Ventilation ved hjælp af røntgenundersøgelse: Funktionelle lungebilledteknikker til reduktion af toksicitet i strålebehandling med funktionel undgåelse (VENTURE)

Lungekræft er den førende årsag til kræftdødelighed på verdensplan med ikke-småcellet lungecancer (NSCLC), der tegner sig for cirka 85 % af alle diagnosticerede lungekræftformer. Kirurgi, immunterapi, kemoterapi, målrettet terapi og strålebehandling kan bruges alene eller i kombination til lungekræftbehandling afhængigt af kræftstadieinddelingen. Strålebehandling er en primær komponent i lungekræftbehandling, hvor 77 % af lungekræftpatienter har evidensbaseret indikation for ekstern strålebehandling på et tidspunkt gennem deres behandlingsrejse.

Strålebehandling er forbundet med strålingsinducerede toksiciteter såsom strålingspneumonitis og fibrose, der har en negativ indvirkning på en patients livskvalitet og begrænser den dosis, der sikkert kan afgives. Strålelungebetændelse er betændelse i lungevæv med symptomer som åndenød, hoste og feber, der viser sig 4 til 12 uger efter afslutningen af ​​et strålebehandlingskursus. Symptomatisk pneumonitis, defineret som grad 2 eller højere, har en samlet forekomst på 29,8 % med konventionel strålebehandling.

Den nuværende planlægning af strålebehandling forudsætter, at lungefunktionen er homogen i hele organet og ikke tager højde for regionale forskelle i lungefunktionen. Disse regionale forskelle kan opstå fra selve kræftvæksten via tumorkomprimering af lungestrukturer eller fra allerede eksisterende, ofte ryge-inducerede faktorer, som også kan påvirke kræftpatienters lungesundhed. Eksisterende tilstande, der kan påvirke lungesundheden, omfatter kronisk obstruktiv lungesygdom (KOL), fibrose og fortykkelse af lymfesystemet i lungerne, emfysem, asbestose og delvis lungekollaps eller bivirkninger fra tidligere kræftbehandling såsom væske i lungerne, betændelse og lungebetændelse, eller endda delvis lungefjernelse. For at give patienterne den bedste livskvalitet efter strålebehandling er det afgørende at bevare så meget sund lunge som muligt under behandlingsforløbet.

Funktionel lungeundgåelsesbehandlingsplanlægning for strålebehandling har potentiale til at reducere pulmonal toksicitet ved at minimere bestråling af sundt lungevæv baseret på funktionelle kort over lungen. Nuklearmedicinske funktionelle lungebilleder er tidligere blevet inkorporeret i planlægning af strålebehandlingsbehandling med det formål at reducere middeldoser til funktionel lunge og dermed strålingsinduceret toksicitet. Modeller med normal vævskomplikationssandsynlighed (NTCP) har også forudsagt en samlet reduktion på 6 % og 3 % for henholdsvis grad 2+ og 3+ strålingspneumonitis med funktionel planlægning, mens dosisbegrænsningerne respekteres for målet og risikoorganerne.

Nuklearmedicinske scanninger er dyre, tidskrævende og ikke tilgængelige i alle institutioner. CT-ventilationsbilleddannelse er blevet udviklet som et billigere og mere tilgængeligt alternativ til nuklearmedicin til kortlægning af de sunde områder af lungen som en del af rutinemæssig CT-opsamling før behandling.

De vigtigste trin i CT-ventilationsbilleddannelse er:

1. Få CT-billeder af lungen ved udåndings- og indåndingstilstande ved hjælp af 4DCT eller åndedræts-CT (BHCT). 4DCT er en teknologi, der udgør standarden for behandling af lungekræftstrålebehandling i hele verden. 4DCT tager et sæt på 8 til 10 CT-billeder fra peak-indånding til peak-udånding, der viser lungernes bevægelse, mens en patient trækker vejret, mens BHCT tager statiske slut-inspiration og slut-ekspirationsbilleder af lungen, mens patienten holder vejret i omkring 10 sekunder.
2. Deformerbar billedregistrering bruges til at bestemme en rumlig kortlægning (deformationskort) mellem de forskellige CT-billeder (fra peak indånding til peak udånding).
3. Anvendelse af en ventilationsmetrik til at kvantificere højt og lavt fungerende lunge, hvilket involverer kvantitativ analyse baseret på informationen fra den deformerbare billedregistrering.

