криозонды состояли из корпуса, представляющего собой две соединенные на концах коаксиальные трубки, с зазором между ними, и охлаждающей камеры с диаметром наружной трубки корпуса. Жидкий азот подается в охлаждающую камеру по тонкой центральной трубке, в охлаждающей камере испаряется и затем по зазору между корпсом зонда и подводящей трубкой принудительно аспирируется. В этих зондах для обеспечения термоизоляции корпуса используется глубокий вакуум. На наш взгляд это было недостатком зонда, т.к. глубокий вакуум в миниатюрном зонде создать достаточно сложно. Еще сложнее этот вакуум поддерживать в условиях использования криозонда в операционной, где он подвергается механическим нагрузкам и его необходимо стерилизовать, применяя высокие температуры, или химически агрессивные среды. Потеря вакуума в процессе операции может привести к замораживанию здоровой ткани по треку погружения зонда и необратимым повреждениям мозга. В связи с этим был проведен теоретический анализ возможности использования для термоизоляции низкого вакуума, или просто герметизированного двойного корпуса, заполненного воздухом с нормальным давлением. Было показано, что при низком вакууме, в диапазоне давлений Р= 1+0,0013 ат. теплопроводность воздуха А практически не зависит от давления при условии: Ткр ТиРг 2/ЗТг,где Ткр - (критическая температура воздуха) = 133 К (-140С) Т - (температура хладоносителя) = 203К (-70С) Рг=Р/Ркр; Тг=Т/Ткр Ркр - (критическое давление воздуха) = 38,5 ат. Ткр Т - 133К 203К Рг=1/38,5 = 0,026; Тг= 203/133 = 1,53 0,026 2/3- 1,53; 0,026 Ш - Т.е. соблюдается условие, при котором А не зависит от давления и, следовательно, создавать вакуум в показанном диапазоне давлений не имеет смысла. При среднем вакууме, в диапазоне давлений 0,0013+0,0013 10 ат. еще действуют законы для идеального газа, и тогда А можно представить в виде: A=sl/V2 7ud3n0; n0=NaP/RT A=RT2/V2 7cd3NaP2 где: R - универсальная газовая постоянная; Т2- температура воздуха в корпусе зонда; Р2- давление воздуха в корпусе зонда; Na - 6,022-1023 - число Авогадро; d - диаметр молекул. Исходя из того, что в результате действия законов для идеального газа при постоянном объеме: T2/P2=Ti/Pi, а остальные члены приведенного выражения - константы, то изменение давления в указанном диапазоне слабо оказывает влияние на значение коэффициента теплопроводности и, следовательно, и в этом диапазоне давлений создавать вакуум для термоизоляции корпуса зонда не имеет смысла. При высоком вакууме, в диапазоне 0,0013-10 0,0013-10 , X практически пропорциональна давлению, а при еще более высоком вакууме, приближается к нулю. В результате напрашивается вывод, что для обеспечения термоизоляции корпуса криозонда необходимо или обеспечить высокий вакуум, или попытаться экспериментально определить величину зазора между трубками корпуса с воздухом нормального давления, достаточного для термоизоляции. С этой целью был проведен эксперимент на модельной среде. Для этого была изготовлена модель корпуса зонда - две соединенные на концах коаксиальнае трубки, наружная трубка, диаметром 4мм была постоянной, а внутренние трубки менялись, изменяя при этом зазор между ними. К наружной трубке припаивалась медь-константановая термопара, с помощью которой измерялась температура. В качестве модельной среды использовали яичный белок, подогретый до 37С (имитация ткани). В нагретый белок опускали модель корпуса зонда, по внутренней трубке пропускали охлажденный до -70С ацетон и на наружной трубке корпуса измеряли температуру. Эксперимент показал, что уже при зазоре между трубками 0,4мм температура наружной трубки составляет около 0С, и с увеличением зазора температура наружной трубки повышается.
Стереотаксическое лечение глиальных опухолей с применением криодеструкции
Лечение глиальных опухолей головного мозга является одной из сложнейших задач нейроонкологии. Для решения этой задачи чаще всего применяется комбинированный метод лечения, состоящий из хирургической операции, химиотерапии и лучевой терапии.
Однако встречаются опухоли, которые расположены в недоступных для открытого хирургического вмешательства местах, в связи с высоким риском послеоперационных осложнений. В таких случаях, как правило, ограничиваются проведением курса лучевой и химиотерапии, что малоэффективно: средняя выживаемость при злокачественных глиомах, леченных консервативно составляет по данным ряда авторов 14-17 недель (Fine Н.А. et al 1993.). Альтернативой хирургического удаления при комбинированном лечении является стереотаксис, для которого характерна малотравматичность инвазии, высокая локальность и точность воздействий на структуру-мишень. При применении стереотаксиса очень важно определить зону опухоли, воздействие на которую может привести к максимальному клиническому эффекту.
