Wentylacja za pomocą badania radiograficznego: Techniki funkcjonalnego obrazowania płuc w celu zmniejszenia toksyczności w radioterapii z funkcjonalnym unikaniem (VENTURE)

Rak płuc jest główną przyczyną zgonów z powodu nowotworów na całym świecie, a niedrobnokomórkowy rak płuc (NSCLC) stanowi około 85% wszystkich zdiagnozowanych nowotworów płuc. Chirurgia, immunoterapia, chemioterapia, terapia celowana i radioterapia mogą być stosowane samodzielnie lub w skojarzeniu w leczeniu raka płuc, w zależności od stopnia zaawansowania nowotworu. Radioterapia jest głównym elementem leczenia raka płuc. U 77% pacjentów z rakiem płuca na pewnym etapie leczenia wskazane są oparte na dowodach wskazania do radioterapii wiązkami zewnętrznymi.

Radioterapia wiąże się z występowaniem działań toksycznych wywołanych promieniowaniem, takich jak popromienne zapalenie płuc i zwłóknienie, które niekorzystnie wpływają na jakość życia pacjenta i ograniczają dawkę, którą można bezpiecznie podać. Popromienne zapalenie płuc to zapalenie tkanki płucnej objawiające się dusznością, kaszlem i gorączką w ciągu 4–12 tygodni po zakończeniu radioterapii. Objawowe zapalenie płuc, definiowane jako stopień 2 lub wyższy, występuje ogółem u 29,8% w przypadku konwencjonalnej radioterapii.

Aktualne planowanie leczenia radioterapią zakłada, że ​​czynność płuc jest jednorodna w całym narządzie i nie uwzględnia regionalnych różnic w czynności płuc. Te różnice regionalne mogą wynikać z samego wzrostu nowotworu poprzez ucisk guza na struktury płuc lub z istniejących wcześniej czynników, często wywołanych paleniem, które mogą również wpływać na zdrowie płuc pacjentów chorych na raka. Istniejące wcześniej schorzenia, które mogą mieć wpływ na zdrowie płuc, obejmują przewlekłą obturacyjną chorobę płuc (POChP), zwłóknienie i pogrubienie naczyń chłonnych w płucach, rozedmę płuc, azbestozę i częściowe zapadnięcie płuc lub skutki uboczne poprzedniego leczenia raka, takie jak płyn w płucach, zapalenie i zapalenie płuc, a nawet częściowe usunięcie płuc. Aby zapewnić pacjentom najlepszą jakość życia po radioterapii, niezwykle istotne jest zachowanie w trakcie leczenia jak największej ilości zdrowych płuc.

Planowanie leczenia czynnościowego polegającego na unikaniu płuc w przypadku radioterapii może potencjalnie zmniejszyć toksyczność płucną poprzez minimalizację napromieniania zdrowej tkanki płuc w oparciu o mapy czynnościowe płuc. Obrazy czynnościowe płuc wykonane w ramach medycyny nuklearnej były już uwzględniane w planowaniu leczenia radioterapią w celu zmniejszenia średnich dawek dla funkcjonujących płuc, a tym samym toksyczności wywołanej promieniowaniem. Modele prawdopodobieństwa powikłań tkankowych (NTCP) również przewidują ogólną redukcję odpowiednio o 6% i 3% w przypadku popromiennego zapalenia płuc stopnia 2+ i 3+, przy planowaniu funkcjonalnym przy jednoczesnym przestrzeganiu ograniczeń dawki dla docelowego i zagrożonych narządów.

Skany medycyny nuklearnej są drogie, czasochłonne i nie dostępne we wszystkich instytucjach. Obrazowanie wentylacyjne CT zostało opracowane jako tańsza i bardziej dostępna alternatywa dla medycyny nuklearnej, umożliwiająca mapowanie zdrowych obszarów płuc w ramach rutynowej akwizycji CT przed leczeniem.

Kluczowe etapy obrazowania wentylacji CT to:

1. Uzyskaj obrazy CT płuc w stanach wydechu i wdechu, używając 4DCT lub CT na wstrzymanym oddechu (BHCT). 4DCT to technologia, która stanowi standard opieki w radioterapii raka płuc na całym świecie. 4DCT pozyskuje zestaw 8 do 10 obrazów CT od szczytowego wdechu do szczytowego wydechu, pokazujących ruch płuc, gdy pacjent oddycha, podczas gdy BHCT pozyskuje statyczne obrazy płuc na końcu wdechu i na końcu wydechu, gdy pacjent wstrzymuje oddech na około 10 sekundy.
2. Rejestracja obrazu odkształcalnego służy do określenia mapowania przestrzennego (mapy deformacji) pomiędzy różnymi obrazami CT (od szczytowego wdechu do szczytowego wydechu).
3. Zastosowanie metryki wentylacji do ilościowej oceny dobrze i słabo funkcjonujących płuc, która obejmuje analizę ilościową opartą na informacjach z rejestracji odkształcalnego obrazu.

