Aktívna kontrola dýchania (ABC) Meranie a znižovanie dychom vyvolaných pohybov orgánov v hrudníku
Aktívna kontrola dýchania (ABC) Meranie a znižovanie dychu vyvolaných pohybov orgánov v hrudníku Aline Kientopf
Aktívna kontrola dýchania (ABC) Meranie a znižovanie dychových pohybov orgánov hrudníka Dizertačná práca schválená Lekárskou fakultou Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen na získanie akademického titulu doktora medicíny, ktorý predložila Aline Kientopf z Dortmundu Reportér: Herr Universitätsprofessor Dr. med. Michael J. Eble profesor Dr. med. Patrick Schauerte Deň ústnej skúšky: 2. decembra 2009 Táto dizertačná práca je k dispozícii online na webových stránkach univerzitnej knižnice.
Obsah 1. Úvod s. 1 1.1 Všeobecné informácie s. 1 1.2 Koncept cieľového objemu s. 1 1.3 Výskyt vedľajších účinkov v závislosti od ožiareného objemu s. 3 1.4 Včasná reakcia: rádiogénne vyvolaná pneumonitída s. 5 1.4.1 Vývoj, klinický obraz a priebeh s. 5 1.4.2 Klasifikácia s. 8 1.5 Neskorá reakcia: pľúcna fibróza s. 9 1.5.1 Pôvod s. 9 1.5.2 Klinika a priebeh s. 10 1.5.3 Klasifikácia s. 10 1.6 Implementácia koncepcie cieľového objemu pri plánovaní liečby s. 13 1.6.1 Zarovnanie CTV a PTV s. 13 1.7 Ciele s. 15 2. Materiál a metódy s. 16 2.1 Aktívny koordinátor dýchania (ABC) - štruktúra systému s. 16 2.1.2 Rúrkový systém s. 17 2.1.3 Ovládací modul s. 19 2.1.4 Prvky spätnej väzby s. 21 2.1.4.1 Video okuliare s. 21 2.1.4.2 Ovládací spínač s. 23 2.1.5 Rozloženie miestnosti s. 23 2.1.6 Namerané veličiny (rozloženie obrazovky) s. 24 2.1.7 Dýchacia krivka s. 25 2.1.8 Počítačový tomograf s. 27 2.1.9 Softvér Fusion s. 27 2.2 Pacienti s. 29 2.2.1 Polohovanie pacientov s. 30 2.2.2 Príprava pacienta nten s. 30 2.2.3 Prístup k vyšetrovaniam s. 32 2.3 Cieľové premenné s. 37 2.3.1 Hodnotené orientačné body s. 37 2.3.2 Reprodukovateľnosť a použiteľnosť s. 39 2.3.3 Štatistické metódy s. 41
Bibliografia s. 68
Zoznam obrázkov a tabuliek Obr. 1 Obr. 2 Obr. 3 Grafické znázornenie koncepcie cieľového objemu rádioterapie Pravdepodobnosť pneumonitídy v závislosti od ožarovaného objemu Vývoj akútnych účinkov ožiarenia závislý od dávky A: Závažnosť vs. dávka žiarenia B: Frekvencia vs. dávka žiarenia s. 3 s. 5 s. 7 Tabuľka 1 Klasifikačné systémy na pneumonitídu s. 8 Obr. 4 Vývoj dávky chronického ožarovania v závislosti od dávky s. 9 Tabuľka 2 Kritériá LENT-SOMA s. 11 Obr. 5 Vývoj následkov pľúcnej terapie s. 12 Obr. 6 Náustok s trubicovým systémom s. 18 Obr. 7 Štruktúra systému s. 20 Obr. 8 Pacient imobilizovaný v polohe na chrbte str. 22 Obr. 9 Schematické znázornenie masky obrazovky str. 24 Obr. 10 Grafické znázornenie dýchacieho cyklu str. 26 Obr. 11 Pohyby orgánov počas dýchacieho cyklu str. 28 Obr. 12 Protokol o vyšetrení str. 33 Obr. 13 Krivka dýchania pacienta, inšpirácia str. 34 Obr. 14 Dýchanie blokované počas fázy inšpirácie str. 35 Obr. 15 Pa tienten, expirácia s. 36 Obr. 16 Blokovanie dýchania vo výdychovej fáze str. 36 Obr. 17 Blokovanie dýchania v strede dýchacej polohy str. 37 Obr. 18 Prekrytie obrazov v smeroch x, y a z na určenie posunu bifurkácie trachey p 39