Det resulterende ventilationsbillede overlejres direkte på det anatomiske billede, hvilket giver en ekstra dimension af funktionel information, som er let at forstå og kan være til direkte gavn for strålebehandlingsplanlægningen.

Der er eksisterende kommercielle produkter, CT-lungeventilationsanalysesoftware og XV Technology-lungeventilationsanalysesoftware (4DMedical Limited, Melbourne), til fremstilling af ventilationskort fra CT-scanninger og fluoroskopi-billeddannelsessekvenser. I modsætning til CT, der producerer et eller flere 3D-billeder, producerer fluoroskopi en hurtig sekvens af 2D-røntgenbilleder. Disse billeder optages normalt af dedikerede C-armsscannere på røntgenafdelinger eller kirurgiske teatre og er ikke tidligere vurderet i forhold til strålebehandling. Cine-fluoroskopsekvenser, der fanger mindst ét ​​komplet, kontinuerligt åndedræt, optages i fem adskilte vinkler hen over brystet under spontan vejrtrækning, og et lungebevægelsesfelt rekonstrueres for at producere et ventilationskort. Som Therapeutic Goods Administration (TGA)-godkendte modaliteter til lungeventilationsvurdering giver sammenligning af disse teknikker værdifuld indsigt i deres robusthed.

Funktionel lungeundvigende behandlingsplanlægning baseret på ventilationsbilleder før behandling kan blive kompromitteret af interfraktion (uge-til-uge) ventilationsændringer under behandlingen, såsom dem, der skyldes tumorregression. Firedimensionel keglestrålecomputertomografi (4DCBCT) muliggør praktisk optagelse af anatomiske billeder på strålebehandlingssystemet for at sikre nøjagtig patientpositionering før behandlingslevering. Eksisterende teknikker udviklet til CTVI kan anvendes på 4DCBCT-billeder for at producere ventilationsbilleder, der kan bruges til at tilpasse behandlingsplanlægning og minimere bestråling af sunde lunger. 4DCBCT lider dog af dårlig billedkvalitet, og den fysiologiske nøjagtighed af 4DCBCT-baserede ventilationsbilleder mangler at blive vurderet.

Tidligere undersøgelser har valideret den fysiologiske nøjagtighed af CT-ventilationsbilleddannelse i forhold til den eksisterende kliniske guldstandard Galligas PET-ventilationsbilleddannelse. Disse undersøgelser fandt stærk korrelation på lobar niveau (adskillige cm) og moderate positive korrelationer på regionalt niveau (2 til 5 mm).

Klinisk bevis for effektiviteten af ​​den funktionelle lungeundgåelsesteknik ved hjælp af CT-ventilationsbilleder begynder at blive indsamlet. Vinogradskiy et al. udførte et klinisk fase II-forsøg, der sammenlignede rater af strålingspneumonitis i en kohorte behandlet med funktionel lungeundgåelse med historiske kontroller. Forfatterne fandt, at frekvensen af ​​grad ≥2 strålingspneumonitis var 14,9 % af patienterne i den funktionelle lungeundgåelseskohorte sammenlignet med en historisk rate på 25 %, hvilket rapporterede et positivt forsøgsresultat med en styrke på 80 % og signifikans på 0,05. Ved hjælp af Xenon-forstærket CT-ventilation udførte Huang et al. et fase II-studie, der sammenlignede funktionel lungeundgåelse med historiske kontroller. Med en frekvens på 17 % af grad ≥2 strålingspneumonitis sammenlignet med den historiske kontrol på 30 %, konkluderede forfatterne også et positivt forsøgsresultat med en styrke på 80 % og signifikans på 0,05.

På trods af denne opmuntrende kliniske evidens er der stadig huller i viden om vurdering af den bedste tekniske implementering af CT-ventilationsbilleddannelse, kvalitetssikring af processen og den klinisk acceptable tærskel for nøjagtighed, der kræves. Til dette formål er fokus for vores foreslåede kliniske forsøg at bestemme den bedste implementering af fluoroskopisk og CT-ventilationsbilleddannelse. For at opnå dette vil vi vurdere den fysiologiske nøjagtighed af forskellige CT- og fluoroskopi-baserede ventilationsbilledteknikker, ved at bruge Galligas som en grundsandhed for ægte ventilation. Sekundære formål med vores undersøgelse er at vurdere den dosimetriske variation i strålebehandlingsplaner for funktionel undgåelse, der er produceret ved hjælp af disse billedbehandlingsteknikker, etablere en kvalitetssikringsprocedure for funktionel lungeundgåelse RT og at evaluere de klinisk acceptable tærskler for metodens nøjagtighed.

