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医学

Polmone dinamico Tumore inseguimento per stereotassica ablativo corpo Radioterapia

Published: June 07, 2015
doi:
10.3791/52875
, , , , , , , ,
1放射線腫瘍学科,Summa Cancer Institute, 2Department of Radiation Oncology, Universitair Ziekenhuis Brussel,Vrije Universiteit Brussel

概要

Stereotactic ablative body radiation therapy (SBRT) involves the precise delivery of high-dose radiation to cancer tumor targets. A novel SBRT platform offers a first-of-its-kind gimbaled radiation accelerator mounted within a pivoting O-ring gantry capable of dynamic image-guided tumor tracking. Here, we describe dynamic tumor tracking for lung targets.

Abstract

I medici che considerano la terapia ablativa stereotassica radiazione del corpo (SBRT) per il trattamento dei bersagli tumorali extracranici devono essere consapevoli dei rischi considerevoli per le lesioni del tessuto normale e rischi di perdere tumore fisico. Una prima-di-suo genere piattaforma SBRT raggiunge un'elevata precisione radioterapia ablativo attraverso una combinazione di soluzioni di imaging in tempo reale versatili e sofisticate capacità di monitoraggio del tumore. Esso utilizza dual-diagnostici kV unità a raggi X per stereoscopica retroazione ad anello aperto di bersaglio cancro movimento intrafraction si verificano a seguito di movimenti respiratori e battito cardiaco. Retroazione immagine-guidata guida un acceleratore di radiazione gimbaled (massimo 15 x 15 centimetri dimensioni del campo) in grado di real-time azione ± 4 centimetri pan-and-tilt. Robot-driven ± 60 ° perni di un sistema integrato ± 185 ° di rotazione gantry consentire angoli di set-up complanari e non complanari fascio acceleratore, in ultima analisi, permettendo livelli di trattamento unico di libertà. Stato-of-the-asoftware rt aiuta in tempo reale a sei dimensioni di posizionamento, garantendo irradiazione di bersagli tumorali con una precisione sub-millimetrica (0,4 mm isocentro). L'utilizzo di queste funzioni permette medici curanti per guidare la dose di radiazioni a bersagli tumorali del cancro riducendo al contempo la dose di radiazioni ai tessuti normali. Con l'aggiunta di respirazione correlato tomografia computerizzata (CT) e 2- [18 F] fluoro-2-deossi-ᴅ-glucosio (18F-FDG) tomografia ad emissione di positroni (PET), le immagini nel sistema di pianificazione per una migliore contouring bersaglio tumorale, la probabilità di perdere tumore fisico diventa sostanzialmente meno 1. In questo articolo, descriviamo nuovi piani di radiazioni per il trattamento dei tumori polmonari in movimento.

Introduction

Tumori polmonari rappresentano il maggior numero di decessi correlati al cancro nelle donne e uomini in tutto il mondo 2. Fino al 63% dei tumori polmonari persistenti o ricorrenti coinvolgere tessuto polmonare che è già tassato da chemioterapia o precedentemente irradiati. 3,4. Ulteriori irradiazione a siti di tumori polmonari persistenti o ricorrenti può causare intollerabile morbilità polmonare 5,6, soprattutto quando la chirurgia tradizionale, la terapia chemioterapia e radiazioni già sono stati provati. Così, le donne e gli uomini in tali circostanze clinici hanno bisogno di nuove strategie di terapia del cancro simile a trattamenti presentati prima in questa rivista 7. La terapia stereotassica radiazione del corpo ablativo (SBRT) può soddisfare questa esigenza terapeutica sterilizzando i tumori del polmone attraverso radiazioni mirate con precisione, ad alte dosi 8,9.

