Aanpassing tijdens de behandeling van dosimetrieplannen voor hoofd-halskanker met behulp van nieuwe cone-beam CT en AI-gestuurde software

Deze studie richt zich op de wijziging van het behandelplan voor beeldvorming en radiotherapie voor patiënten met hoofd-halskanker met behulp van een hoogwaardig cone beam CT (CBCT) beeldgeleidingssysteem (HyperSight) en AI-gestuurde adaptieve planningssoftware. Het HyperSight-beeldvormingssysteem is een toekomstig onderdeel van een behandelplatform voor radiotherapie (RT), genaamd Ethos (Varian Medical Systems).

RT wordt gebruikt bij de behandeling van ongeveer 75% van alle hoofd-halskanker (H&N) met curatieve of palliatieve bedoelingen. Externe bestralingstherapie wordt doorgaans gedurende 5-7 weken toegediend in 25-35 dagelijkse behandelingen (of "fracties"). Beeldgeleide bestralingstherapie (IGRT) is nu een standaardbehandeling voor uitwendige bestraling. Tijdens een IGRT-behandelingssessie wordt een in de behandelingseenheid ingebouwd CBCT-beeldvormingssysteem gebruikt om 3D-beelden van de anatomie van de patiënt te verkrijgen onmiddellijk voorafgaand aan en, indien nodig, op verschillende tijdstippen tijdens de dagelijkse toediening van straling. De CBCT-beeldgegevens worden door het behandelteam gebruikt om de patiënt zorgvuldig af te stemmen op de fan-beam CT (FBCT)-beelden voor de behandelingsplanning die 1-2 weken voorafgaand aan de start van de behandeling zijn verkregen en die zijn gebruikt om het dosimetrieplan op te stellen dat bepaalt de dagelijkse stralingsafgifte. Verificatie van de positie van de patiënt en afstemming met de beelden van de behandelingsplanning verhoogt de nauwkeurigheid van de bestraling.

Dagelijkse beeldvorming is met name belangrijk voor het nauwkeurig instellen van patiënten die worden behandeld voor hoofd-halskanker (H&N), aangezien deze patiënten tijdens de behandeling vaak gewichtsverlies en doelvolumeveranderingen ervaren. Deze volumeveranderingen kunnen de verwachte dosisverdeling veranderen, aangezien risicoorganen (OAR) migreren naar regio's met hoge doses of doelvolumes inhomogeniteiten ontwikkelen. Wanneer volumeveranderingen door het behandelteam worden waargenomen als een significante invloed op de stralingsafgifte, kunnen patiënten worden doorgestuurd voor een tweede geplande FBCT en een nieuw behandelplan laten opstellen voor de rest van hun behandeling. Dit proces wordt offline herplanning of offline aanpassing genoemd. De radiotherapeut-oncoloog moet beslissen of hij de behandeling onderbreekt of doorgaat met het oorspronkelijke behandelplan totdat er een nieuw plan is opgesteld. In beide gevallen kan het enkele dagen duren tussen het moment waarop een probleem wordt geïdentificeerd en het moment waarop een nieuw plan gereed is om te worden afgeleverd. Offline herplanning is geen regelmatig gepland onderdeel van de klinische workflow en veroorzaakt verstoring van routinematige beeldvormings-, contouren- en planningstaken voor andere patiënten. Deze taken moeten terzijde worden geschoven om de nodige middelen vrij te maken om een ​​nieuw plan op te stellen voor de patiënt die al wordt behandeld en om het behandelteam in staat te stellen zo snel mogelijk met het nieuwe plan te beginnen.

De CBCT-beelden die zijn verkregen met het hoogwaardige HyperSight CBCT-beeldvormingssysteem hebben aangetoond dat de Hounsfield Unit-nauwkeurigheid voldoende is voor nauwkeurige dosimetrieberekeningen in fantomen. Deze afbeeldingen kunnen daarom mogelijk worden gebruikt om een ​​bestralingsbehandeling te plannen of opnieuw te plannen. De mogelijkheid om beeldvorming die is verkregen als onderdeel van de dagelijkse behandelingsafgifte te gebruiken voor herplanning, zou de noodzaak kunnen verminderen om patiënten te sturen voor aanvullende beeldvorming en zou ook de tijd en middelen kunnen verminderen die nodig zijn om de behandelingsafgifte halverwege de cursus opnieuw te plannen. Dit is van groot belang voor een cohort patiënten waarvan al bekend is dat ze kwetsbaar zijn voor de noodzaak van herplanning.

Naast de uitdagingen bij het herplannen van de behandeling halverwege de behandeling, is een ander probleem dat veel voorkomt bij H&N-patiënten de aanwezigheid van beeldvormingsartefacten van metalen voorwerpen met een hoge dichtheid in hun mondholte, zoals tandvullingen en implantaten. Deze artefacten kunnen problemen veroorzaken bij het visualiseren van doelvolumes en OAR's bij het plannen van CT, evenals verstoring van de dosisberekening, met name voor kankers in de mondholte. Metaalartefacten kunnen ook een aanzienlijke vermindering van de CBCT-beeldkwaliteit veroorzaken, waardoor het nut van IGRT voor patiëntpositionering wordt beperkt.

Het HyperSight CBCT-beeldvormingssysteem bevat verschillende hardware- en softwarewijzigingen die het potentieel hebben om CBCT-beelden van hogere kwaliteit te leveren, waaronder verbeterde visualisatie van volumeveranderingen en verbeterde reductie van metaalartefacten.

