Kontinuierliche Überwachung der Prostataposition während der Strahlentherapie (KIM Gating)

Prostatakrebs macht heute ein Drittel aller neuen Krebsdiagnosen bei Männern aus, und ungefähr 30 % der Männer erhalten eine externe Strahlentherapie als primäre lokale Therapie. Die Prostatabewegung während der Strahlentherapie kann in Interfraktions- und Intrafraktionsbewegung unterteilt werden. Die Interfraktionsbewegung ist gut etabliert und wurde durch die tägliche Online-Bildüberprüfung mit Ultraschall, Online-CT oder implantierten Referenzmarkern weitgehend überwunden, jedoch wird die Bewegung während des rechtzeitigen Bestrahlungsstrahls (Intrafraktionsbewegung) nicht korrigiert und kann die Ursache für erhebliche Fehler sein bei der Abgabe von Strahlendosen.

Bewegung innerhalb der Fraktion: Die Bewegung der Prostata nach dem anfänglichen Behandlungsaufbau wird als Bewegung innerhalb der Fraktion bezeichnet. Abschätzungen der Größe und Frequenz dieser Bewegung wurden anfänglich unter Verwendung kontinuierlicher Magnetresonanz-(MR)-Bildgebung vorgenommen. Padhani et al. berichteten, dass 16 % der Patienten eine anterior:posteriore Bewegung von > 5 mm hatten, wenn sie 7 Minuten lang abgebildet wurden, mit ähnlichen Ergebnissen, die in nachfolgenden MR-Cine-Studien berichtet wurden. Intrafraktionsbewegungen können sekundär zu Organbewegungen wie Blasenfüllung, Atmung oder rektalen Gasbewegungen sein, oder kann auf körperliche Bewegung des Patienten zurückzuführen sein. Mit der Verfügbarkeit von Echtzeit-Prostata-Tracking sind klinische Daten verfügbar, um das Ausmaß und die Häufigkeit der Bewegung zu quantifizieren. Ein früher Bericht von Kupelian et al. mit kontinuierlicher Funktransponderpositionierung7 beschrieb 41 % der Fraktionen mit > 3 mm Bewegung und 15 % > 5 mm Bewegung für > 30 Sekunden. Es wurde festgestellt, dass das Bewegungsrisiko mit längerer Behandlungsdauer zunimmt.

Unsere eigenen Daten unter Verwendung der Offline-Autosegmentierung der Position der Referenzmarker von 10 Patienten zeigten 38 % der Fraktionen > 1 mm, 4,7 % der Fraktionen > 3 mm und 1,7 % der Fraktionen > 5 mm sofort während der Behandlungsabgabe von etwa 2,5 Minuten 8.

Bedeutung der Bewegungskorrektur:

Wenn die Strahlungsdosis für jede einzelne Fraktion neu berechnet und für die Bewegung innerhalb der Fraktion angepasst wird, ist es möglich, die tatsächlich an das Ziel abgegebene Dosis abzuschätzen und diese mit der gewünschten Dosis zu vergleichen. Dieser Vergleich ergibt ein robustes Modell des potenziellen Nutzens für die Echtzeitverfolgung und -anpassung für die Bewegung. Überblick über das Kilovolt-Intrafraktionsmonitoring (KIM): Das Kilovolt-Intrafraktionsmonitoring ist eine neuartige Echtzeit-Tumorlokalisierungsmodalität. Es umfasst einen einzelnen, an einer Gantry montierten kV-Röntgenbildgeber (der auf den meisten Linearbeschleunigern weit verbreitet ist), der 2D-Projektionen von implantierten Bezugsmarkierungen erfasst. Während sich die Behandlungsbrücke während der Behandlung um den Patienten dreht, erfasst der kV-Bildgeber 2D-Projektionen der Prostata. Die Passermarken werden mit einem eigenentwickelten Softwarepaket segmentiert. 3D-Positionen werden über Maximum-Likelihood-Schätzung (MLE) einer 3D-Wahrscheinlichkeitsdichte bestimmt.

In früheren Arbeiten (Ng et al, 2012) haben wir die KIM-Methode mit Offline-Segmentierung angewendet, um die 3D-Prostatabahn nach der Behandlung zu berechnen. In der vorliegenden Studie verwenden wir die Online-Markersegmentierung, um die Erstellung einer Live-Trajektorie während der Behandlung mit einer Verarbeitungszeit von weniger als 1 Sekunde zu ermöglichen. Mit den Zirka-Echtzeit-Trajektorien sind wir in der Lage, die Abgabe zu steuern, um die Dosis für den Tumor zu maximieren, oder mit Multi-Leaf-Kollimatoren (MLC) zu verfolgen, um der Prostatabewegung zu folgen. Letzteres beinhaltet eine komplexe Interaktion mit dem Strahlführungssystem und ist nicht Teil dieser Studie. Die Behandlung kann basierend auf einer voreingestellten Toleranz gesteuert werden. Unter Verwendung unserer früheren Daten modellierten wir mehrere Gating-Kriterien 3 mm/5 s, 3 mm/10 s und 3 mm/15 s basierend auf Auslenkungen entlang einzelner Achsen und auch der radialen Auslenkung. Bei den 10 Patienten hat sich eine Toleranz von 3 mm/5 s als effizient erwiesen, da sie nur 24 Gating-Ereignisse (aus 268 Behandlungen) einführte und sicher war, mit der kürzesten Zeit für Exkursion (5 s).

