Dynamic Lung Tumor Tracking for Stereotactic Ablative Body Radiation Therapy

Charles A. Kunos; Jeffrey M. Fabien; John P. Shanahan; Christine Collen; Thierry Gevaert; Kenneth Poels; Robbe Van den Begin; Benedikt Engels; Mark De Ridder

doi:10.3791/52875

JoVE Journal > Medicine

Tıp

Rastreamento Dinâmico Tumor do pulmão por estereotáxica ablativo Radioterapia do corpo

Published: June 07, 2015

doi:

10.3791/52875

Charles A. Kunos¹, Jeffrey M. Fabien¹, John P. Shanahan¹, Christine Collen², Thierry Gevaert², Kenneth Poels², Robbe Van den Begin², Benedikt Engels², Mark De Ridder²

¹Radyasyon Onkoloji Bölümü,Summa Cancer Institute, ²Department of Radiation Oncology, Universitair Ziekenhuis Brussel,Vrije Universiteit Brussel

Özet

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

Os médicos que considerem a terapia ablativa estereotáxica radiação de corpo (SBRT) para o tratamento de câncer extracranianos metas devem estar cientes dos riscos consideráveis para a lesão do tecido normal e os perigos da falta tumor física. Um primeiro de seu tipo de plataforma SBRT atinge alta precisão radioterapia ablativa através de uma combinação de soluções de imagem em tempo real versáteis e capacidade de rastreamento do tumor sofisticados. Ele usa duplo diagnóstico kV unidades de raios-x para feedback de malha aberta estereoscópica da meta câncer intrafraction movimento que ocorre em consequência de movimentos respiratórios e batimentos cardíacos. O feedback guiada por imagem dirige um acelerador radiação gimbaled (no máximo 15 x 15 centímetros tamanho do campo) capaz de em tempo real ação ± 4 centímetros pan e tilt. ± 60 ° pivôs de um sistema integrado ± 185 ° pórtico de rotação orientado a Robot permitir a co-planares e do feixe do acelerador não-coplanares ângulos set-up, em última análise, permitindo graus de tratamento únicas de liberdade. State-of-the-umrt software ajuda em tempo real seis posicionamento dimensional, garantindo a irradiação de alvos de câncer com precisão sub-milímetro (0,4 milímetros na isocentro). A utilização destes recursos permite o tratamento de médicos para orientar a dose de radiação para alvos tumorais do câncer, reduzindo simultaneamente a dose de radiação para os tecidos normais. Ao adicionar a respiração correlacionada tomografia computadorizada (TC) e 2- ^[18F] flúor-2-desoxi-ᴅ-glucose ⁽¹⁸ F-FDG) a tomografia por emissão de pósitrons (PET) as imagens para o sistema de planejamento para maior contorno alvo tumor, a probabilidade falta de tumor físico torna-se substancialmente menos ^1. Neste artigo, nós descrevemos novos planos de radiação para o tratamento de tumores de pulmão em movimento.

Introduction

Os cancros do pulmão são responsáveis pelo maior número de mortes relacionadas ao câncer em homens e mulheres em todo o mundo ^2. Até 63% dos cancros do pulmão persistentes ou recorrentes envolvem tecido pulmonar que já é tributado pela quimioterapia ou irradiados previamente. ^3,4. Além disso a irradiação em locais de tumores pulmonares recorrentes ou persistentes podem conduzir a morbidade intolerável pulmonar ^5,6, especialmente quando a cirurgia convencional, a quimioterapia, radiação e já têm sido tentadas. Assim, as mulheres e os homens em tais circunstâncias clínicas têm necessidade de novas estratégias de terapia do câncer semelhantes aos tratamentos apresentados antes nesta revista ^7. Radioterapia estereotáxica corpo ablativo (SBRT) pode satisfazer essa necessidade terapêutica por esterilização tumores de pulmão através precisamente orientadas, de alta dose de radiação ^8,9.