Obr. 19 Tabuľka 3 Obr. 20 Tabuľka 4 rôzne CT snímky pacienta počas terapie; Dýchací blok po výdychu, priemerný posun počas výdychu a dva inspiračné objemy, pacient s celkovou atelektázou ľavých pľúc, posun mediastína počas dýchania, priemerný posun medzi prvým a druhým CT obrazom s. 40 s. 47 s. 48 s. 53
TD 5/5 TD50/5 TV UTP WHO x- smer/úroveň y- smer/úroveň z- smer/úroveň Tolerovateľná dávka, 5% pravdepodobnosť klinicky významných účinkov žiarenia za 5 rokov Tolerančná dávka, 50% pravdepodobnosť klinicky významných účinkov žiarenia za 5 rokov Ošetrené Objem Netienený krútený pár Svetová zdravotnícka organizácia laterálny smer/úroveň ventro-dorzálny smer/úroveň kraniokaudálny smer/úroveň
PTV GTV CTV TV Oblasť šírenia nádoru Ožarovaný objem Obr. 1: Grafické znázornenie konceptu cieľového objemu rádioterapie V súhrne možno povedať, že klinický cieľový objem (CTV) zahŕňa objem nádoru (GTV), pričom CTV zohľadňuje aj typickú oblasť šírenia nádoru. Ďalšia bezpečnostná zóna obklopuje plánovaný cieľový objem (PTV), ktorý v lepšom prípade zodpovedá ošetrenému objemu (TV). 1.3 Výskyt vedľajších účinkov v závislosti od ožarovaného objemu Pravdepodobnosť výskytu nežiaducich účinkov vyvolaných žiarením predstavuje NTCP (Normal Tissue Complication Probability), v prípade ožarovania vnútrohrudných procesov má mimoriadny význam výskyt pneumonitídy. Očakávaná pravdepodobnosť závisí od dávky a od objektívnych charakteristík pacienta 3
ukazujú zmeny v CT (Dörr, Side Effects in Radiation Oncology, 2000, s. 165). Výskyt pneumonitídy po ožiarení 20 Gy sa zvyšuje zo 4% na 37% (pozri obr. 2) (2). Obrázok 2: Pravdepodobnosť pneumonitídy ako funkcie ožarovaného objemu (2). 1.4 Včasná reakcia: rádiogénne vyvolaná pneumonitída 1.4.1 Vývoj, klinické príznaky a priebeh Latentná fáza pneumonitídy (čas od konca ožarovania do nástupu klinických príznakov) trvá asi štyri až osem týždňov a je výraznejšia a výraznejšia, čím viac Aplikuje sa žiarenie a exponuje sa viac pľúcneho tkaniva (pozri obrázok 3: akútne účinky žiarenia) (2). Klinický obraz radiačnej pneumonitídy je charakterizovaný horúčkou, neproduktívnym kašľom, zlyhaním dýchania a zvýšenou frekvenciou dýchania. Typické 5
Zistenia auskultácie. Častejšie sú postihnuté oblasti so zvýšeným prietokom krvi. Rádiograficky je možné vidieť stlačenie pľúcneho tkaniva podobné matnému sklu. Tieto zmeny, ktoré prekračujú fyziologické limity pľúc, sa zvyčajne vyvíjajú podľa radiačných portálov. Test pľúcnych funkcií zvyčajne ukazuje zníženie difúznej kapacity CO2. Rozsah pľúcnej dysfunkcie však závisí od stavu zostávajúceho nevyžarovaného objemu. Akútna pneumonitída môže viesť k zvýšeniu vazokonstrikcie, ktorá môže viesť k progresii dyspnoe. 6.