Э.И. Кандель в 60-70х годах прошлого века использовал для лечения глиальных опухолей стереотаксическую криодеструкцию. Этот малоинвазивныи метод хорошо себя зарекомендовал, однако по ряду причин он не получил широкого распространения. Вероятно, этими причинами стало отсутствие в то время надежных способов локализации внутримозговых мишеней, идентификации опухолей и их гистологических форм.
В институте мозга человека в течение многих лет для диагностики опухолей мозга используется позитронно-эмиссионный томограф. Основной целью этих исследований является идентификация опухоли при сомнительной диагностике, проведенной с помощью МРТ или КТ, причем опухолевый процесс квалифицируется по накоплению радиофармпрепарата (РФП) - метионина, меченного изотопом ПС. Многолетний опыт диагностики глиальных опухолей с ПС - метионином позволил сформулировать ПЭТ синдром, характерный для конкретного вида глиальных опухолей с дифференцировкой их степени злокачественности по индексу накопления (ИН) препарата (Скворцова Т.Ю. 2004). Для доброкачественных диффузных астроцитом типичная картина распределения пС-метионина в опухоли представлялась единичным или множественными изолированными очагами максимального накопления (МН) радиофармпрепарата. Долевой объем этих очагов составлял около 30% общего объема опухоли, а индекс накопления был невысоким - 2,0. Анапластические астроцитомы отличались очагами (МН) больших размеров с объемами до 50% от общего объема опухоли. Одновременно наблюдалось и возрастание ИН пС-метионина, который в этих случаях превышал 2,0. Характерным признаком глиобластомы определен высокий ИН с очагами МН, занимающими более 50% общего объема опухоли. Иногда МН определялось в виде периферийного кольца с центральной частью пониженного накопления, обусловленного некрозом. Сформулированному синдрому соответствовало не менее 80% опухолей глиального ряда. Практически такие же данные приводятся рядом авторов, занимающихся ПЭТ-диагностикой опухолей мозга (Nariai Т. et al. 2005, Pirotte et al. 2004, Sungeun Kim et al. 2005, Van Laere K. et al. 2005) (Медведев СВ. 1997,1999; Скворцова Т.Ю. и др. 2002; Бродская З.Л. и др. 2002). В этих же работах показано, что интенсивное накопление аминокислот (метионина), соответствующее повышенному метаболизму, однозначно коррелируется со злокачественностью опухолевого процесса - чем выше индекс накопления препарата, тем более злокачественная опухоль.
В таблице (Табл. 10 и Рис.37) приведены данные трех авторов, по индексу накопления иС-метионина, полученные при ПЭТ исследованиях пациентов с заболеваниями - доброкачественная астроцитома (Град. 1-І!
АСЦ); анапластическая астроцитома (Град. III-IV АнСЦ); глиобластома (Град IV ГБ). В Табл. значение накопления препарата: ОМН - в очаге максимального накопления; КУ-в контралатеральном участке; О - среднее накопление в опухоли; СК - среднее накопление в коре; Т - среднее накопление в опухоли; N - в контралатеральном участке.
Исходя из полученных данных, и учитывая, что злокачественность опухоли определяется прежде всего пролиферативной способностью ее клеток, можно заключить, что большое количество глиальных опухолей имеют функционально-неоднородную структуру - части их объема представляют собой зоны активной пролиферации, и следовательно именно эти зоны в большей степени определяют динамику опухолевого процесса. Эти зоны наиболее эффективно диагностируются с помощью ПЭТ исследований с пС-метионином (Рис. 38).
При хирургическом лечении глиальных опухолей чаще всего стремятся к радикальному удалению всего объема опухоли, исходя из того, что не удаленные объемы опухоли могут привести в дальнейшем к продолженному росту. Такой подход нередко приводит к неоправданной травматизации мозга и в результате к возникновению грубого неврологического дефицита. В институте мозга человека и на кафедре нейрохирургии РВМА в течение многих лет проводятся операции стереотаксической криохирургии глиальных опухолей. При проведении этих операций было отмечено, что бывают случаи, когда при неполной деструкции опухоли продолженный рост не возникает. Ответ на этот феномен получили, когда стали проводить совместные КТ, МРТ и ПЭТ исследования, которые обеспечили возможность выявления пролиферативно-активных зон опухоли.
На основании этих исследований отсутствие продолженного роста опухоли при ее неполной деструкции можно объяснить тем, что в деструктированную зону попали зоны активной пролиферации. Это заключение привело к выводу, что в случае большого объема опухоли, с целью замедления или приостановки ее роста, следует стремиться воздействовать не на весь ее объем, а прежде всего, на зону максимальной пролиферации.
