Dynamique de suivi de la tumeur du poumon pour stéréotaxique ablatif radiothérapie du corps

Résumé

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.

Résumé

Les médecins envisageant un traitement ablatif stéréotaxique de rayonnement du corps (SBRT) pour le traitement de cibles cancéreuses extracrâniens doivent être conscients des risques importants pour les blessures des tissus normaux et les dangers de miss tumeur physique. Un premier de son genre plateforme SBRT atteint de haute précision des traitements de radiothérapie ablative grâce à une combinaison de solutions d'imagerie en temps réel polyvalents et sophistiqués capacités de suivi de la tumeur. Il utilise deux-diagnostic kV unités x-ray pour stéréoscopique rétroaction en boucle ouverte de mouvement de intrafraction cible de cancer survenant à la suite de mouvements respiratoires et du rythme cardiaque. Évaluations guidée par l'image entraîne un accélérateur de rayonnement gimbaled (maximum de la taille du champ de 15 x 15 cm) capable d'en temps réel de l'action ± 4 cm de panoramique et d'inclinaison. ± 60 ° pivots d'une approche intégrée ± 185 ° portique de rotation entraîné Robot-permettre coplanaires et non coplanaires faisceau d'accélérateur angles de mise en place, en fin de compte permettant degrés de traitement unique de liberté. State-of-the-alogiciel rt aide en temps réel le positionnement de six dimensions, assurant irradiation de cibles cancéreuses avec une précision sub-millimétrique (0,4 mm à l'isocentre). L'utilisation de ces caractéristiques permet d'orienter les médecins traitants dose de rayonnement pour des cibles tumorales du cancer tout en réduisant la dose de rayonnement aux tissus normaux. En ajoutant la respiration corrélée tomodensitométrie (TDM) et 2- ^[18 F] fluoro-2-désoxy-ᴅ-glucose ⁽¹⁸ F-FDG) la tomographie par émission de positons (PET) des images dans le système de planification pour une meilleure contours cible de la tumeur, la probabilité Miss tumorale physique devient nettement moins ^1. Dans cet article, nous décrivons de nouveaux plans de rayonnement pour le traitement des tumeurs du poumon déplacer.

Introduction

Les cancers du poumon représentent le plus grand nombre de décès liés au cancer chez les femmes et les hommes dans le monde ^2. Jusqu'à 63% des cancers du poumon, persistants ou récurrents impliquer le tissu pulmonaire qui est déjà imposée par une chimiothérapie ou préalablement irradié. ^3,4. En outre irradiation au niveau des sites de tumeurs pulmonaires persistants ou récurrents, peut conduire à une morbidité intolérable du poumon ^5,6, en particulier lorsque la chirurgie conventionnelle, le traitement de chimiothérapie et le rayonnement déjà été essayé. Ainsi, les femmes et les hommes dans de telles circonstances cliniques ont besoin de nouvelles stratégies de traitement du cancer à des traitements similaires présentées avant dans ce journal ^7. Radiothérapie stéréotaxique corps ablatif (SBRT) peut satisfaire ce besoin thérapeutique en stérilisant les tumeurs du poumon à travers précisément ciblée, à forte dose rayonnement ^8,9.

Il ya une plate-forme de roman SBRT capable de cette tâche thérapeutique ^10-12. Il se sépare des autres plates-formes SBRT parintégrant ExacTrac kV unités x-ray double-diagnostic (capable de faisceau conique calculée de localisation cible de tomographie) et une unité de caméra infrarouge (capable de suivre des marqueurs de surface du corps comme un substitut pour le mouvement interne) qui permettent tous deux stéréoscopique rétroaction en boucle ouverte du cancer cibler mouvement intrafraction. Il dispose également d'un ± 4 cm gimbaled accélérateur de rayonnement pan-tilt-et unique qui a son faisceau de rayonnement en forme de 60 feuilles de tungstène en alliage (0,25 cm de largeur physique, 11 cm de hauteur physique). Il utilise une pleine collimateur sur-centre-Voyage multi-feuilles pour un 15 x 15 taille maximale du champ cm. Il intègre un ± 60 ° pivotant O-anneau entraîné de robot et ± 185 ° portique de rotation permettant coplanaires et non coplanaires faisceau d'accélérateur set-up angles et degrés de traitement unique de liberté. Enfin, il a une précision submillimétrique (0,4 mm à l'isocentre) ^13. En revanche, d'autres plates-formes de radiothérapie SBRT monter un accélérateur de radiothérapie clinique soit à un bras robotique industrielle ¹4, ou à un portique ¹⁵ hélicoïdale tranche par tranche, ou dans une machine conventionnelle liée à intensité modulée radiothérapie guidée par l'image ou logiciel de distribution de l'arc dynamique ^16. Chaque plate-forme engage une variété de composants de la machine pour suivre le mouvement résultant du mouvement de la respiration, le rythme cardiaque, ou la digestion. Lung radiochirurgie a eu un succès clinique ^17,18, ce qui rend la modalité d'un roman de l'option de traitement en radio-oncologie ^19,20. Ce how-to article fournit un nouveau protocole de radiothérapie qui décrit suivi dynamique de la tumeur du poumon à des fins thérapeutiques intention de traitement.

Protocole

Déclaration éthique: Summa Health System examen institutionnel approbation du conseil a été obtenue pour cette étude.