Powstały obraz wentylacji jest nakładany bezpośrednio na obraz anatomiczny, zapewniając dodatkowy wymiar informacji funkcjonalnej, która jest łatwa do zrozumienia i może być bezpośrednio korzystna przy planowaniu leczenia radioterapią.

Istnieją komercyjne produkty, oprogramowanie do analizy wentylacji płuc CT i oprogramowanie do analizy wentylacji płuc XV Technology (4DMedical Limited, Melbourne), służące do tworzenia map wentylacji na podstawie skanów CT i sekwencji obrazowania fluoroskopowego. W przeciwieństwie do tomografii komputerowej, która generuje jeden lub więcej obrazów 3D, fluoroskopia pozwala uzyskać szybką sekwencję obrazów rentgenowskich 2D. Obrazy te są zwykle uzyskiwane za pomocą dedykowanych skanerów z ramieniem C na oddziałach radiologii lub salach chirurgicznych i nie były wcześniej oceniane pod kątem radioterapii. Sekwencje filmowo-fluoroskopowe rejestrujące co najmniej jeden pełny, ciągły oddech są rejestrowane pod pięcioma różnymi kątami w poprzek klatki piersiowej podczas oddychania spontanicznego, a pole ruchu płuc jest rekonstruowane w celu uzyskania mapy wentylacji. Ponieważ metody oceny wentylacji płuc zostały zatwierdzone przez Therapeutic Goods Administration (TGA), porównanie tych technik dostarcza cennych informacji na temat ich solidności.

Funkcjonalne planowanie leczenia polegające na unikaniu płuc w oparciu o obrazy wentylacji wykonane przed leczeniem może być zagrożone przez interfrakcyjne (tygodniowe) zmiany wentylacji podczas leczenia, np. wynikające z regresji guza. Czterowymiarowa tomografia komputerowa z wiązką stożkową (4DCBCT) umożliwia wygodne pozyskiwanie obrazów anatomicznych w systemie radioterapii w celu zapewnienia dokładnego ułożenia pacjenta przed rozpoczęciem leczenia. Istniejące techniki opracowane dla CTVI można zastosować do obrazów 4DCBCT w celu uzyskania obrazów wentylacji, które można wykorzystać do dostosowania planowania leczenia i zminimalizowania napromieniowania zdrowego płuca. Jednakże obraz 4DCBCT charakteryzuje się słabą jakością, a fizjologiczna dokładność obrazów wentylacji opartych na 4DCBCT wymaga jeszcze oceny.

Poprzednie badania potwierdziły fizjologiczną dokładność obrazowania wentylacji CT w porównaniu z istniejącym złotym standardem klinicznym w obrazowaniu wentylacji PET Galligas. Badania te wykazały silną korelację na poziomie płatowym (kilka cm) i umiarkowaną dodatnią korelację na poziomie regionalnym (2 do 5 mm).

Zaczyna się gromadzić dowody kliniczne na skuteczność techniki funkcjonalnego unikania płuc przy użyciu obrazów wentylacji CT. Vinogradskiy i in. przeprowadzili badanie kliniczne fazy II, porównując częstość występowania popromiennego zapalenia płuc w kohorcie leczonej funkcjonalną metodą unikania płuc z grupą kontrolną z przeszłości. Autorzy ustalili, że częstość występowania popromiennego zapalenia płuc stopnia ≥2 wynosi 14,9% pacjentów w kohorcie pacjentów objętych czynnościowym unikaniem płuc, w porównaniu z historycznym odsetkiem wynoszącym 25%, co oznacza pozytywny wynik badania z mocą 80% i istotnością 0,05. Stosując wentylację CT wzmocnioną ksenonem, Huang i wsp. przeprowadzili badanie fazy II porównujące funkcjonalne unikanie płuc z grupą kontrolną historyczną. Przy 17% odsetku popromiennego zapalenia płuc stopnia ≥2 w porównaniu z historyczną grupą kontrolną wynoszącą 30%, autorzy również doszli do pozytywnego wyniku badania z mocą 80% i istotnością 0,05.