Não é um romance plataforma SBRT capaz dessa tarefa terapêutica ^10-12. Separa-se de outras plataformas da rede SBRT porintegrando ExacTrac kV unidades de raios-X de dupla diagnóstico (capaz de cone computadorizada de feixe localização de alvos tomografia) e uma unidade de câmera de infravermelho (capaz de rastreamento marcador de superfície do corpo como um substituto para o movimento interno) que tanto permitem o feedback de malha aberta estereoscópico de câncer alvo intrafraction movimento. Ele também tem uma ± 4 centímetros gimbaled acelerador radiação pan-and-tilt única que tem o seu feixe de radiação em forma de folhas de liga de tungstênio 60 (0,25 centímetros de largura física, 11 centímetros de altura física). Ele usa um total sobre-centro-viagens colimador multifolhas para um 15 x 15 cm de tamanho máximo de campo. Ele incorpora um ± 60 ° girando O-ring-driven robô e ± 185 ° pórtico de rotação permitindo a co-planares e do feixe do acelerador não-coplanares set-up ângulos e graus de tratamento únicas de liberdade. Por último, tem uma precisão submillimeter (0,4 mm na isocentro) ^13. Em contraste, outras plataformas de radioterapia rede SBRT montar um acelerador de radiação clínica ou a um braço robótico industrial ¹4, ou para um pórtico helicoidal fatia-a-fatia ^15, ou dentro de uma máquina convencional ligada a intensidade modulada radioterapia guiada por imagem ou software de entrega arco dinâmico ^16. Cada plataforma envolve uma variedade de componentes da máquina para controlar o movimento resultante do movimento da respiração, batimentos cardíacos, ou digestão. Radiocirurgia Lung teve sucesso clínico ^17,18, tornando a uma opção de tratamento romance em radiação oncológica ^19,20 modalidade. Este how-to artigo fornece um novo protocolo de terapia de radiação que descreve rastreamento tumor pulmonar dinâmica terapêutica para intenção de tratamento.