Теоретическое и экспериментальное обоснование возможности применения протонных пучков с энергией 1000 МэВ для радионейрохирургии;
Применение стереотаксиса в лечение опухолевых процессов требует проведения предоперационного планирования, что обусловлено тем, что размеры опухолевого узла, подлежащего разрушению, обычно больше, чем размеры зоны возможной деструкции, и это требует оптимизации разовых или многоразовых криовоздействий. Оптимизация включает в себя: 1. Определение зоны деструкции, исходя из соображений минимальной инвазии с одной стороны и необходимого объема деструкции для достижения клинического эффекта с другой стороны; 2. Выбор криозондов с объемами деструкции, соответствующими запланированным воздействиям; 3. Выбор наиболее безопасных траекторий введения криозонда - они не должны проходить через функционально значимые зоны мозга; 4. Выбор суммарного объема деструкции при применении многопозиционной деструкции; 5. Выбор оптимального количества траекторий, предполагая осуществление максимально возможного количества деструкции на каждой из траекторий.
При планировании следует учитывать, что при больших объемах криодеструкций, в связи с возможностью нарастания отека мозга, безопаснее осуществлять криодеструкций поэтапно, с промежутком времени, достаточным для восстановления пациента.
Главными параметрами при планировании стереотаксического разрушения являются объем опухолевого очага и объем очага однократных деструкции от отдельных зондов. Отношение первого ко второму показывает минимальное число деструкции, необходимых для полного разрушения опухоли. Задачей процесса предоперационного планирования является минимизация числа введений криозондов для выполнения необходимого числа деструкции, что может быть достигнуто применением криозондов с различными размерами охлаждающих камер и выполнением нескольких криодеструкций на одной траектории при их оптимальном взаимном расположении.
Для планирования многопозиционной деструкции необходимо постулировать несколько положений:
1.Зона криодеструкций определяется в процессе диагностики и локализации опухоли с помощью КТ, МРТ или ПЭТ;
2. Для каждого криозонда границы зоны деструкции тканей мозга соответствуют границам образования ледяного массива;
3. Зоны криодеструкций для конкретного зонда при повторении заданных параметров охлаждения одинаковы, размер зон деструкции определяется заранее путем торирования каждого зонда на яичном белке; Физические параметры опухолевой ткани одинаковы в любой ее точке и соответствуют параметрам мозговой ткани;
Планирование криотомии опухоли проводится индивидуально для каждого пациента, исходя не только из соображений объема новообразования и потенциальной опасности зоны деструкции в результате близости функциональных зон, но и с учетом состояния пациента. В результате этого невозможно создать единую унифицированную методику планирования, пригодную для каждого конкретного случая.
На основании приобретенного опыта был выбран максимально-возможный объем суммарной криодеструкции за одну операцию-21см , что соответствует среднему линейному размеру новообразования не более 3,5 см. (Следует отметить, что, в случае использования для тех же целей дистанционных радиохирургических методов Гамма-нож, линейный ускоритель, принимается такой же максимальный размер новообразования.) Исходя из этой позиции, был изготовлен набор криозондов, позволяющий осуществлять криодеструкцию такого объема, используя не более 5 траекторий введения зондов. Экспериментальные данные пространственных размеров криодеструкции, полученные на животных, отличаются от данных, полученных на яичном белке не более чем на 1 мм, в связи с этим, при планировании криовоздействий различных зондов можно пользоваться данными их торирования на яичном белке. При применении многократных циклов замораживание-оттаивание, линейные размеры деструктированной зоны увеличиваются на 20% по сравнению с однократным замораживанием. Полученные данные о пространственных характеристиках крионекрозов хорошо совпадают с результатами магнитно-резонансных исследований больных, выполненных после операции стереотаксической криодеструкции мозговых структур. Диаметры охлаждающих камер используемых зондов 1,5 - 4 мм, при объемах деструкции 0.1-6 см3. Зона разовой деструкции по форме напоминает эллипсоид, линейные размеры деструкции от самого большого зонда 35x16мм, у самого маленького шаровидная форма
Планирование с помощью МРТ криотомии опухоли деструкции с диаметром 6 мм. С использованием системы ПОАНИК с МРТ-подготовкой для стереотаксических операций, в настоящее время используется плоскостное двухкоординатное планирование суммарных криовоздействий. Для этой цели на томографическое изображение объема опухоли, который следует подвергнуть криодеструкции, наносятся контуры Холодовых полей конкретных криозондов, имеющихся в арсенале криоприбора. При этом решается задача как можно более полной деструкции планируемого объема опухоли (как правило - это пролиферативно-активная часть опухоли). Процесс планирования осуществляется с помощью управляющего компьютера томографа, в памяти которого находятся графические изображения Холодовых полей всех криозондов. На рисунках (Рис. 48-50) приведены примеры планирования криотомии опухоли с помощью магнитно-резонансного томографа и системы ПОАНИК. На рисунке (Рис. 51) приведен пример планирования криодеструкции по данным ПЭТ исследования.