C'è una piattaforma SBRT romanzo capace di questo compito terapeutico 10-12. Si separa da altre piattaforme di SBRTintegrando unità dual-diagnostico ExacTrac kV x-ray (in grado di cone-beam computerizzata localizzazione bersaglio tomografia) e una telecamera ad infrarossi (in grado di tracciare marcatore superficie corporea come surrogato per il movimento interno) che entrambi permettono stereoscopica retroazione ad anello aperto di cancro bersaglio movimento intrafraction. Essa ha anche un unico ± 4 centimetri gimbaled acceleratore radiazioni pan-and-tilt che ha il suo fascio di radiazione a forma di 60 foglie di tungsteno in lega (0,25 cm Larghezza fisica, 11 centimetri di altezza fisica). Utilizza un pieno multi-foglia collimatore over-center-di viaggio per un 15 x 15 cm dimensione massima del campo. Incorpora un ± 60 ° facendo perno O-ring robot-driven e ± 185 ° di rotazione gantry permettendo complanari e non complanari fascio acceleratore di set-up angoli e gradi di trattamento unico di libertà. Infine, ha una precisione submillimeter (0,4 mm all'isocentro) 13. Al contrario, altre piattaforme radioterapia SBRT montare un acceleratore di radiazione clinica o ad un braccio robotico industriale 14, o ad un cavalletto elicoidale slice-by-fetta 15, oa una macchina convenzionale legata alla intensità modulata terapia radiante guidata dalle immagini o arco dinamico software di mandata 16. Ogni piattaforma impegna una varietà di componenti di macchine per tracciare il movimento derivante dal movimento della respirazione, il battito cardiaco, o di digestione. Lung radiochirurgia ha avuto successo clinico 17,18, rendendo la modalità di una nuova opzione di trattamento in radioterapia oncologica 19,20. Questo how-to articolo fornisce un nuovo protocollo di radioterapia che descrive il monitoraggio dinamico del tumore del polmone per dolo trattamento terapeutico.