Protocol

Declaração ética: Sistema Único de Saúde Summa avaliação institucional aprovação do conselho foi obtido para este estudo. 1. Tratamento de consulta Descrever o novo tratamento SBRT pulmão para o paciente. NOTA: A nova plataforma SBRT entrega no mesmo plano e não-coplanares alta dose de radiação para câncer de metas ao abaixar a dose de radiação para órgãos não-alvo. Discutir os riscos do tratamento. NOTA: SBRT pode resultar em hiperpigmentação possível a curto prazo ou eritema da pele, cansaço, tosse freqüente, náuseas, esofagite, e lesões de órgãos visceral raro. Pneumonite, ou inflamação dos pulmões com febre baixa e tosse não produtiva, pode ocorrer até três meses após o tratamento. As lesões agudas ou tardias para o coração, outros músculos, nervos periféricos ou medula espinhal e óssea são incomuns. Há um pequeno risco de malignidade induzida por radiação. 2. Fiducial marcador Placement Perform percutânea guiada por TC ou broncoscopia colocação de um único marcador revestido a ouro inserido no centro do tumor-alvo-da-massa. Peça um radiologista para realizar um 3-5 mm de espessura imagiologia por tomografia axial contígua de peito do paciente 7. Definir uma abordagem agulha segura minimizando tecido pulmonar aerado atravessado (evitando bolhas e fissuras) 7. Injectar anestesia subcutânea local (por exemplo, lidocaína a 1%). Introduzir 17 ou 18 G agulha coaxial para colocar um único curto (0,75 x 10 mm) ou única (0,75 x 20 mm) marcador longo 10. Fazer uma colocação marcador eletromagnética navegação guiada por broncoscopia fiducial, pedindo um pneumologista para adquirir imagens tomográficas do peito para o mapeamento endobrônquica 21. Cunha do broncoscópio no segmento brônquica suspeita. Orientar a sonda sensor de broncoscópio à lesão-alvo. Implantar uma marca fiducialer por agulha transbrônquica. NOTA: As técnicas para radiocirurgia fiducial-livre no pulmão são consideradas de investigação e objecto de uma investigação ativa 22,23. Como alternativa, a ordem, pelo menos, três (1,6 x 3 mm) marcadores revestidas de ouro curtas para ser posicionado dentro 'caixa' de 6 cm ao redor do alvo. Se mais do que um marcador fiducial é colocado, é recomendada a separação física de 2 cm entre os marcadores. 3. Plano de Tratamento Executar simulação CT-guiada (descrito nos passos 3.2 e 3.3) 4-7 dias após a colocação do marcador fiducial. Peça ao paciente para se deitar em um cabeça-primeiro-supino na mesa plana máquina de tratamento. Posicione os braços do paciente sobre sua cabeça, apoiada pelo braço e pulso titulares superiores ou um vácuo-saco imobilizador. Certifique-se de que o tórax e abdome não são imobilizadas. Opcionalmente, use um de dois pinos localizados esponja joelho para indexação. Lugarpelo menos 4 marcadores corpo rastreados do infravermelho no peito para localização. Marcadores de respiração infravermelhos-rastreados excessivamente regiões do corpo que demonstram movimento consistente verticais respiratória (3 mm ou mais movimento de pico-a-pico é recomendado). Realizar uma varredura helicoidal contígua não-contrastada axial CT (1 mm de espessura fatia, tensão de 120 kVp, mAs 350). NOTA: Tratar os médicos podem pedir uma 4D CT tórax varredura 12 ou uma varredura tórax CT 3D que inclui imagem de apneia-expiração extremidade livre-respiração, end-inspiração, e define 24. Obter scans 18 F-FDG PET / CT para uma maior captura de movimento tumor de pulmão. Pergunte aos pacientes para mentir em uma posição de digitalização de cabeça para tomografia computadorizada helicoidal contígua (por exemplo, tensão de 120 kVp, mAs 450) a partir da linha orbitomeatal a parte superior das coxas durante a respiração tranquila. Adquirir 18 F-FDG PET após a administração intravenosa de 11 mCi de 18 F-FDG, em média, no mesmo scposição a partir da linha orbitomeatal a parte superior das coxas Anning durante respiração tranqüila. Se esta técnica é utilizada, 18 scans F-FDG PET / CT são auto-contornada pelo software fixado em um limite SUVmax 40%, e, em seguida, co-registradas com imagens de simulação CT como descrito 1. Contorno do pulmão primário bruto volume de destino ou volumes (GTVp) pelo desenho da mão em conjuntos de dados 4D CT, de preferência a fase de expiração. Expandindo a GTVp com uma margem de 5 milímetros cria o volume do tumor de planejamento (PTV). Planejamento de dose de radiação ocorre na varredura fase final da expiração para rastreamento dinâmico. NOTA: Como uma alternativa e quando usar conjuntos de dados CT 3D, o livre-respiração varredura simulação CT é a verificação de referência. Usando esta técnica, o tratamento de radiação oncologista contornos do GTV à livre-respiração (GTVfb), inspiração (GTVi) e expiração (GTVe) scans CT simulação. Um contorno valor de absorção padrão máximo thresholded 40 por cento nas imagens 18 F-FDG PET cria uma <sup> 18 F-FDG PET volume alvo clínico (CTVpet) 1. A ITV composto representa a soma dos volumes adicionados GTVfb, GTVi, GTVe, e CTVpet. A 5 milímetros expansão da margem do ITV composta cria um PTV. Aqui, planejamento de dose de radiação ocorre na varredura livre de respiração para rastreamento dinâmico. Contorno estruturas de tecido normal nas proximidades de desenho em conjuntos de dados 4D CT, de preferência a fase de expiração mão. Isto pode incluir normais de pulmão, coração, mais pericárdio, do esófago, fígado, rins bilaterais, plexo braquial, e na medula espinal. Um contorno da traquéia, brônquio fonte direito, brônquio fonte esquerdo e pode ser gerado, expandiu 3 mm, e usado como uma restrição de planejamento de alta prioridade para evitar a fibrose das vias aéreas toxicidade tardia. Clique no botão de rastreamento dinâmico no software de planejamento. Esta acção envolve o rastreamento de pan e tilt gimbaled na nova plataforma SBRT. Prescrever uma dose de radiação para a PTV. Considere um dos três radiação Monte Carlo prescrição da doses: 3 x 17 = 51 Gy Gy diariamente por lesões pulmonares periféricas; 4 x 12 = 48 Gy Gy para lesões pulmonares centrais e periféricos lesões da parede torácica; ou qualquer outro dia 5 x 10 = 50 Gy Gy. Pouco frequentemente quando as restrições de volume de PTV (ou seja, 95% de cobertura) ou órgão em risco as restrições não forem cumpridas, pode ser utilizada uma prescrição de 8 x 7,5 Gy = 60 Gy. 4. Tratamento de entrega e de fluxo de trabalho Construir um modelo de correlação respiração tranqüila após supina-cabeça-primeiro alinhamento. Coloque 4 (ou até 6) marcadores de infravermelho corpo no corpo nos mesmos locais marcados identificados na simulação CT. Verifique a precisão posicional dos marcadores do corpo e alinhamento paciente por câmera infravermelha e telas no console do tratamento. NOTA: posição do marcador do corpo serve como um cheque feixe-on para o movimento irregular, tal tosse. Adquirir cross-plane kV dual-diagnóstico raios X ou imagens de TC Cone-Beam no console do tratamento para detectar marcadores implantados para p internaositional precisão. Associado e correlato movimento marcador corpo (como um substituto para a respiração) e marcador de movimento interno implantado com o software de computador ligado ao novo fluxo de trabalho plataforma SBRT. NOTA: Um método alternativo envolve a localização alinhamento ortogonal do paciente de acordo com a anterior e lateral tatuados simulação CT marcas de triangulação laser e utilização de uma matriz de referência normalizado (estrela) com seis marcadores impregnados infravermelhos do corpo. Gerar um modelo de correlação movimento tumor de pulmão. Derivar um caminho de pan e tilt cardan para o acelerador para controlar o movimento do tumor utilizando programas de computador ligado ao novo fluxo de trabalho plataforma SBRT. Avaliar visualmente o modelo de correlação movimento tumor de pulmão antes da entrega radiação. Observar o marcador fiducial deriva durante a entrega de radiação. Avaliar colisões-máquina paciente devido à rotação do pórtico, O-ring pivô, e cardan acção pan-and-tiltS Antes de planejar a entrega. NOTA: A equipe radiação irá executar este passo. O tratamento pode acarretar 5-9 coplanares e tratamento noncoplanar vigas estáticas, manualmente e visualmente verificados pelo pessoal de entrega de radiação. Os tratamentos podem durar 15-30 min, com tumor de pulmão verificações modelo correlação movimento feito aproximadamente a cada 7 min.

