Kontinuerlig overvågning af prostataposition under strålebehandling (KIM Gating)

Prostatacancer udgør nu en tredjedel af alle nye kræftdiagnoser hos mænd, og cirka 30 % af mændene vil have ekstern strålebehandling som deres primære lokale behandling. Prostatabevægelse under strålebehandling kan opdeles i interfraktion og intrafraktionsbevægelse. Interfraktionsbevægelse er veletableret og er stort set blevet overvundet af daglig online billedverifikation med enten ultralyd, online CT eller implanterede fiducial markører, men bevægelse under strålingsstrålen til tiden (intrafraktionsbevægelse) bliver ikke korrigeret og kan være årsag til væsentlige fejl ved levering af stråledosis.

Intrafraktionsbevægelse: Bevægelse af prostata efter indledende behandlingsopsætning er blevet betegnet som intrafraktionsbevægelse. Estimater af størrelsen og frekvensen af ​​denne bevægelse blev oprindeligt lavet ved hjælp af kontinuerlig magnetisk resonans (MR) billeddannelse. Padhani et al rapporterede, at 16 % af patienterne havde > 5 mm anterior:posterior bevægelse, når de blev fotograferet i 7 minutter med lignende resultater rapporteret i efterfølgende MR-filmstudier. Intrafraktionsbevægelse kan være sekundær til organbevægelser såsom blærefyldning, respiration eller bevægende rektalgas, eller kan skyldes fysisk patientbevægelse. Med tilgængeligheden af ​​prostatasporing i realtid er kliniske data tilgængelige til at kvantificere størrelsen og frekvensen af ​​bevægelse. En tidlig rapport fra Kupelian et al ved brug af kontinuerlig radiotransponderpositionering7 beskrev 41 % af fraktionerne med >3 mm bevægelse og 15 % > 5 mm bevægelse i > 30 sekunder. Risikoen for bevægelse blev bemærket at stige med længere behandlingstid.

Vores egne data ved brug af offline autosegmentering af den fiducielle markørposition for 10 patienter viste 38% af fraktionerne >1 mm, 4,7% af fraktionerne >3 mm og 1,7% af fraktionerne >5 mm øjeblikkeligt under behandlingslevering på cirka 2,5 min 8.

Betydningen af ​​at korrigere for bevægelse:

Hvis strålingsdosis genberegnes for hver enkelt fraktion og justeres for intrafraktionsbevægelse, er det muligt at estimere den reelle dosis leveret til målet og sammenligne denne med den ønskede dosis. Denne sammenligning giver en robust model af den potentielle fordel for realtidssporing og justering af bevægelsen. Oversigt over kilovoltage intrafraction monitoring (KIM): Kilovoltage intrafraction monitoring er en ny tumorlokaliseringsmodalitet i realtid. Det involverer et enkelt portalmonteret kV-røntgenbillede (som er bredt tilgængeligt på de fleste linacs), der optager 2D-projektioner af implanterede referencemarkører. Når behandlingsportalen roterer rundt om patienten under behandlingen, optager kV-billedkameraet 2D-projektioner af prostata. De fiducielle markører er segmenteret ved hjælp af en internt udviklet softwarepakke. 3D-positioner bestemmes via maksimumsandsynlighedsestimering (MLE) af en 3D-sandsynlighedstæthed.

I tidligere arbejde (Ng et al, 2012) har vi anvendt KIM-metoden med offline segmentering til at beregne 3D-prostatabanen efter behandling. I denne undersøgelse bruger vi online markørsegmentering til at muliggøre oprettelse af levende bane under behandlingslevering med en behandlingstid på mindre end 1 sekund. Med circa-realtidsbanerne er vi i stand til at gate leveringen for at maksimere dosis til tumoren, eller spore med Multi-Leaf Collimators (MLC) for at følge prostatabevægelsen. Sidstnævnte involverer kompleks interaktion med stråleleveringssystemet og er ikke en del af denne undersøgelse. Behandlingen kan gates ud fra en forudindstillet tolerance. Ved at bruge vores tidligere data modellerede vi adskillige gatingkriterier 3mm/5s, 3mm/10s og 3mm/15s baseret på udsving langs individuelle akser og også den radiale udsving. På tværs af de 10 patienter blev en tolerance på 3 mm/5s vist at være effektiv, idet den kun introducerede 24 gating-begivenheder (fra 268 behandlinger) og sikker, med den mindste tid til udflugter (5s).