For at sammenligne virkningen af ​​planlægning af funktionel lungeundgåelse på arbejdsgangen for stråleterapibehandling, vil der blive oprettet strålebehandlingsplaner for funktionel undgåelse ud over standardbehandlingsplaner og forskellen i planlægningstid kvantificeret. Den forudsagte reduktion i rater af strålingspneumonitis vil blive kvantificeret ved hjælp af metoden ifølge Faught et al. og den forventede reduktion i antallet af indlæggelser og medicinske omkostninger vil blive beregnet.

CT-perfusionsbilleddannelsesmetoder er for nylig blevet udviklet for at tillade beregning af perfusionsinformation fra ikke-kontrastindåndings-/udåndings-CT-billedpar. CTPI er baseret på princippet om, at der sker en masseændring i lungen under respirationscyklussen på grund af ændringer i blodvolumen. Perfusion er afledt af denne masseændring, som beregnes ved voxel-opløsningen ved hjælp af intensitetsbaserede materialedensitetsestimater og rumlig kortlægning mellem forskellige CT-billeder. CTPI er en ny teknologi, der kræver yderligere validering af dens nøjagtighed. Imidlertid er der i øjeblikket mangel på parrede BHCT-perfusionsdatasæt til validering. Til dato er den eneste valideringsundersøgelse udført af Castillo et al. rapporterede en median korrelation på 0,57 mellem CTPI og SPECT perfusionsbilleddannelse.

University of Sydney og Northern Sydney Local Health District har for nylig installeret en ny Total Body PET-scanner på Royal North Shore Hospital, som kan foretage scanninger i en enkeltsengsposition med højere følsomhed, hurtigere indsamlingstid og længere scanningslængde. Den højere følsomhed af denne nye enhed muliggør hurtigere billeddannelse, inklusive 4D (tidsserier) billeder, hvilket giver mere detaljerede ventilationsoplysninger. For at understøtte dette vil en yderligere lavdosis 4DCT-scanning kun på tværs af lungerne i stedet for den fulde scanningslængde blive erhvervet i forbehandlingsbilleddannelse med det formål at undersøge 4D-dæmpningskorrektion.

Valg af komparatorer Kontrol

• Galligas PET ventilationsbilleder vil blive erhvervet for hver deltager og brugt som grundsandheden. Galligas PET er en etableret modalitet til at opnå ventilationsbilleder med højere rumlig opløsning end SPECT-billeddannelse.
• Tc-99m MAA SPECT-billeder vil blive erhvervet for hver deltager og brugt som grundsandheden for perfusion. 99mTc-MAA SPECT er en etableret modalitet til at opnå perfusionsbilleder.
• 4D PET-billeder rekonstrueret med 3D-dæmpnings-CT.
• Standard for pleje anatomisk baserede behandlingsplaner vil blive genereret for hver deltager.

Komparatorer

• Ventilationsbilleder afledt af BHCT-, fluoroskopi-, 4DCBCT- og 4DCT-scanninger erhvervet fra hver deltager. Røntgenbaseret ventilationsbilleddannelse er udviklet som et omkostningseffektivt og tilgængeligt alternativ til visualisering af lungeventilation.
• Perfusionsbilleder afledt af BHCT-scanninger erhvervet fra hver patient. CT-perfusionsbilleddannelse er under udvikling som et omkostningseffektivt og tilgængeligt alternativ til visualisering af lungeperfusion.
• 4D PET-billeder rekonstrueret med 4D-dæmpnings-CT. 4D-dæmpning foreslås for at give mere nøjagtig PET-billeddannelse i områder, hvor vejrtrækningsbevægelser forventes.
• Funktionelt baserede strålebehandlingsplaner, der er oprettet ved hjælp af ventilationsbillederne, i form af forudsagte strålingspneumonitisrater.