Dosis-Wirkungs-Antwort von funktionell kritischen Hirnregionen für die Strahlentherapie des Gehirns

Fragestellung:

Unser Ziel ist es, in dieser Studie die folgenden drei Forschungsfragen zu beantworten:

1. Wie sieht die Dosis-Wirkungs-Kurve (Grad der Strahlenkomplikationen/radiologischen Veränderungen vs. Strahlendosis) für Gehirnregionen aus, die an der Verarbeitung von visuellen, sprachlichen und Arbeitsgedächtnisfunktionen beteiligt sind?
2. Was ist die Grenzdosis für diese funktionell kritischen Gehirnregionen, die bei der Planung der Strahlentherapie angewendet werden kann, um die Möglichkeit einer strahleninduzierten Verletzung zu minimieren (z. B. weniger als 5 %)?
3. Kann fMRT des Gehirns verwendet werden, um die Strahlentherapie-Behandlungsplanung zu steuern, um die Dosis für funktionell kritische Gehirnregionen zu minimieren und das Behandlungsansprechen dieser Regionen zu bewerten?

Untersuchungsmethode:

Bildgebung vor der Strahlentherapie: Für jeden Patienten werden neben der standardmäßigen anatomischen MRT für die Strahlentherapie des Gehirns aktive Stimulations- und Ruhe-fMRT-Untersuchungen durchgeführt. Aus den fMRT-Scans werden Aktivierungskarten von Regionen erstellt, die an visuellen, sprachlichen und Arbeitsgedächtnisfunktionen beteiligt sind, und die Antworten des Patienten auf die Arbeitsgedächtnisaufgabe (d. h. die N-Back-Aufgabe) werden während der fMRT-Studien aufgezeichnet. Die MRT und die fMRT dauern zusammen etwa 90 Minuten – 60 Minuten für die Standard-MRT und 30 Minuten für die fMRT. Die Aktivierungskarten werden den FLAIR-MRT-Bildern überlagert, in das Strahlentherapie-Behandlungsplanungssystem importiert und mit dem Simulations-CT-Scan koregistriert.

Strahlentherapie und routinemäßige Nachsorge: Funktionell kritische Bereiche in den fMRT-Aktivierungskarten werden separat als kritische Organe konturiert, aber nicht für die Planoptimierung berücksichtigt. Dosis-Volumen-Histogramme (DVHs) von funktionell kritischen Hirnregionen werden berechnet und dokumentiert. Jeder Patient erhält gemäß dem Behandlungsplan eine fraktionierte Strahlentherapie des Gehirns und wird alle drei Monate nach der Strahlentherapie nachuntersucht.

Nachuntersuchungen: Die 3MS-Untersuchung wird vor Beginn der Behandlung und alle drei Monate nach der Behandlung während der routinemäßigen Nachsorge durchgeführt, um die neuropsychologischen Funktionen zu untersuchen. Anatomisches MRT (Standard) und Gehirn-fMRT (Forschung) werden 6 Monate nach der Strahlentherapie erfasst, um die radiologischen und funktionellen Veränderungen in Regionen zu bestimmen, die an der Verarbeitung von visuellen, sprachlichen und Arbeitsgedächtnisfunktionen beteiligt sind.

Minimierung der Beeinträchtigung durch Tumorrezidiv oder -progression: Es werden zwei Maßnahmen ergriffen, um die Beeinträchtigung durch Tumorrezidiv oder -progression mit der Bewertung von Leistungsveränderungen durch Strahlung zu minimieren. Erstens wird die Aufnahme von Patienten auf Patienten mit langsam wachsenden Tumoren beschränkt, z. B. Meningiom, niedriggradigem Gliom und anaplastischem Astrozytom, so dass die Wahrscheinlichkeit für ein Wiederauftreten oder Fortschreiten des Tumors gering ist. Zweitens werden Patienten, die bei einer der Nachuntersuchungen nach der Strahlentherapie eine Krankheitsprogression entwickeln, von der Studie ausgeschlossen, da es nicht möglich wäre, die Auswirkungen der Krankheitsprogression von den Nebenwirkungen der Strahlentherapie auf die fMRT oder die 3MS-Untersuchung zu unterscheiden, und die Befunde wären nicht interpretierbar.

Dosis-Wirkungs-Analyse: Die logistische Regressionsanalyse wird verwendet, um die Wahrscheinlichkeit von Komplikationen in funktionell kritischen Gehirnregionen als Funktion der Strahlendosis zu bewerten. Die abhängige Variable ist der binäre Indikator, der die manifesten Komplikationen der Patienten identifiziert (Abnahme des 3MS-Untersuchungsergebnisses und des N-Back-Tests, radiologische/funktionelle Veränderungen, die in MRT und fMRT identifiziert wurden), die auf die Strahlenexposition zurückzuführen sind. Das logistische Regressionsmodell wird relevante Faktoren auf Subjektebene (z. B. Alter, Geschlecht, Ausgangszustand der Karnofsky-Leistung, Tumorlokalisation, kürzliche Anfälle, antiepleptische Medikamente) als Kovariaten enthalten. Das angepasste logistische Komplikationswahrscheinlichkeitsmodell für normales Gewebe (NTCP) ermöglicht die Abschätzung der Wahrscheinlichkeit signifikanter Komplikationen im Zusammenhang mit einer beliebigen Strahlendosis für das Gebiet, wodurch die Grenzdosis als die Dosis berechnet werden kann, von der erwartet wird, dass sie mit einer akzeptablen Wahrscheinlichkeit eine Komplikation auslöst (z. B. 5 %).

Einbeziehung der Grenzdosis für die Strahlentherapie-Behandlungsplanung: Die Grenzdosis aus der obigen „Dosis-Wirkungs-Analyse“ wird für die IMRT-Neuplanung unter Berücksichtigung der funktionell kritischen Gehirnregionen verwendet. Das Optimierungsziel besteht darin, die Dosis für funktionell kritische Gehirnregionen zu minimieren, während eine ähnliche PTV-Abdeckung (Planungszielvolumen) aufrechterhalten und die Dosis für die kritischen Strukturen innerhalb der akzeptierten Toleranz gehalten wird. DVHs der funktionell kritischen Gehirnregionen, PTV und aller anderen kritischen Strukturen werden für beide Behandlungspläne mit und ohne Berücksichtigung der funktionell kritischen Gehirnregionen verglichen. Ein Wilcoxon-Matched-Pair-Signed-Rang-Test wird durchgeführt, um die Pläne in Bezug auf den berechneten NTCP kritischer Organe zu vergleichen. Der McNemar-Test wird verwendet, um Pläne mit und ohne Dosisbeschränkungen von Funktionsbereichen in Bezug auf die Ertragsrate (d. h. den Anteil der Patienten, für die der IMRT-Plan erfolgreich erstellt wurde) zu vergleichen.

Der primäre Studienendpunkt dieser Studie ist eine normale Gewebekomplikation. Das primäre Ziel dieser Studie ist die Bestimmung der Dosis-Wirkungs-Kurve und der Grenzdosis für funktionell kritische Hirnregionen für die Strahlentherapie des Gehirns. Das zweite Ziel dieser Studie ist es, die Genauigkeit der aktiven Stimulation oder fMRI im Ruhezustand zu untersuchen, um die funktionell kritischen Hirnregionen für die Strahlentherapie-Behandlungsplanung von Hirntumoren zu vermeiden und das Behandlungsansprechen dieser kritischen Regionen zu bewerten.