Protocol

Dichiarazione etica: Summa Health System di revisione istituzionale bordo approvazione è stata ottenuta per questo studio. 1. Il trattamento di consultazione Descrivere il nuovo trattamento SBRT polmone al paziente. NOTA: La nuova piattaforma offre SBRT complanari e non complanari dose elevata di radiazioni a obiettivi di cancro riducendo al contempo la dose di radiazioni agli organi non bersaglio. Discutete i rischi di trattamento. NOTA: SBRT può causare iperpigmentazione possibile a breve termine della pelle o eritema, stanchezza, tosse frequente, nausea, esofagite, e raro lesioni di organi viscerali. Polmonite, o infiammazione del polmone con febbricola e tosse non produttiva, possono verificarsi fino a tre mesi dopo il trattamento. Lesioni acute o tardivi al cuore, altri muscoli, nervi periferici o del midollo spinale, e l'osso sono rari. C'è un piccolo pericolo per malignità indotta da radiazioni. 2. Fiducial Marker Placement Perform percutanea TC-guidata o il posizionamento broncoscopia di un singolo marcatore d'oro rivestite inserito nel bersaglio tumorale centro di massa. Fai un radiologo per eseguire una spessa contigua tomografia assiale di imaging 3-5 mm del torace del paziente 7. Determinare un approccio ago sicura minimizzando tessuto aerato polmonare attraversata (evitando bolle e fessure) 7. Iniettare anestesia sottocutanea locale (ad esempio, 1% lidocaina). Introdurre 17 o 18 G ago coassiale per posizionare un unico breve (0,75 x 10 mm) o unico lungo (0,75 x 20 mm) marcatore 10. Fare un posizionamento marcatore fiduciale navigazione broncoscopia a guida elettromagnetico chiedendo un pneumologo per l'acquisizione di imaging tomografico del torace per la mappatura endobronchiale 21. Wedge il broncoscopio nel segmento bronchiale sospetta. Orientare la sonda broncoscopio alla lesione bersaglio. Distribuire un marchio fiducialeer da ago transbronchiale. NOTA: Tecniche per radiochirurgia-fiduciale gratuito nel polmone sono considerati in fase di sperimentazione e oggetto di una ricerca attiva 22,23. In alternativa, per almeno tre (1.6 x 3 mm) marcatori oro rivestite breve per essere posizionati entro 'dialogo' a 6 centimetri intorno al bersaglio. Se più di un marcatore fiducial è posto, si raccomanda una separazione fisica di 2 cm tra marcatori. 3. Pianificazione del trattamento Eseguire la simulazione TC-guidata (descritto nei punti 3.2 e 3.3) 4-7 giorni dopo il posizionamento marcatore fiduciale. Chiedere al paziente di trovarsi in un supina-testa-prima sul tavolo piano macchina di trattamento. Posizionare le braccia del paziente sopra la loro testa, sostenuta dai titolari del braccio e del polso superiori o un immobilizzatore di vuoto-bag. Assicurarsi che il torace e l'addome, non sono immobilizzati. Facoltativamente, utilizzare una spugna al ginocchio localizzato a due poli per l'indicizzazione. Luogoalmeno 4 marcatori corpo infrarossi rintracciato sul petto per la localizzazione. Marcatori di respirazione a infrarossi-cingolato eccessivamente regioni del corpo che dimostrano movimento coerente verticale respiratorio (3 mm o più movimenti di picco-picco è raccomandato). Condurre una contigua elicoidale scansione non in contrasto assiale CT (1 mm di spessore fetta, tensione 120 kVp, 350 mAs). NOTA: Trattare i medici possono ordinare un 4D CT del torace scansione 12 o una scansione del torace TC 3D che include senza respiro, end-ispirazione, e la fine-espirazione immagine apnea regola 24. Ottenere 18 scansioni F-FDG PET / CT per una maggiore presa di movimento del tumore al polmone. Chiedere ai pazienti di trovarsi in un posizione di scansione a capofitto per contigua TAC elicoidale (ad esempio, la tensione 120 kVp, 450 mAs) dalla linea orbitomeatal di cosce durante la respirazione tranquilla. Acquisire 18 F-FDG PET dopo la somministrazione endovenosa di 11 mCi di 18 F-FDG, in media, nello stesso scposizione dalla linea orbitomeatal di cosce Anning durante la respirazione tranquilla. Se si utilizza questa tecnica, 18 scansioni F-FDG PET / TC sono auto-sagomata da software fissato a una soglia SUVmax 40%, e poi, co-registrate con le immagini di simulazione CT come descritto 1. Modellare il polmone volume primario lordo di destinazione o volumi (GTVp) di disegno a mano su dataset 4D CT, preferibilmente la fase di espirazione. Ampliare la GTVp con un margine di 5 mm crea il volume del tumore pianificazione (PTV). Pianificazione della dose di radiazioni si verifica sulla scansione di fase finale di scadenza per il monitoraggio dinamico. NOTA: In alternativa pernottando dataset 3D CT, il libero respiro scan simulazione CT è la scansione di riferimento. Utilizzando questa tecnica, la radiazione trattando contorni oncologo GTV sul libero-respirazione (GTVfb), l'ispirazione (GTVi), e l'espirazione (GTVe) scansioni simulazione CT. Un thresholded 40 per cento massimo contorno valore di assorbimento di serie sulle immagini 18 F-FDG PET crea un <sup> 18 F-FDG PET volume bersaglio clinico (CTVpet) 1. Una ITV composita rappresenta la somma aggiunta dei volumi GTVfb, GTVi, GTVe e CTVpet. Un'espansione margine di 5 mm del composito ITV crea un PTV. Qui, pianificazione dose di radiazioni si verifica sulla scansione senza respiro per l'inseguimento dinamico. Contour vicine strutture dei tessuti normali da parte attingendo dataset 4D CT, preferibilmente la fase di espirazione mano. Questo può includere polmone normale, cuore più pericardio, esofago, fegato, reni bilaterali, plesso brachiale, e il midollo spinale. Un profilo della trachea, bronco principale di destra, e bronco principale di sinistra può essere generato, ampliato a 3 mm, e utilizzato come un vincolo di pianificazione ad alta priorità per evitare tossicità tardiva fibrosi delle vie aeree. Fare clic sul pulsante di rilevamento dinamica del software di pianificazione. Questa azione impegna il monitoraggio pan-and-tilt gimbaled sulla nuova piattaforma SBRT. Prescrivere una dose di radiazioni al PTV. Prendere in considerazione una delle tre radiazioni Monte Carlo prescrizione della doses: 3 x 17 = 51 Gy Gy giorno per lesioni polmonari periferiche; 4 x 12 Gy = 48 Gy per lesioni polmonari centrali e lesioni della parete toracica periferiche; o ogni altro giorno 5 x 10 Gy = 50 Gy. Raramente quando vincoli di volume PTV (cioè, copertura del 95%) o vincoli organo a rischio non sono soddisfatte, si può usare una prescrizione di 8 x 7,5 Gy = 60 Gy. 4. Trattamento di consegna e del flusso di lavoro Costruire un respiro tranquillo modello di correlazione dopo supina-testa-primo allineamento. Collocare 4 (o fino a 6) marcatori del corpo a infrarossi sul corpo nelle stesse posizioni contrassegnate identificate in simulazione CT. Verificare precisione di posizionamento dei marcatori del corpo e l'allineamento del paziente di telecamera a infrarossi e schermi alla console trattamento. NOTA: posizione del marker corpo serve come controllo beam-on per movimento irregolare, tale tosse. Acquisire cross-plane dual-diagnostica kV radiografie o immagini CT cono-fascio alla console trattamento per rilevare marcatori impiantati per p internaaccuratezza ositional. Associate e movimento marcatore corpo correlato (come surrogato per la respirazione) e il movimento marcatore impiantato interno con software legato al nuovo flusso di lavoro piattaforma SBRT. NOTA: Un metodo di localizzazione alternativa prevede l'allineamento ortogonale del paziente secondo anteriore e marchi triangolazione laser simulazione CT laterale tatuati e l'utilizzo di una matrice di riferimento standardizzato (stella) con sei marcatori del corpo a infrarossi impregnati. Generare un modello di movimento di correlazione di tumore ai polmoni. Derive un giunto cardanico percorso pan-and-tilt per l'acceleratore per tracciare il movimento del tumore utilizzando il software del computer collegato al nuovo flusso di lavoro piattaforma SBRT. Visivamente valutare il polmone movimento tumore modello di correlazione prima della consegna radiazioni. Osservare per fiducial deriva marcatore durante la consegna radiazioni. Valutare collisioni paziente-macchina a causa di rotazione del gantry, O-ring pivot, e giunto cardanico azioni pan-and-tilts prima di pianificare la consegna. NOTA: Il personale radiazioni eseguire questo passaggio. Il trattamento può comportare 5-9 complanari e trattamento noncoplanar travi statiche, manualmente e visivamente controllato da personale di consegna radiazioni. I trattamenti possono durare 15-30 minuti, con tumore del polmone verifiche modello movimento correlazione fatto circa ogni 7 min.