KIM-metoden introducerer en ekstra stråledosis til patienten på ca. 65mSv pr. behandling lokaliseret til prostata 8. Standardbehandlingsdoser for prostatastrålebehandling er 80 Gy. Mængden af ​​billeddosis vil afhænge af billeddannelsesfeltstørrelsen, billedhastigheden af ​​optagne billeder, behandlingsfeltstørrelse, anvendt kV-energi og behandlingsmetode (Volumetric Modulated Arc Therapy [VMAT], Intensity Modulated Radiotherapy [IMRT], Stereotaktisk Boost Strålebehandling [SBRT]).9 Vi vil minimere billeddosis fra vores tidligere undersøgelse 8 ved at:

• reduktion af feltstørrelsen til kun at omfatte referencerne og en lille margin pr. patient, så billeddannelsesdosen leveres inde i behandlingsvolumenet (forvent 20-40 % dosisbesparelse);
• strålekvaliteten er maksimeret til 125 kV;
• patientens dimensioner er begrænsede, da de større patienter skaber mere scatter-stråling (der forringer billedkvaliteten) og absorberer mere stråling. Dette, kombineret med behandlingsfeltstørrelsen som nedenfor, kan tillade os at bruge en lavere billedhastighed til billedoptagelse, ned fra 10 fps til 5 fps, hvilket vil have en proportional effekt på dosis;
• patienter med nodale områder til behandling udelukkes, da behandlingsfelterne er større, og det reducerer billedkvaliteten. Ved at udelukke disse større patienter kan vi muligvis bruge 5 fps i stedet for 10 fps billeddannelse kombineret med patientdimensionen som ovenfor;
• VMAT har vist sig at kræve mindre behandlingstid end IMRT-levering, og SBRT har vist sig at kræve mindre samlet tid end konventionel fraktionering (hvor den samlede behandlingstid er proportional med billeddosis). Vi forventer at se en dosisreduktion med VMAT-SBRT-protokollen sammenlignet med VMAT på 20-40%.

Sammen med billeddiagnostisk dosis skal vi overveje og vægte gevinsterne ved intrafraktionsovervågning og gated behandling. Disse gevinster omfatter forbedring af nøjagtigheden af ​​den afgivne dosis, så den planlagte behandlingsdosis leveres effektivt til tumoren, og den geometriske nøjagtighed, der ville tillade reduktion i sikkerhedsmarginen, der indføres for at kompensere for behandlingen. Vi har påvist signifikante forbedringer i tumordosis fra 60 % til 95 % af den tilsigtede dosisfordeling ved gating med 3 mm/5s tolerance som vist i figur 1.

Verifikation af KIMs kliniske dynamiske lokaliseringsnøjagtighed ved hjælp af kV/MV-triangulering:

For at evaluere den dynamiske lokaliseringsnøjagtighed af KIM-metoden, kan 3D-positioner bestemt af KIM sammenlignes med kV/MV-triangulering. kV/MV triangulering. Triangulering giver et uafhængigt mål for prostataplaceringen.

Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) og Quality Assurance (QA) protokol Der er blevet udført en FMEA for at identificere potentielle fejltilstande inden for den ekstra KIM-arbejdsgang. Standard arbejdsgangen har etableret kvalitetssikringsforanstaltninger på plads. Alle KIM-fejltilstande er blevet afbødet i adskillige lag af kvalitetssikringsforanstaltninger, tydeligt design af brugergrænsefladen, tydelig udpegning af personaleroller, personaleuddannelse og udelukkelseskriterier for patientudvælgelse.