Met minimale verstoring voor deelnemende patiënten, zal deze studie een vergelijking mogelijk maken van (i) de FBCT van de patiënt en (ii) de conventionele CBCT van de patiënt op een bestaande behandeleenheid (Truebeam CBCT) met (iii) CBCT-beelden van de patiënt op het HyperSight-systeem . De beeldkwaliteit van de hoogwaardige CBCT wordt daarbij vergeleken met zowel een best-case standaard (FBCT) als de conventionele CBCT voor IGRT (Truebeam CBCT) om mogelijke verbeteringen in de HyperSight CBCT-beelden te identificeren. De beeldkwaliteit zal worden gekwantificeerd in termen van contrast-ruisverhouding (CNR), resolutie, Hounsfield Unit (HU)-nauwkeurigheid en artefactreductie met een focus op anatomie die van belang is voor de beeldgeleidingstaak. Er zal ook een kwalitatieve beoordeling van de verschillende beelddatasets worden uitgevoerd door middel van feedback van meerdere waarnemers (radiotherapeut-oncologen en radiotherapeuten). Stralingsdoses voor de belangrijkste doelen en organen die risico lopen, worden berekend op basis van de hoogwaardige CBCT's en vergeleken met de doses die zijn berekend in het behandelplan van de proefpersoon om de geschiktheid van de CBCT-beelden voor RT-dosimetrische planning te bepalen. Er zullen ook verschillende herplanningsscenario's worden onderzocht om mogelijke efficiëntieverbeteringen te bepalen door het gebruik van het HyperSight CBCT-beeldvormingssysteem voor herplanning.

Beeldsets (i) en (ii) hierboven zijn al verworven als onderdeel van de zorgstandaard voor bestralingsbehandeling. Twee extra CBCT's, genomen op de dag van de FBCT-behandelingsplanning van de patiënt en opnieuw op de dag dat de patiënten hun 21e behandelingsfractie ontvangen (ongeveer tweederde door behandeling) zullen worden verkregen van elke proefpersoon op het HyperSight CBCT-beeldvormingssysteem voor dit onderzoek. Niet elke patiënt zal een herplanning halverwege de behandeling nodig hebben, maar op basis van eerdere gegevens van het instituut, als herplanning nodig is, zouden de indicaties voor herplanning bij de meeste van die populatie duidelijk moeten zijn tegen de tijd dat 2/3 van hun behandeling is voltooid. geleverd. Als het behandelteam vaststelt dat een patiënt tijdens de behandeling een tweede geplande FBCT nodig heeft, wordt de patiënt ingepland voor een derde HyperSight CBCT op dezelfde dag dat ze hun tweede geplande FBCT ontvangen.

De planning en levering van bestralingsbehandelingen zal niet worden gewijzigd als gevolg van de deelname van patiënten aan dit onderzoek. Patiënten zullen radiotherapie krijgen volgens de huidige afdelingsprocedures en op de bestaande lineaire versnellerplatforms van de afdeling. De beslissing om een ​​tweede CT-planning te krijgen en een nieuw behandelplan voor het midden van de behandeling op te stellen, wordt niet beïnvloed door de deelname van een proefpersoon aan het onderzoek.

De HyperSight CBCT's die in dit onderzoek worden verkregen, maken het mogelijk om verschillende herplanningsstrategieën te onderzoeken. Het proces van herplanning halverwege de behandeling kan voor alle proefpersonen worden gesimuleerd met behulp van de HyperSight CBCT verkregen in fractie 21. Timing en workflow-efficiëntie kunnen worden geëvalueerd in deze gesimuleerde herplanningsprocessen en worden vergeleken met institutionele normen (bijv. gemiddelde tijd vanaf identificatie van de noodzaak van herplanning tot de start van de levering van een nieuw behandelplan). In de subgroep van proefpersonen die een nieuwe planning nodig hebben als onderdeel van hun behandeling, zullen de op de dag van de tweede FBCT verkregen HyperSight CBCT's ook worden gebruikt om een ​​behandelplan op te stellen en de dosimetrie van het op HyperSight CBCT gebaseerde herplan zal worden vergeleken met de dosimetrie van de tussentijdse herplanningen van de behandeling die voor deze proefpersonen zijn gegenereerd met behulp van de huidige offline methoden voor herplanning.

Naast de simulatie van de huidige offline herplanningsmethoden met behulp van de HyperSight CBCT-beelden, zal deze studie de online adaptieve workflow evalueren die beschikbaar is via het Ethos Radiotherapiesysteem. Online adaptieve workflow maakt gebruik van AI-gebaseerde anatomische structuurcontouren en planoptimalisatietools om de dagelijkse levering van bestralingsbehandelingen aan te passen. In plaats van dezelfde behandeling in elke fractie toe te dienen, wordt het behandelplan dat voorafgaand aan de start van de behandeling is gedefinieerd, geoptimaliseerd op basis van de anatomie die is vastgelegd in de CBCT die is verkregen aan het begin van de dagelijkse fractie. Onafhankelijk van het klinische behandelplan van de patiënt, zal de AI-gestuurde adaptieve planningscomponent van Ethos worden gebruikt om online aanpassing van het behandelplan te simuleren. Deze studie zal de potentiële dosimetrische voordelen evalueren van dagelijkse online adaptieve planning bij hoofd-halskanker en het potentieel voor online aanpassing om de behoefte aan offline herplanning te verminderen. De tijd en middelen die nodig zijn om een ​​online adaptieve workflow te implementeren, worden vergeleken met standaard IGRT-levering.