Akútne účinky žiarenia Závažnosť Vysoká dávka Stredná dávka Nízka dávka Čas/týždne 100 Frekvencia [%] Dávka Obr. 3: Vývoj akútnych účinkov ožiarenia závislý od dávky: A: Závažnosť verzus dávka žiarenia B: Frekvencia verzus dávka žiarenia (od Dörr, W. Vedľajšie účinky v rádiovej onkológii, 2000, S.11) 7
1.5 Neskorá reakcia: pľúcna fibróza 1.5.1 Tvorba Mesiace až roky po ožiarení môže dôjsť k pľúcnej fibróze ako neskorá reakcia. Závažnosť prejavu stúpa s úrovňou dávky (pozri obr. 4: účinky chronického žiarenia) (2). Môže sa vyvinúť z už existujúcej pneumonitídy, ale môže sa vyskytnúť aj bez akýchkoľvek predchádzajúcich klinických príznakov pneumonitídy. Vyvíja sa okolo rádiogénne indukovaných zápalových oblastí a vedie k rozšíreniu difúznej dráhy. Účinky chronického žiarenia Vysoká dávka Závažnosť Stredná dávka Nízka dávka Čas/dávka Obr. 4: Vývoj chronických účinkov ožarovania v závislosti od dávky (Dörr, W. Vedľajšie účinky v rádiovej onkológii, 2000, s. 11) 9
1.5.2 Klinika a priebeh Klinicky röntgen ukazuje pruhovanú kondenzáciu. Tkanivo môže byť tiež zjazvené a zmenšené, takže sa javí menšie ako pôvodné radiačné pole. Pri chronickom priebehu je tu dôležitý vývoj cor pulmonale so zlyhaním pravého srdca. V tomto prípade röntgenový snímok tiež ukazuje zväčšenie srdcového tieňa. Pleura môže byť tiež fibrotická a môže sa vyskytnúť dystelektáza a atelektáza. Často je prítomná kompenzačná distenzia zostávajúcich pľúc. Pacienti sú asymptomatickí na dýchanie iba vtedy, keď je dostatočná zostávajúca funkcia pľúc. Celý rozsah rádiogénne indukovanej pľúcnej fibrózy sa obvykle dosiahne po dvoch rokoch. 1.5.3 Klasifikácia Posúdenie neskorých účinkov na normálne tkanivo (PôST = pozdné účinky na normálne tkanivo) rozlišuje štyri stupne závažnosti: kritériá SOMA (tabuľka 2). S znamená subjektívne kritériá, O objektívne kritériá, M terapeutické opatrenia pre vedľajšie účinky a A analytické a diagnostické metódy na validáciu vedľajších účinkov. 10
Schematické zhrnutie klinických a patofyziologických účinkov žiarenia na pľúca je znázornené na obr. Vývoj následkov pľúcnej terapie Časový priebeh akútny subakútny chronický neskoro Letálne poškodenie Klinické poškodenie Pľúcna hraničná dávka Pneumonitída Difúzia O2 Intersticiálna fibróza Chronické cor pulmonale Subklinické poškodenie Dyspnoe Kašeľ Segmentálna fibróza Zahustenie septy Obr. 5: Vývoj pľúcnych reakcií na žiarenie v čase (Dörr, vedľajšie účinky v der Radiationonkologie, 2000, s. 49). 12
2.1.2 Trubicový systém Na uskutočnenie štúdie dostane testovaný pacient trubicový systém s náustkom, cez ktorý dýcha počas CT vyšetrenia. Spona do nosa je navrhnutá tak, aby zabraňovala nazálnemu dýchaniu a zabezpečila, aby všetko dýchalo cez náustok. Štruktúra trubicového systému je schematicky znázornená na obr. Objem vzduchu pohybovaného dýchaním najskôr prechádza mikrofiltrom cez ohybnú plastovú hadičku. Vložené turbínové koleso usmerňuje prúdenie vzduchu potrubným systémom. Prietok vzduchu turbínou generuje rotáciu turbínového kolesa závislú od prietoku. Tento rotačný pohyb je zaznamenávaný detektorom. Počet a smer otáčania sa privádzajú späť do riadiaceho modulu a prevádzajú sa na meranie objemu. V systéme nadväzujúcom na potrubie je balónikový ventil, ktorý úplne utesňuje lúmen potrubia, keď je nafúknutý a aktivovaný, takže sa zabráni prílivovému objemovému toku v inspiračnom aj exspiračnom smere, t. J. Sa zastaví dýchanie. 17
Obrázok 6: Náustok s hadicovým systémom (upravený v príručke pre operátorov aktívneho dýchania, 2001, s. 2-5) (1) Náustok (2) Filtračná membrána (3) Pripojovací kus (4) Vedenie s turbínovým kolesom, menič (5) Prídržné zariadenie (6 ) Konektor pre balónový ventil (7) Balónový ventil (8) Nosná svorka 18.