Representative Results

SBRT sulla nuova piattaforma attualmente coinvolge più fasci di radiazione statica convergere su bersagli radiazioni clinici strettamente associati singoli o multipli, come illustrato ad esempio nella figura 1. Un buon esito rappresentante pianificazione fornisce radiazione ablativo con copertura del 95% del volume bersaglio cancro e destinazione cancro dosare conformità. Figura 1 mostra 5 complanari e 4 travi non complanari (cioè, rotazione dell'anello + 20 ° per travi 2, 4, 6 e 8) usato per trattare un singolo PTV rappresenta carcinoma a cellule squamose nel polmone destro. Margini fascio per il PTV erano uno-millimetro. La dose di radiazioni, prescritto per la linea di isodose 95%, reso copertura del PTV 95% con un indice di conformità di 1.48. La prescrizione è stata del 50 Gy in cinque giorni alterni 10 frazioni Gy. Le strutture qui raffigurati sono il volume di destinazione pianificazione (rosso), volume di destinazione interna (bianco), midollo spinale (verde), e dell'esofago (azzurro). Le linee di isodose sono come indicato. </ P> Figura 1:. Tracciamento tumore dinamica di un tumore al polmone destro lato Nella foto è un esempio di dose di radiazioni ablativo (50 Gy in cinque 10 Gy ogni altre frazioni giorno) consegnati a un singolo tumore al polmone destro lato utilizzando nove travi statici (blu / verde, 34 ° parte). Le finestre del software 4 pianificazione raffigurano: (A) un fascio e critico mappa della struttura di collisione, (B) beam's-eye-view (qui, trave 1), (C) tridimensionale TAC e fascio mappa ricostruzione, e (D) assiale CT con distribuzione della dose. Struttura Metrico Volume Variazione accettabile PTV V50Gy ≥95% ≥90% Dose minima 0,03 centimetri 3 ≥46 Gy (92%) ≥45 Gy (90%) Dose massima 0,03 centimetri 3 ≤60 Gy (120%) ≤62.5 Gy (125%) Midollo spinale 0,03 centimetri 3 ≤15 Gy ≤22 Gy Lung (meno GTV) V20Gy ≤10% ≤15% Dose media ≤8 Gy ≤10 Gy Cuore / pericardio 15 centimetri 3 ≤32 Gy ≤36 Gy Esofago Dose media ≤18 Gy ≤20 Gy 0,03 centimetri 3 ≤27 ​​Gy ≤30 Gy Brachialeplesso 0,03 centimetri 3 ≤24 Gy ≤30 Gy Tabella 1: Trattamento Struttura vincoli di pianificazione.

