Kontinuerlig overvåking av prostataposisjon under strålebehandling (KIM Gating)

Prostatakreft utgjør nå en tredjedel av alle nye kreftdiagnoser hos menn, og omtrent 30 % av mennene vil ha ekstern strålebehandling som sin primære lokale terapi. Prostatabevegelse under strålebehandling kan deles inn i interfraksjon og intrafraksjonsbevegelse. Interfraksjonsbevegelse har blitt godt etablert og har i stor grad blitt overvunnet av daglig online bildeverifisering med enten ultralyd, online CT eller implanterte fidusielle markører, men bevegelse under strålingsstrålen i tide (intrafraksjonsbevegelse) blir ikke korrigert og kan være årsaken til betydelige feil ved stråledoselevering.

Intrafraksjonsbevegelse: Bevegelse av prostata etter innledende behandlingsoppsett har blitt kalt intrafraksjonsbevegelse. Estimater av størrelsen og frekvensen av denne bevegelsen ble opprinnelig gjort ved bruk av kontinuerlig magnetisk resonans (MR)-avbildning. Padhani et al rapporterte at 16 % av pasientene hadde > 5 mm anterior:bakre bevegelse når de ble avbildet i 7 minutter med lignende resultater rapportert i påfølgende MR-filmstudier. Intrafraksjonsbevegelse kan være sekundært til organbevegelser som blærefylling, respirasjon eller bevegelig rektalgass, eller kan skyldes fysisk pasientbevegelse. Med tilgjengeligheten av prostatasporing i sanntid, er kliniske data tilgjengelige for å kvantifisere omfanget og frekvensen av bevegelse. En tidlig rapport fra Kupelian et al ved bruk av kontinuerlig radiotransponderposisjonering7 beskrev 41 % av fraksjonene med >3 mm bevegelse og 15 % > 5 mm bevegelse i > 30 sekunder. Risikoen for bevegelse ble registrert å øke med lengre behandlingstid.

Våre egne data ved bruk av offline autosegmentering av fiducial markørposisjonen til 10 pasienter viste 38 % av fraksjonene >1 mm, 4,7 % av fraksjonene >3 mm og 1,7 % av fraksjonene >5 mm øyeblikkelig under behandlingslevering på omtrent 2,5 min 8.

Betydningen av å korrigere for bevegelse:

Hvis stråledose beregnes på nytt for hver enkelt fraksjon og justeres for intrafraksjonsbevegelse, er det mulig å estimere den reelle dosen levert til målet og sammenligne denne med ønsket dose. Denne sammenligningen gir en robust modell av den potensielle fordelen for sanntidssporing og justering for bevegelsen. Oversikt over kilovoltage intrafraction monitoring (KIM): Kilovoltage intrafraction monitoring er en ny sanntids tumorlokaliseringsmodalitet. Det involverer et enkelt portalmontert kV røntgenbildeapparat (som er allment tilgjengelig på de fleste linacs) som får 2D-projeksjoner av implanterte fiducial markører. Når behandlingsportalen roterer rundt pasienten under behandlingen, tar kV-bildeapparatet 2D-projeksjoner av prostata. De fidusielle markørene er segmentert ved hjelp av en egenutviklet programvarepakke. 3D-posisjoner bestemmes via maksimal sannsynlighetsestimering (MLE) av en 3D sannsynlighetstetthet.

I tidligere arbeid (Ng et al, 2012) har vi brukt KIM-metoden med offline segmentering for å beregne 3D-prostatabanen etter behandling. I denne studien bruker vi online markørsegmentering for å muliggjøre opprettelse av levende bane under behandlingslevering med en behandlingstid på mindre enn 1 sekund. Med circa-sanntidsbanene er vi i stand til å gate leveringen for å maksimere dosen til svulsten, eller spore med Multi-Leaf Collimators (MLC) for å følge prostatabevegelsen. Sistnevnte involverer kompleks interaksjon med stråleleveringssystemet og er ikke en del av denne studien. Behandlingen kan portes basert på en forhåndsinnstilt toleranse. Ved å bruke våre tidligere data modellerte vi flere gatingkriterier 3mm/5s, 3mm/10s og 3mm/15s basert på ekskursjoner langs individuelle akser og også den radielle ekskursjonen. På tvers av de 10 pasientene ble en toleranse på 3 mm/5s vist å være effektiv, og introduserte bare 24 gating-hendelser (fra 268 behandlinger) og trygg, med den minste tiden for ekskursjon (5s).