2.1.3 Riadiaci modul Obr. 7 zobrazuje vzájomné prepojenie jednotlivých komponentov. Systém ABC sa zapína a vypína prostredníctvom riadiaceho modulu. Na to je rovnako ako u všetkých ostatných vstupov a výstupov na zadnej strane komponentu umiestnený prepínací prepínač. Hlavné napájanie je tiež zabezpečené cez AC pripojenie nainštalované na zadnej strane. Dýchací systém pacienta je tiež riadený riadiacim modulom. Komponent turbínového kolesa je pripojený k modulu pomocou kábla, aby sa zistil objemový prietok a vyhodnotil sa s ohľadom na objem a smer prúdenia. Balónový ventil v trubicovom systéme je spojený s riadiacou jednotkou pomocou hadice. Príkazy na zadržanie dychu iniciované počítačom skúšajúceho sú realizované riadiacim modulom prúdením vzduchu do balóna cez pripojenú hadicu, jeho nafúknutím a utesnením potrubného systému. Kábel RS-232 spája riadiaci modul s prijímačom, ktorý je zase pripojený k vysielaču pomocou UTP kábla. Vysielač a počítač sú navzájom prepojené cez RS-232 a štandardný kábel. 19
Paralelný ovládací spínač Sieťový kábel Napájací zdroj Prevodník turbíny Zdvihnite zostavu Balonový ventil Sériový kábel kábla prevodníka RS-232 Kábel riadiaceho modulu Balonový ventil Hadice spätnej väzby od pacienta Monitor napájacieho zdroja Sieťový kábel kategórie 5, kábel UTP
Prijímač Napájací zdroj Ošetrenie napájacieho kábla Priestor konzoly Vysielač RS 232 Sériový kábel Ovládanie vlastného kábla Napájanie počítača Napájací kábel Obr. 7: Štruktúra systému (upravené z Príručky operátora aktívneho koordinátora dýchania, 2001, s. 3-9) 20
Obrázok 8: Pacient imobilizovaný v polohe na chrbte A = video okuliare na vizualizáciu krivky prílivového objemu 22
2.1.6 Namerané premenné (rozloženie obrazovky) Obr. 9: Schematické znázornenie masky obrazovky Namerané premenné sú rozdelené do niekoľkých okien na obrazovke ovládacieho softvéru, ktoré zobrazujú rôzne systémové nastavenia, ktoré je možné zvoliť pre príslušného pacienta. Obrázok 9 zobrazuje toto v schematicky zjednodušenom znázornení. V strede používateľského rozhrania môžete vidieť graficky zobrazenú krivku objemového prietoku dýchacieho vzduchu prúdiaceho cez prevodník ako funkciu času. Osa y zobrazuje dychový objem pacienta v litroch. Os x zobrazuje chronologickú postupnosť v 24
Obrázok 10: Grafické znázornenie dýchacieho cyklu (modrá krivka = normálne dýchanie, červená krivka = lapanie po dychu); Vopred určené objemy pre dychový uzáver: E. = expirácia, I. = inšpirácia, S.B. = Zadýchané dýchanie Objem, pri ktorom je dýchanie zastavené, by sa mal určiť na predchádzajúcom tréningu s pacientom (pozri nižšie). Trvanie prerušenia dýchania predstavuje čas, počas ktorého je pacient požiadaný, aby počas nahrávania prestal dýchať. Príslušný čas zámku, ktorý je viditeľný pre pacienta v pravom dolnom rohu obrázka, sa od začiatku prerušenia počíta od nuly. Po tomto období sa dýchanie automaticky znova uvoľní. K prerušeniu dýchania môže dôjsť pri inšpirácii aj pri výdychu. Výber sa vykonáva pomocou spúšťacieho režimu rozbaľovacej ponuky. 26
2.1.8 Počítačový tomograf Každý pacient dostane špirálové CT snímky. Na to slúži počítačový tomograf Somatom Emotion (Erlangen, Nemecko). Tomuto zariadeniu trvá jedna sekunda každá rotácia. Pretože väčšina pacientov zle znášala dlhšie trvanie zadržania dychu (> 35 sekúnd), bola pre záznamy zvolená hrúbka plátka a vzdialenosť plátku 8 mm. Takto je zaistený celkový čas jednotlivých nahrávok celého hrudníka 25 - 35 sekúnd. Zábery hrudníka sa snímajú v rôznych dýchacích pozíciách. Pozícia pacienta sa nezmení a záznamy sa vždy spúšťajú z rovnakej polohy stola, takže záznamy CT sa robia vždy z rovnakej počiatočnej polohy. 2.1.9 Fúzny softvér Rozsah pohybov orgánov sa meria pomocou softvéru na fúziu obrazu (Hermes; Nuclear Diagnostics AB, Štokholm, Švédsko). Ručná lineárna fúzia sa uskutočňovala krok za krokom na základe rôznych orientačných bodov (interval kroku/pixel = 0,975 mm) (pozri obr. 11). 27