Discussion

Promettenti primi radiochirurgia stereotassica esperienze cliniche hanno spinto indagini sperimentazione clinica di radiazioni ablativo per il trattamento di tumori polmonari 25,26. L'esperienza ha portato gli investigatori utilizzare radiazioni ablativo contro una varietà di tipi di tumore metastatizzanti al polmone 27,28. La nuova piattaforma SBRT introduce un sistema di erogazione di radiazioni particolarmente in sintonia con il trattamento di tumori in movimento.

La nuova piattaforma SBRT fornisce un trattamento radiografia invisibile che viene generato da un acceleratore lineare montato entro un cavalletto pivotante O-ring. Un meccanismo cardanico consente movimento pan-and-tilt del acceleratore lineare, fornendo in tempo tracciamento del movimento del tumore dinamico. Cross-plane kV raggi X doppi sono ottenuti prima e durante il trattamento per verificare posizionamento 6 gradi di libertà del paziente. Complanari e non complanari gradi uniche di libertà migliorano erogazione di dose elevata di radiazioni a obiettivi di cancro allo stesso tempo al minimodose di radiazioni di organi viscerali critiche. Si prevede che il trattamento sterilizza gli obiettivi di cellule tumorali senza danni irreparabili alle cellule-abbassamento normali tossicità da radiazioni connessi. Studio futuro della nuova piattaforma SBRT documenterà gli utili nel controllo di destinazione e una riduzione degli effetti collaterali.

L'esperienza iniziale con i nuovi spettacoli piattaforma SBRT promettono 10. Sfumature di monitoraggio dinamico del polmone tumori continuano ad essere esplorato; Tuttavia, alcune generalizzazioni sono evidenti. I tumori del polmone che dimostrano di movimento a meno di sette millimetri possono essere trattate meglio da una ITV composito più 5 millimetri approccio espansione. Per i tumori del polmone che mostrano sette millimetri o la traduzione più verticale, un approccio di monitoraggio dinamico utilizzando un GTVp più 5 mm di espansione può essere meglio per il trattamento. Sono necessarie ulteriori ricerche definire tali limiti. Inoltre, 18 immagini F-FDG PET sovrapposte su 3D CT dataset di immagini di solito aumentano i volumi ITV compositi. Questo approccio presuppone volumi expansione a causa di 18 F-FDG segnale striscio si verificano durante 3-5 minuti di tempo bin dello scanner PET. A 40% thresholded 18 F-FDG volume target clinico è stato studiato ed è stato utilizzato in uno dei nostri programmi 1. Ulteriori ricerche caratterizzante se i 18 immagini F-FDG PET replica in maniera adeguata è necessaria isteresi tumore. Infine, fino a 3 lesioni in un singolo polmone possono essere considerate per il trattamento in una sola volta. Altrimenti, un approccio sequenziale è fatto.