Die KIM-Methode führt dem Patienten eine zusätzliche Strahlendosis von etwa 65 mSv pro Behandlung zu, die auf die Prostata lokalisiert ist 8. Die Standardbehandlungsdosen für die Strahlentherapie der Prostata betragen 80 Gy. Die Höhe der Bildgebungsdosis hängt von der Größe des Bildgebungsfelds, der Bildrate der erfassten Bilder, der Größe des Behandlungsfelds, der verwendeten kV-Energie und der Behandlungsmethode ab (volumetrisch modulierte Lichtbogentherapie [VMAT], intensitätsmodulierte Strahlentherapie [IMRT], stereotaktischer Boost Strahlentherapie [SBRT]).9 Wir werden die Bildgebungsdosis aus unserer vorherigen Studie 8 minimieren, indem wir:

• Reduzieren der Feldgröße, sodass sie nur die Bezugspunkte und einen kleinen Spielraum pro Patient umfasst, sodass die Bildgebungsdosis innerhalb des Behandlungsvolumens abgegeben wird (mit einer Dosiseinsparung von 20–40 % rechnen);
• die Strahlqualität wird auf 125 kV maximiert;
• Die Patientenabmessungen sind begrenzt, da die größeren Patienten mehr Streustrahlung erzeugen (die die Bildqualität verringert) und mehr Strahlung absorbieren. Dies, kombiniert mit der Größe des Behandlungsfeldes wie unten, kann es uns ermöglichen, eine niedrigere Bildrate für die Bilderfassung zu verwenden, von 10 fps auf 5 fps, was sich proportional auf die Dosis auswirkt;
• Patienten mit nodalen Bereichen zur Behandlung werden ausgeschlossen, da die Behandlungsfelder größer sind und dies die Bildqualität verringert. Indem wir diese größeren Patienten ausschließen, können wir möglicherweise eine Bildgebung mit 5 fps anstelle von 10 fps verwenden, kombiniert mit der Patientendimension wie oben;
• VMAT erfordert nachweislich weniger Behandlungszeit als IMRT-Verabreichung, und SBRT erfordert nachweislich weniger Gesamtzeit als herkömmliche Fraktionierung (bei der die Gesamtbehandlungszeit proportional zur Bildgebungsdosis ist). Wir erwarten eine Dosisreduktion mit dem VMAT-SBRT-Protokoll im Vergleich zu VMAT von 20-40 %.

Zusammen mit der Bildgebungsdosis müssen wir die Gewinne aus der Intrafraktionsüberwachung und der Gated-Behandlung berücksichtigen und gewichten. Zu diesen Gewinnen gehören die Verbesserung der Genauigkeit der abgegebenen Dosis, sodass die geplante Behandlungsdosis effizient an den Tumor abgegeben wird, und die geometrische Genauigkeit, die eine Reduzierung des Sicherheitsspielraums ermöglichen würde, der eingeführt wird, um die Behandlung zu kompensieren. Wir haben signifikante Verbesserungen der Tumordosis von 60 % auf 95 % der beabsichtigten Dosisverteilung durch Gating mit einer Toleranz von 3 mm/5 s gezeigt, wie in Abbildung 1 gezeigt.

Verifizierung der Genauigkeit der KIM-Klinisch-Dynamischen Lokalisierung mittels kV/MV-Triangulation:

Um die dynamische Lokalisierungsgenauigkeit des KIM-Verfahrens zu bewerten, können die durch KIM ermittelten 3D-Positionen mit der kV/MV-Triangulation verglichen werden. kV/MV-Triangulation. Die Triangulation liefert ein unabhängiges Maß für die Lage der Prostata.

Fehlermöglichkeits- und Einflussanalyse (FMEA) und Qualitätssicherungsprotokoll (QA) Eine FMEA wurde durchgeführt, um potenzielle Fehlermodi innerhalb des zusätzlichen KIM-Arbeitsablaufs zu identifizieren. Der Standard-Workflow verfügt über etablierte Qualitätssicherungsmaßnahmen. Alle KIM-Fehlermodi wurden in zahlreichen Schichten durch Qualitätssicherungsmaßnahmen, klares Design der Benutzeroberfläche, klare Zuordnung der Mitarbeiterrollen, Mitarbeiterschulung und Ausschlusskriterien für die Patientenauswahl gemildert.