Monitoraggio continuo della posizione della prostata durante la radioterapia (KIM Gating)

Il cancro alla prostata ora rappresenta un terzo di tutte le nuove diagnosi di cancro negli uomini e circa il 30% degli uomini sarà sottoposto a radioterapia a fasci esterni come terapia locale primaria. Il movimento della prostata durante la radioterapia può essere suddiviso in movimento interfrazione e movimento intrafrazione. Il movimento di interfrazione è stato ben stabilito ed è stato ampiamente superato dalla verifica quotidiana dell'immagine online con ultrasuoni, TC online o marcatori fiduciali impiantati, tuttavia il movimento durante il raggio di radiazione in tempo (movimento intrafrazione) non viene corretto e può essere la causa di errori significativi nella consegna della dose di radiazioni.

Movimento intrafrazione: il movimento della prostata dopo l'impostazione iniziale del trattamento è stato definito movimento intrafrazione. Le stime dell'entità e della frequenza di questo movimento sono state inizialmente effettuate utilizzando la risonanza magnetica (RM) continua. Padhani et al. hanno riferito che il 16% dei pazienti presentava un movimento anteriore:posteriore > 5 mm quando ripreso per 7 minuti con risultati simili riportati in successivi studi RM cine, il movimento intrafrazionale può essere secondario al movimento dell'organo come il riempimento della vescica, la respirazione o lo spostamento di gas rettale, o può essere dovuto al movimento fisico del paziente. Con la disponibilità del monitoraggio della prostata in tempo reale, sono disponibili dati clinici per quantificare l'entità e la frequenza del movimento. Un primo rapporto di Kupelian et al che utilizzava il posizionamento continuo del radiotransponder7 descriveva il 41% delle frazioni con > 3 mm di movimento e il 15% > 5 mm di movimento per > 30 secondi. È stato notato che il rischio di movimento aumenta con un tempo di trattamento più lungo.

I nostri dati che utilizzano l'autosegmentazione offline della posizione del marker fiduciale di 10 pazienti hanno mostrato il 38% di frazioni > 1 mm, il 4,7% di frazioni > 3 mm e l'1,7% di frazioni > 5 mm istantaneamente durante l'erogazione del trattamento di circa 2,5 min 8.

Significato della correzione per il movimento:

Se la dose di radiazioni viene ricalcolata per ogni singola frazione e regolata per il movimento intrafrazione, è possibile stimare la dose reale erogata al bersaglio e confrontarla con la dose desiderata. Questo confronto fornisce un modello robusto del potenziale vantaggio per il tracciamento in tempo reale e la regolazione del movimento. Panoramica del monitoraggio dell'intrafrazione del kilovoltaggio (KIM): il monitoraggio dell'intrafrazione del kilovoltaggio è una nuova modalità di localizzazione del tumore in tempo reale. Implica un singolo imager a raggi X kV montato su gantry (che è ampiamente disponibile sulla maggior parte dei linac) che acquisisce proiezioni 2D di marcatori fiduciari impiantati. Mentre il gantry di trattamento ruota attorno al paziente durante il trattamento, l'imager kV acquisisce proiezioni 2D della prostata. I marcatori fiduciari sono segmentati utilizzando un pacchetto software sviluppato internamente. Le posizioni 3D sono determinate tramite stima di massima verosimiglianza (MLE) di una densità di probabilità 3D.

In lavori precedenti (Ng et al, 2012) abbiamo applicato il metodo KIM con segmentazione offline per calcolare la traiettoria della prostata 3D dopo il trattamento. Nel presente studio stiamo utilizzando la segmentazione dei marcatori online per consentire la creazione di una traiettoria dal vivo durante l'erogazione del trattamento con un tempo di elaborazione inferiore a 1 secondo. Con le traiettorie circa in tempo reale siamo in grado di controllare la consegna in modo da massimizzare la dose al tumore, o tracciare con Multi-Leaf Collimators (MLC) per seguire il movimento della prostata. Quest'ultimo comporta un'interazione complessa con il sistema di erogazione del raggio e non fa parte di questo studio. Il trattamento può essere regolato in base a una tolleranza preimpostata. Utilizzando i nostri dati precedenti abbiamo modellato diversi criteri di gating 3mm/5s, 3mm/10s e 3mm/15s basati sulle escursioni lungo i singoli assi e anche sull'escursione radiale. Tra i 10 pazienti, una tolleranza di 3mm/5s si è dimostrata efficiente, introducendo solo 24 eventi di gating (da 268 trattamenti) e sicura, con il minor tempo di escursione (5s).