Tracking dinamico sulla nuova piattaforma SBRT utilizza un modello di movimento di correlazione tumore al polmone per prevedere il movimento del tumore polmonare fino a 40 msec nel futuro. Posizione e velocità del corpo infrarossi e marcatori respiratorie sono inclusi nel modello. Un tasso di rilevamento marker di 70% in kV acquisite raggi X è un requisito per il monitoraggio dinamico. Fiducial sono tracciati in tre dimensioni (cioè, x, y, z). Immagini generate dalle unità kV x-ray sono automaticamente registrati e confrontati in tempo reale. Olatenza bserved in monitoraggio dinamico è dovuto le limitazioni nella pan-and-tilt cardanico hardware, software di elaborazione e prestazioni di controllo di posizione delle unità di raggi X kV. Gli investigatori di ricerca sono impegnati a migliorare la latenza di monitoraggio.

Durante il parto radiazioni utilizzando il monitoraggio dinamico sulla nuova piattaforma SBRT, è fondamentale guardare per fiducial deriva marcatore. Tendenze fiduciale deriva marcatore oltre predefiniti tre millimetri di tolleranza a tutti i risultati di direzione in pausa trattamento operatore avviate o in attesa automatica del fascio. Se si verifica una pausa di trattamento, si raccomanda che gli operatori consentono di ripresa del movimento respiro tranquillo nei prossimi respiri del paziente e quindi il trattamento ripresa prima del modello di correlazione ricostruire. Se le pause non hanno successo, riposizionamento del paziente, la rilevazione di movimento marcatore respirazione infrarossi, rilevamento marcatore kV, modellazione correlazione ricostruire sono fatti per riprendere il trattamento. Nella nostra esperienza, la respirazione modelli di correlazione siano accurati per up per 7 min, spesso limitata dalla tensione paziente o rilassamento appoggiandosi sul tavolo di trattamento.

Domande senza risposta rimangono. Quali sono le conseguenze radiobiologici e modalità di morte cellulare nelle cellule normali e cellule tumorali che si verificano dopo la dose di radiazioni ablativo? Perché è stato così difficile per unire alta precisione radiazioni ablativo con radiosensibilizzante chemioterapie? Mentre è indispensabile indagare altre modalità di fornire radiazione ablativo al petto, rimane poco chiaro se le radiazioni ablativo può fornire efficacia terapeutica equivalente come chirurgia toracica. Infatti, chirurgia toracica è la tecnica più utilizzata e convalidato per l'eradicazione tumore nel polmone quando sono già state applicate terapie convenzionali. Qui, la nuova piattaforma SBRT fornisce un innovativo strumento non invasivo della terapia per le donne e gli uomini con tumore polmonare che mostra il movimento.

開示

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questa ricerca è stata sostenuta dal Cancer Institute Summa.

Materials

Vero SBRT Linac System 1.0 Brainlab, Inc. (Munich, Germany) 46300 High accuracy first-of-its-kind gimbaled irradiation head with tilt function and gantry rotation
Mitsubishi Heavy Industries, Ltd. (Tokyo, Japan)
Visicoil fiducial marker IBA Dosimetry America (Bartlett, TN, USA) 67245 0.75 mm x 10 mm marker -or- 0.75 mm x 20 mm marker
Gold fiducial marker Civco Medical Solutions (Orange City, IA, USA) MTNW887860 Sterile placement needle (14GA ETW x 20cm) with one 1.6mm × 3mm marker
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参考文献

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Dynamic Lung Tumor TrackingStereotactic Ablative Body Radiation Therapy (SBRT)Real-time ImagingTumor TrackingGimbaled Radiation AcceleratorImage-guided FeedbackRespiration Correlated CT18F-FDG PETTumor Target Contouring

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Kunos, C. A., Fabien, J. M., Shanahan, J. P., Collen, C., Gevaert, T., Poels, K., Van den Begin, R., Engels, B., De Ridder, M. Dynamic Lung Tumor Tracking for Stereotactic Ablative Body Radiation Therapy. J. Vis. Exp. (100), e52875, doi:10.3791/52875 (2015).
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