Kontinuerlig övervakning av prostatapositionen under strålbehandling (KIM Gating)

Prostatacancer står nu för en tredjedel av alla nya cancerdiagnoser hos män och cirka 30 % av männen kommer att ha extern strålbehandling som sin primära lokala behandling. Prostatarörelse under strålbehandling kan delas in i interfraktion och intrafraktionsrörelse. Interfraktionsrörelse har varit väl etablerad och har till stor del övervunnits genom daglig onlinebildverifiering med antingen ultraljud, online-CT eller implanterade referensmarkörer, men rörelse under strålningsstrålen i tid (intrafraktionsrörelse) korrigeras inte och kan vara orsaken till betydande fel vid stråldosleverans.

Intrafraktionsrörelse: Förflyttning av prostatan efter initial behandlingsuppsättning har kallats intrafraktionsrörelse. Uppskattningar av storleken och frekvensen av denna rörelse gjordes initialt med hjälp av kontinuerlig magnetisk resonans (MR) avbildning. Padhani et al rapporterade att 16 % av patienterna hade > 5 mm främre: bakre rörelse när de avbildades i 7 minuter med liknande resultat rapporterade i efterföljande MR-filmstudier. Intrafraktionsrörelse kan vara sekundärt till organrörelser som blåsfyllning, andning eller rörlig rektalgas, eller kan bero på fysiska patientrörelser. Med tillgången till prostataspårning i realtid finns kliniska data tillgängliga för att kvantifiera rörelsens storlek och frekvens. En tidig rapport från Kupelian et al med användning av kontinuerlig radiotransponderpositionering7 beskrev 41 % av fraktionerna med >3 mm rörelse och 15 % > 5 mm rörelse i > 30 sekunder. Risken för rörelse noterades öka med längre behandlingstid.

Våra egna data med offline-autosegmentering av referensmarkörens position för 10 patienter visade 38% av fraktionerna >1 mm, 4,7% av fraktionerna >3 mm och 1,7% av fraktionerna >5 mm omedelbart under behandlingsleverans på cirka 2,5 min 8.

Betydelsen av att korrigera för rörelse:

Om stråldosen räknas om för varje enskild fraktion och justeras för intrafraktionsrörelse är det möjligt att uppskatta den verkliga dosen som levereras till målet och jämföra denna med den önskade dosen. Denna jämförelse ger en robust modell av den potentiella fördelen för realtidsspårning och justering av rörelsen. Översikt över kilovoltage intrafraction monitoring (KIM): Kilovoltage intrafraction monitoring är en ny tumörlokaliseringsmodalitet i realtid. Det involverar en enda portalmonterad kV-röntgenbildare (som är allmänt tillgänglig på de flesta linacs) som skaffar 2D-projektioner av implanterade referensmarkörer. När behandlingsportalen roterar runt patienten under behandlingen tar kV-bildapparaten upp 2D-projektioner av prostatan. Referensmarkörerna segmenteras med hjälp av ett egenutvecklat mjukvarupaket. 3D-positioner bestäms via maximal sannolikhetsuppskattning (MLE) av en 3D-sannolikhetstäthet.

I tidigare arbete (Ng et al, 2012) har vi tillämpat KIM-metoden med offlinesegmentering för att beräkna 3D-prostatabanan efter behandling. I den aktuella studien använder vi onlinemarkörsegmentering för att möjliggöra skapande av live-bana under behandlingsleverans med en bearbetningstid på mindre än 1 sekund. Med cirka realtidsbanorna kan vi gate förlossningen för att maximera dosen till tumören, eller spåra med Multi-Leaf Collimators (MLC) för att följa prostatarörelsen. Det senare involverar komplex interaktion med strålleveranssystemet och är inte en del av denna studie. Behandlingen kan gatas baserat på en förinställd tolerans. Med hjälp av våra tidigare data modellerade vi flera grindkriterier 3mm/5s, 3mm/10s och 3mm/15s baserat på avvikelser längs individuella axlar och även den radiella avvikelsen. För de 10 patienterna visades en tolerans på 3 mm/5s vara effektiv, och introducerade endast 24 gating-händelser (från 268 behandlingar) och säker, med den minsta tiden för utflykt (5s).

KIM-metoden introducerar en extra stråldos till patienten på cirka 65mSv per behandling lokaliserad till prostata 8. Standardbehandlingsdoser för prostatastrålbehandling är 80 Gy. Mängden avbildningsdos kommer att bero på bildfältets storlek, bildfrekvensen för inhämtade bilder, behandlingsfältets storlek, kV-energi som används och behandlingsmetod (Volumetric Modulated Arc Therapy [VMAT], Intensity Modulated Radiotherapy [IMRT], Stereotaktisk Boost Strålbehandling [SBRT]).9 Vi kommer att minimera bilddosen från vår tidigare studie 8 genom att:

• minska fältstorleken till att endast omfatta referenserna och en liten marginal per patient så att bilddosen levereras inuti behandlingsvolymen (förvänta 20-40 % dosbesparing);
• strålkvaliteten är maximerad till 125 kV;
• patientdimensionerna är begränsade eftersom de större patienterna skapar mer spridningsstrålning (som minskar bildkvaliteten) och absorberar mer strålning. Detta, i kombination med behandlingsfältets storlek enligt nedan, kan tillåta oss att använda en lägre bildfrekvens för bildinsamling, ner från 10 fps till 5 fps, vilket kommer att ha en proportionell effekt på dosen;
• patienter med nodalområden för behandling utesluts då behandlingsfälten är större och detta minskar bildkvaliteten. Genom att utesluta dessa större patienter kanske vi kan använda 5 fps istället för 10 fps avbildning kombinerat med patientdimensionen enligt ovan;
• VMAT har visat sig kräva mindre behandlingstid än IMRT-leverans, och SBRT har visat sig kräva mindre total tid än konventionell fraktionering (där den totala behandlingstiden är proportionell mot bilddosen). Vi förväntar oss att se en dosreduktion med VMAT-SBRT-protokollet jämfört med VMAT på 20-40%.

Tillsammans med avbildningsdosen måste vi överväga och vikta vinsterna från intrafraktionsövervakning och gated behandling. Dessa vinster inkluderar att förbättra noggrannheten av den tillförda dosen, så att den planerade behandlingsdosen levereras effektivt till tumören, och den geometriska noggrannheten som skulle möjliggöra en minskning av säkerhetsmarginalen som införs för att kompensera för behandlingen. Vi har visat signifikanta förbättringar av tumördosen från 60 % till 95 % av den avsedda dosfördelningen genom gating med 3 mm/5s tolerans som visas i figur 1.

Verifiering av KIMs kliniska dynamiska lokaliseringsnoggrannhet med hjälp av kV/MV-triangulering:

För att utvärdera den dynamiska lokaliseringsnoggrannheten för KIM-metoden kan 3D-positioner som bestäms av KIM jämföras med kV/MV-triangulering. kV/MV triangulering. Triangulering ger ett oberoende mått på prostataläget.

Protokoll för analys av felläge och effekter (FMEA) och kvalitetssäkring (QA) En FMEA har utförts för att identifiera potentiella fellägen inom det ytterligare KIM-arbetsflödet. Standardarbetsflödet har etablerat kvalitetssäkringsåtgärder. Alla KIM-fellägen har mildrats i flera lager genom kvalitetssäkringsåtgärder, tydlig design av användargränssnitt, tydlig beteckning av personalroller, personalutbildning och uteslutningskriterier för patienturval.