Representative Results

SBRT na nova plataforma atualmente envolve múltiplos feixes de radiação estática convergindo para as metas de radiação simples ou múltiplas estreitamente associados clínicos, como descrito por exemplo na Figura 1. Um bom resultado de planejamento representante oferece radiação ablativo com cobertura de 95% do volume de destino câncer e alvo câncer dosar conformidade. A Figura 1 mostra 5 coplanar e 4 feixes não coplanares (ie, rotação do anel + 20 ° para feixes de 2, 4, 6 e 8) utilizado para tratar uma única PTV representando carcinoma de células escamosas no pulmão direito. Margens de feixe para a PTV eram de um milímetro. A dose de radiação, prescrito para a linha de isodose de 95%, representado cobertura PTV 95%, com um índice de conformidade de 1,48. A receita foi de 50 Gy em cinco a cada outras dia 10 fracções Gy. Estruturas descritos aqui incluem o volume de destino de planejamento (vermelho), o volume de meta interna (branco), medula espinhal (verde), e esôfago (azul claro). Linhas isodose são como indicado. </ P> Figura 1:. Rastreamento tumor dinâmica de um tumor do pulmão do lado direito na foto é um exemplo de dose de radiação ablativo (50 Gy em 10 Gy cada cinco outras frações do dia) entregue a um tumor do pulmão do lado direito único meio de nove vigas estáticos (azul / verde, 34 ° de intervalo). As janelas de software de planejamento retratam 4: (A) um feixe e crítica mapa estrutura de colisão, (B) beam's-eye-view (aqui, feixe 1), (C) tridimensional CT e mapa de reconstrução do feixe, e (D) axial CT com distribuição de dose. Estrutura Métrico Volume Variação aceitável PTV V50Gy ≥95% ≥90% Dose mínima 0,03 centímetros 3 ≥46 Gy (92%) ≥45 Gy (90%) Dose máxima 0,03 centímetros 3 ≤60 Gy (120%) ≤62.5 Gy (125%) Medula espinhal 0,03 centímetros 3 ≤15 Gy ≤22 Gy Pulmão (menos GTV) V20Gy ≤10% ≤15% Dose média ≤8 Gy ≤10 Gy Coração / Pericárdio 15 centímetros 3 ≤32 Gy ≤36 Gy Esôfago Dose média ≤18 Gy ≤20 Gy 0,03 centímetros 3 ≤27 Gy ≤30 Gy Braquialplexo 0,03 centímetros 3 ≤24 Gy ≤30 Gy Tabela 1: restrições de planeamento de tratamento de Estrutura.

Discussion

Experiências clínicas radiocirurgia estereotáxica iniciais promissores têm impulsionado investigação ensaio clínico de radiação ablativo para o tratamento de cancros do pulmão ^25,26. A experiência levou os investigadores a utilizar radiação ablativo contra uma variedade de tipos de tumores metastizados no pulmão ^27,28. A nova plataforma SBRT introduz um sistema de entrega de radiação particularmente em sintonia com o tratamento de tumores em movimento.

A nova plataforma SBRT proporciona um tratamento com raios-x invisível que é gerado por um acelerador linear montado dentro de um pórtico de articulação O-ring. Um mecanismo de articulação permite o movimento pan-and-tilt do acelerador linear, proporcionando rastreamento de movimento dinâmico tumor in-time. Cruzada plano kV raios-X de dupla são obtidas antes e durante o tratamento para verificar o posicionamento do paciente 6 graus de liberdade. Coplanares e não coplanares graus únicas de liberdade melhorar a prestação de alta dose de radiação para câncer de metas, minimizando simultaneamentedose de radiação para órgãos viscerais críticos. Prevê-se que o tratamento de células cancerosas esteriliza alvos sem danos irreparáveis às células normais de redução da toxicidade relacionada com radiação. Estudo futuro da nova plataforma SBRT irá documentar qualquer ganhos de controle de destino e qualquer redução nos efeitos colaterais.