Il metodo KIM introduce una dose aggiuntiva di radiazioni al paziente di circa 65 mSv per trattamento localizzato alla prostata 8. Le dosi di trattamento standard per la radioterapia prostatica sono 80 Gy. La quantità di dose di imaging dipenderà dalle dimensioni del campo di imaging, dalla frequenza dei fotogrammi delle immagini acquisite, dalle dimensioni del campo di trattamento, dall'energia kV utilizzata e dal metodo di erogazione del trattamento (Volumetric Modulated Arc Therapy [VMAT], Intensity Modulated Radiotherapy [IMRT], Stereotactic Boost Radioterapia [SBRT]).9 Ridurremo al minimo la dose di imaging del nostro precedente studio 8:

• ridurre le dimensioni del campo per comprendere solo i fiducial e un piccolo margine per paziente in modo che la dose di imaging venga erogata all'interno del volume di trattamento (si prevede un risparmio della dose del 20-40%);
• la qualità del fascio è massimizzata a 125 kV;
• le dimensioni del paziente sono limitate poiché i pazienti più grandi creano più radiazioni di dispersione (che riducono la qualità dell'immagine) e assorbono più radiazioni. Questo, combinato con le dimensioni del campo di trattamento come di seguito, può consentirci di utilizzare un frame rate inferiore per l'acquisizione delle immagini, da 10 fps a 5 fps, che avrà un effetto proporzionale sulla dose;
• i pazienti con aree nodali per il trattamento sono esclusi in quanto i campi di trattamento sono più grandi e questo riduce la qualità dell'immagine. Escludendo questi pazienti più grandi, potremmo essere in grado di utilizzare l'imaging a 5 fps anziché a 10 fps combinato con la dimensione del paziente come sopra;
• È dimostrato che VMAT richiede un tempo di trattamento inferiore rispetto alla somministrazione IMRT e SBRT richiede un tempo totale inferiore rispetto al frazionamento convenzionale (dove il tempo totale di trattamento è proporzionale alla dose di imaging). Ci aspettiamo di vedere una riduzione della dose con il protocollo VMAT-SBRT rispetto a VMAT del 20-40%.

Insieme alla dose di imaging, dobbiamo considerare e soppesare i vantaggi derivanti dal monitoraggio intrafrazionale e dal trattamento recintato. Questi vantaggi includono il miglioramento dell'accuratezza della dose erogata, in modo che la dose terapeutica pianificata sia erogata in modo efficiente al tumore, e l'accuratezza geometrica che consentirebbe la riduzione del margine di sicurezza introdotto per compensare il trattamento. Abbiamo dimostrato miglioramenti significativi nella dose del tumore dal 60% al 95% della distribuzione della dose prevista mediante gating con tolleranza di 3 mm/5s, come mostrato nella Figura 1.

Verifica dell'accuratezza della localizzazione dinamica clinica KIM utilizzando la triangolazione kV/MV:

Per valutare l'accuratezza della localizzazione dinamica del metodo KIM, le posizioni 3D determinate dal KIM possono essere confrontate con la triangolazione kV/MV. Triangolazione kV/MT. La triangolazione fornisce una misura indipendente della posizione della prostata.

Protocollo FMEA (Failure Mode and Effects Analysis) e Quality Assurance (QA) È stato eseguito un FMEA per identificare le potenziali modalità di errore all'interno del flusso di lavoro KIM aggiuntivo. Il flusso di lavoro standard ha stabilito misure di garanzia della qualità in atto. Tutte le modalità di fallimento del KIM sono state mitigate in numerosi livelli da misure di garanzia della qualità, design chiaro dell'interfaccia utente, chiara designazione dei ruoli del personale, formazione del personale e criteri di esclusione per la selezione dei pazienti.