Pomimo tych zachęcających dowodów klinicznych, nadal istnieją luki w wiedzy na temat oceny najlepszego technicznego wdrożenia obrazowania wentylacyjnego CT, zapewnienia jakości procesu i wymaganego klinicznie akceptowalnego progu dokładności. W tym celu celem proponowanego przez nas badania klinicznego jest określenie najlepszego wdrożenia obrazowania fluoroskopowego i wentylacji CT. Aby to osiągnąć, ocenimy fizjologiczną dokładność różnych technik obrazowania wentylacyjnego opartych na tomografii komputerowej i fluoroskopii, wykorzystując Galligasa jako podstawową prawdę dotyczącą prawdziwej wentylacji. Drugorzędnymi celami naszego badania jest ocena zmienności dozymetrycznej w planach radioterapii unikającej czynnościowo, opracowanych przy użyciu technik obrazowania wentylacyjnego, ustalenie procedury zapewnienia jakości RT czynnościowej z unikaniem płuc oraz ocena akceptowalnych klinicznie progów dokładności tej metody.

Aby porównać wpływ planowania czynnościowego unikania płuc na przebieg radioterapii, oprócz standardowych planów leczenia zostaną utworzone plany leczenia radioterapią z unikaniem czynnościowym, a różnica w czasie planowania zostanie określona ilościowo. Przewidywane zmniejszenie częstości występowania popromiennego zapalenia płuc zostanie określone ilościowo przy użyciu metody Faught i in. oraz obliczona zostanie przewidywana redukcja liczby hospitalizacji i kosztów leczenia.

Niedawno opracowano metody obrazowania perfuzji CT, aby umożliwić obliczanie informacji o perfuzji z par obrazów CT wdech/wydech bez kontrastu. CTPI opiera się na zasadzie, że podczas cyklu oddechowego następuje zmiana masy płuc w wyniku zmian objętości krwi. Perfuzję wyprowadza się z tej zmiany masy, która jest obliczana przy rozdzielczości wokseli przy użyciu szacunków gęstości materiału opartych na intensywności i mapowania przestrzennego pomiędzy różnymi obrazami CT. CTPI to nowa technologia, która wymaga dalszej weryfikacji jej dokładności. Jednakże obecnie brakuje sparowanych zestawów danych dotyczących perfuzji BHCT do walidacji. Jak dotąd jedyne badanie walidacyjne przeprowadzone przez Castillo i wsp. podali, że mediana korelacji między obrazowaniem perfuzji CTPI i SPECT wynosi 0,57.

Uniwersytet w Sydney i lokalny okręg zdrowia Northern Sydney zainstalowały niedawno w szpitalu Royal North Shore nowy skaner Total Body PET, który umożliwia wykonywanie skanów w pozycji pojedynczego łóżka z większą czułością, szybszym czasem akwizycji i dłuższą długością skanowania. Wyższa czułość tego nowego urządzenia umożliwia szybsze obrazowanie, w tym obrazy 4D (serie czasowe), dając bardziej szczegółowe informacje o wentylacji. Aby to potwierdzić, w ramach obrazowania przed leczeniem wykonane zostanie dodatkowe badanie 4DCT z małą dawką, tylko w obrębie płuc, a nie na całej długości skanu, w celu zbadania korekcji tłumienia 4D.

Wybór komparatorów Sterowanie

• Obrazy wentylacji PET Galligas zostaną wykonane dla każdego uczestnika i wykorzystane jako podstawowa prawda. Galligas PET to uznana metoda uzyskiwania obrazów wentylacyjnych o wyższej rozdzielczości przestrzennej niż obrazowanie SPECT.
• Obrazy Tc-99m MAA SPECT zostaną zebrane dla każdego uczestnika i wykorzystane jako podstawa do perfuzji. 99mTc-MAA SPECT to uznana metoda uzyskiwania obrazów perfuzji.
• Obrazy 4D PET zrekonstruowane za pomocą tomografii komputerowej 3D z tłumieniem.
• Dla każdego uczestnika zostaną wygenerowane standardowe plany leczenia oparte na anatomii.

Komparatory

• Obrazy wentylacji pochodzące ze skanów BHCT, fluoroskopii, 4DCBCT i 4DCT uzyskanych od każdego uczestnika. Opracowano obrazowanie wentylacji oparte na promieniach rentgenowskich jako opłacalną i dostępną alternatywę dla wizualizacji wentylacji płuc.
• Obrazy perfuzji pochodzące ze skanów BHCT uzyskanych od każdego pacjenta. Trwają prace nad obrazowaniem perfuzji CT jako opłacalną i dostępną alternatywą dla wizualizacji perfuzji płuc.
• Obrazy 4D PET zrekonstruowane za pomocą tomografii komputerowej 4D z tłumieniem. Proponuje się tłumienie 4D, aby zapewnić dokładniejsze obrazowanie PET w obszarach, w których spodziewany jest ruch oddechowy.
• Plany radioterapii oparte na funkcjonalności, utworzone na podstawie obrazów wentylacyjnych, pod kątem przewidywanej częstości występowania popromiennego zapalenia płuc.