Obrázok 11: Pohyby orgánov počas dýchacieho cyklu. Pri prechode z normálnej inšpirácie na plytké dýchanie vykazuje pacient zmenu v dýchacom mechanizme (spočiatku diafragmatické dýchanie s plytkým dýchaním, hrudné dýchanie) A: Expirácia B: Fúzia výdychu a inšpirácie C: Fúzia výdychu a plytké dýchanie 28
Informácie o nastavení ožarovania pod kontrolou dychu v stereotaktickom polohovom systéme Názov. Diagnóza. ID. Cieľový objem. Pomôcky na určovanie polohy. Objem dýchania: inšpirácia 1a. l /. Dátum, 1b. l /. Dátum 2a. l /. Dátum, 2b. l /. Dátum skončenia platnosti 1a. l /. Dátum, 1b. l /. Dátum 2a. l /. Dátum, 2b. l /. Dátum zadýchania 1a. l /. Dátum, 1b. l /. Dátum 2a. l /. Dátum, 2b. l /. Dátum Obr. 12: Protokol o vyšetrení Medzi jednotlivými záznamami mal pacient vždy čas na obnovenie pohodlného dýchania, umožnenie ústupu akejkoľvek dýchavice a kompenzáciu prípadného dychového deficitu. Začiatok vyšetrenia: Najskôr pacient dostal video okuliare, náustok a sponu na nos a bol požiadaný, aby sledoval dýchanie cez trubicu v podobe krivky. Skúšaný subjekt potom dostal ovládací spínač a dostal pokyn, aby ho trvale držal, aby skúšajúcemu ukázal, že je pripravený zahájiť sedenie. Pacient bol poučený, aby okamžite prepol, ak sa cíti nepríjemne alebo potrebuje pomoc. Dosiahnutie pokojného dýchania: Pacient dostal príkaz, aby predpokladal normálne a pokojné dýchanie (pozri obr. 13). 33
Obrázok 13: Krivka dýchania pacienta; Zelená čiara označuje hlasitosť vybranú na uzamknutie dychu počas inšpirácie.Blok dýchania počas inšpirácie: Keď to testovaný subjekt dosiahol, skúšajúci aktivoval systém stlačením medzery. V aktivovanom režime sa na úrovni zvolenej hlasitosti dychového zámku objavil zelený pruh. Po niekoľkých dýchacích cykloch bol pacient vyzvaný, aby dýchal do tejto zelenej oblasti (pozri obr. 14). Výsledkom bolo, že ďalšie dýchanie už nebolo možné, pretože balónový ventil po nafúknutí úplne uzavrel lúmen trubice. Dychový uzáver je možné spravidla znova uvoľniť iba vtedy, keď pacient uvoľní ovládací spínač alebo skúšajúci stlačí medzerník. V takom prípade by bola zelená plocha z displeja odstránená. V opačnom prípade sa prerušenie dýchania skončí automaticky po predtým zadanom čase zadržania. 34
Obrázok 14: Dýchanie blokované počas fázy inšpirácie (zelený pruh), tu na dobu 17 sekúnd. Pred opakovaním vyšetrenia pacientovi bol poskytnutý dostatočný čas na návrat k normálnemu dýchaniu. Záznamy počas exspirácie: Po dvoch cykloch blokovania dychu v inšpiračnej fáze nasledovali nahrávky pre expiráciu. Obrázok 15/16 to ukazuje s príkladom. 35
Obrázok 15: Krivka dýchania pacienta; zelená čiara označuje objem vybraný na uzamknutie dychu po expirácii Obrázok 16: Blokovanie dýchania počas fázy exspirácie (zelená lišta) Posledné záznamy boli urobené v strednej polohe (pozri obrázok 17). 36
Obr. 17: Blokovanie dýchania v strede dychu (hackling) 2.3 Cieľové premenné 2.3.1 Vyhodnotené orientačné body Merania posunov orgánov sa uskutočňovali lineárnou fúziou. Príklad lineárnej fúzie rozdvojenia priedušnice je zobrazený na obr. 18. Vybrali sme nasledujúce orientačné body, ktoré sa majú porovnať: 1. bráničné kupoly na oboch stranách, 2. hroty pľúc na oboch stranách a 3. tracheálna bifurkácia. Odchýlky počas dýchania boli stanovené pre všetky tri úrovne: smer x = latero-lateral, y-direction = ventro-dorzal a z-direction = canio-kaudal. 37