A experiência inicial com os novos shows plataforma da rede SBRT prometer ^10. Nuances de rastreamento dinâmico de pulmão tumores continuar a ser exploradas; no entanto, algumas generalizações são aparentes. Tumores de pulmão demonstrando movimento menos de sete milímetros pode ser melhor tratado por um ITV composto mais 5 mm de abordagem de expansão. Para tumores de pulmão, mostrando sete milímetros ou mais de tradução vertical, uma abordagem de rastreamento dinâmico usando um GTVp mais 5 mm de expansão pode ser melhor para o tratamento. É necessária mais investigação a definição desses limites. Além disso, ¹⁸ imagens F-FDG PET sobrepostas em conjuntos de dados de imagem CT 3D normalmente aumentar os volumes ITV compostas. Esta abordagem assume volume de expansion devido a ¹⁸ F-FDG sinal smear ocorre durante 3-5 min tempo bin do scanner PET. Um 40% de limiar definido ^18F-FDG volume alvo clínico tem sido estudado e tem sido utilizada em um dos seus programas ^1. Mais pesquisas caracterizando quer ¹⁸ imagens F-FDG PET replica adequadamente histerese tumor é necessária. Por último, até três lesões num único pulmão podem ser considerados para o tratamento de uma só vez. Caso contrário, uma abordagem sequencial é feito.

Rastreamento dinâmico na nova plataforma SBRT usa um modelo de correlação movimento tumor de pulmão para prever o movimento do tumor de pulmão até 40 ms para o futuro. Posição e velocidade do corpo de infravermelhos e marcadores respiratórias estão incluídas no modelo. A taxa de detecção do marcador de 70% em kV adquiridos raios-x é um requisito para o rastreamento dinâmico. Fiduciais são controladas em três dimensões (isto é, x, y, z). As imagens geradas pelas unidades kV de raios-X são automaticamente registrados e comparados em tempo real. Olatência bserved no rastreamento dinâmico é devido a limitações de hardware de pan e tilt cardan, processamento de software, e desempenho de controle de posicionamento das unidades de raios-x kV. Investigadores de investigação estão engajados em melhorar a latência de monitoramento.

Durante a entrega de radiação usando o acompanhamento dinâmico na nova plataforma SBRT, é fundamental prestar atenção para fiducial marcador deriva. Tendências em fiducial deriva marcador além predefinidos tolerâncias de 3 mm de qualquer resultado em direção iniciada pelo operador de tratamento de pausa ou em espera feixe automático. Se ocorrer uma pausa de tratamento, recomenda-se que os operadores permitem a retomada do movimento de respiração tranquila ao longo dos próximos paciente respira e depois retomada tratamento antes de modelo de correlação reconstruir. Se pausas são mal sucedidos, reposicionamento do paciente, respiração marcador de detecção de movimento infravermelho, kV detecção marcador, modelagem correlação reconstrução são feitos para retomar o tratamento. Em nossa experiência, os modelos de correlação de respiração são precisas para up a 7 min, muitas vezes limitada pela tensão paciente ou relaxamento, enquanto descansando sobre a mesa de tratamento.

Perguntas não respondidas permanecem. Quais são as consequências radiobiológicos e modo de morte celular em células normais e células cancerosas que ocorrem após a dose de radiação ablativo? Por que tem sido tão difícil de fundir radiação ablativo de alta precisão com radiossensibilizadora quimioterapias? Embora seja essencial para investigar outras modalidades de fornecer uma radiação ablativo no peito, ainda não está claro quanto ao facto de a radiação ablativo pode proporcionar eficácia terapêutica equivalente como cirurgia torácica. Com efeito, cirurgia torácica é a técnica mais vulgarmente utilizada e validada para alcançar a erradicação de tumores no pulmão quando as terapias convencionais já tenham sido aplicadas. Aqui, a nova plataforma SBRT fornece um inovador meio não invasivo de tratamento para homens e mulheres com tumores de pulmão que mostra o movimento.

Açıklamalar

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Esta pesquisa foi apoiada pelo Instituto do Câncer 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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Dynamic Lung Tumor Tracking Stereotactic Ablative Body Radiation Therapy (SBRT)Real-time Imaging Tumor Tracking Gimbaled Radiation Accelerator Image-guided Feedback Respiration Correlated CT 18F-FDG PET Tumor 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).