KIM-metoden introduserer ekstra stråledose til pasienten på ca. 65mSv per behandling lokalisert til prostata 8. Standard behandlingsdoser for prostatastrålebehandling er 80 Gy. Mengden av bildedose vil være avhengig av bildefeltstørrelsen, bildefrekvensen til innhentede bilder, behandlingsfeltstørrelsen, kV-energien som brukes og behandlingsmetoden (Volumetric Modulated Arc Therapy [VMAT], Intensity Modulated Radiotherapy [IMRT], Stereotaktisk Boost Strålebehandling [SBRT]).9 Vi vil minimere bildedosen fra vår forrige studie 8 ved å:

• å redusere feltstørrelsen til kun å omfatte fiducials og en liten margin per pasient, slik at avbildningsdosen leveres innenfor behandlingsvolumet (forvent 20-40 % dosebesparelse);
• strålekvaliteten er maksimert til 125 kV;
• Pasientdimensjonene er begrenset ettersom de større pasientene skaper mer spredningsstråling (som reduserer bildekvaliteten) og absorberer mer stråling. Dette, kombinert med behandlingsfeltstørrelsen som nedenfor, kan tillate oss å bruke en lavere bildefrekvens for bildeopptak, ned fra 10 fps til 5 fps, noe som vil ha en proporsjonal effekt på dosen;
• pasienter med nodalområder for behandling utelukkes da behandlingsfeltene er større og dette reduserer bildekvaliteten. Ved å ekskludere disse større pasientene kan vi kanskje bruke 5 bilder per sekund i stedet for 10 bilder per sekund kombinert med pasientdimensjonen som ovenfor;
• VMAT er vist å kreve mindre behandlingstid enn IMRT-levering, og SBRT er vist å kreve mindre total tid enn konvensjonell fraksjonering (der total behandlingstid er proporsjonal med bildedose). Vi forventer å se en dosereduksjon med VMAT-SBRT-protokollen sammenlignet med VMAT på 20-40 %.

Sammen med bildedosen må vi vurdere og vekte gevinstene fra intrafraksjonsovervåking og gated behandling. Disse gevinstene inkluderer å forbedre nøyaktigheten av levert dose, slik at den planlagte behandlingsdosen leveres effektivt til svulsten, og den geometriske nøyaktigheten som vil tillate reduksjon i sikkerhetsmarginen som er introdusert for å kompensere for behandlingen. Vi har vist betydelige forbedringer i tumordose fra 60 % til 95 % av den tiltenkte dosedistribusjonen ved gating med 3 mm/5s toleranse som vist i figur 1.

Verifikasjon av KIM klinisk dynamisk lokaliseringsnøyaktighet ved bruk av kV/MV-triangulering:

For å evaluere den dynamiske lokaliseringsnøyaktigheten til KIM-metoden, kan 3D-posisjoner bestemt av KIM sammenlignes med kV/MV-triangulering. kV/MV triangulering. Triangulering gir et uavhengig mål på prostataplasseringen.

Failure Mode and Effects Analysis (FMEA) og Quality Assurance (QA) protokoll En FMEA har blitt utført for å identifisere potensielle feilmoduser innenfor den ekstra KIM-arbeidsflyten. Standard arbeidsflyt har etablert kvalitetssikringstiltak på plass. Alle KIM-feilmoduser har blitt dempet i en rekke lag av kvalitetssikringstiltak, tydelig design av brukergrensesnitt, tydelig utpeking av personalroller, personalutdanning og eksklusjonskriterier for pasientvalg.