1. Consultation Traitement

1. Décrire le nouveau traitement de SBRT du poumon pour le patient.
   NOTE: La nouvelle plate-forme offre SBRT coplanaires et dose élevée rayonnements non coplanaires aux cibles cancéreuses tout en réduisant la dose de rayonnement à des organes non ciblés.
2. Discutez des risques de traitement.
   NOTE: SBRT pourrait résulter en une hyperpigmentation court terme la peau ou un érythème, la fatigue, la toux fréquentes, nausées, oesophagite, et des blessures des organes viscéraux rare. Pneumopathie, ou une inflammation du poumon avec une faible fièvre et une toux non productive, peuvent se produire jusqu'à trois mois après le traitement. Les blessures aiguës ou tardives à cœur, d'autres muscles, les nerfs périphériques ou de la moelle épinière, et l'os sont rares. Il ya un très faible risque de malignité radio-induite.

2. Fiducial Marker Placement

1. Perform percutanée guidée par TDM ou de placement bronchoscopique d'un marqueur revêtu d'or unique inséré dans la tumeur cible centre de masse.
   1. Demandez un radiologue pour effectuer un 3-5 mm d'épaisseur imagerie tomographique contiguë axiale de la poitrine du patient ^7.
   2. Déterminer une approche sécuritaire de seringues en minimisant le tissu cellulaire du poumon traversé (en évitant de bulles et de fissures) ^7.
   3. Injecter l'anesthésie sous-cutanée locale (par exemple, 1% de lidocaïne).
   4. Présentez 17 ou 18 G aiguille de coaxiaux à placer un seul court (0,75 x 10 mm) ou seule longue (0,75 x 20 mm) marqueur ^10.
2. Faites un placement marqueur électromagnétique navigation bronchoscopie guidée fiducial en demandant un pneumologue pour acquérir imagerie tomographique de la poitrine pour la cartographie endobronchique ^21.
   1. Coincer le bronchoscope dans le segment soupçonné bronchique.
   2. Diriger la sonde de détection de bronchoscope à la lésion cible.
   3. Déployer un repère de référenceer par aiguille transbronchique.
      NOTE: Les techniques de radiochirurgie sans repère dans le poumon sont considérés comme expérimental et sous réserve de recherche active ^22,23.
3. Comme une alternative, afin au moins trois courts (1,6 x 3 mm) marqueurs revêtues d'or pour être positionnés à l'intérieur de 6 cm 'boîte' autour de la cible. Si plus d'un marqueur de calibrage est placé, une séparation physique de 2 cm entre les marqueurs est recommandée.

3. Planification du traitement

1. Effectuer la simulation CT-guidée (décrit dans les étapes 3.2 et 3.3) 4-7 jours après le placement de marqueur de repère.
2. Demandez au patient de se situer dans une tête première sur le dos sur la machine de traitement de table plat.
   1. Placez les bras du patient dessus de leur tête, soutenue par bras et du poignet supports supérieur ou un vide-sac immobilisation. Veiller à ce que le thorax et l'abdomen ne sont pas immobilisés.
   2. Eventuellement, utiliser une éponge genou localisée à deux broches pour l'indexation.
   3. Endroitau moins 4 marqueurs de corps infrarouge suivis sur la poitrine pour la localisation. Marqueurs de respiration infrarouges distraire excessivement régions du corps démontrant mouvement vertical cohérente respiratoire (3 mm ou plus de mouvement crête-à-crête est recommandé).
3. Mener une contiguë à balayage hélicoïdal non contrasté axiale de CT (1 mm d'épaisseur de tranche, la tension de 120 kV, 350 mAs).
   NOTE: Les médecins traitants peuvent commander un 4D CT scan thorax ¹² ou un scan du thorax 3D CT qui comprend respiration libre, fin inspiration, et l'image apnée fin d'expiration fixe ^24.
4. Obtenir ¹⁸ scans F-FDG PET / CT pour améliorer la capture de mouvement de la tumeur du poumon.
   1. Demandez aux patients de se trouver dans une position de balayage la tête la première pour tomodensitométrie hélicoïdale contigus (par exemple, la tension de 120 kV, 450 mAs) de la ligne à orbitomeatal cuisses pendant la respiration calme.
   2. Acquérir ¹⁸ F-FDG PET après administration intraveineuse de 11 mCi de ¹⁸ F-FDG, en moyenne, dans le même scposition à partir de la ligne orbitomeatal à Anning cuisses pendant la respiration calme. Si cette technique est utilisée, ¹⁸ scans F-FDG PET / CT sont auto-profilée par un logiciel mis à un seuil SUV max de 40%, puis, co-enregistrés avec des images de simulation de CT comme décrit ^1.
5. Modeler le poumon volume primaire brute cible ou volumes (GTVp) par dessin à la main sur des jeux de données 4D CT, de préférence la phase expiratoire. L'élargissement du GTVp avec une marge de 5 mm crée le volume de la tumeur de planification (PTV). la planification de la dose de rayonnement se produit sur l'analyse de phase fin d'expiration pour le suivi dynamique.
   NOTE: Comme une alternative et lors de l'utilisation des ensembles de données 3D CT, la respiration libre scan de simulation de CT est le balayage de référence. En utilisant cette technique, le rayonnement traiter contours oncologue la GTV sur la respiration libre (GTVfb), l'inspiration (GTVi), et de l'expiration (GTVe) scans de simulation de CT. Un maximum contour de la valeur d'absorption norme seuillée de 40 pour cent sur ​​les ¹⁸ images F-FDG PET crée une ^{18 F-FDG volume cible clinique (CTVpet) 1. Un ITV composite représente la somme ajoutée des volumes GTVfb, GTVi, GTVe et CTVpet. Un accroissement de la marge de 5 mm de l'ITV composite crée un PTV. Ici, la planification de la dose de rayonnement se produit sur le scan respiration libre pour le suivi dynamique.}
6. Structures voisines Contour normales de tissus en tirant sur des ensembles de données 4D CT, de préférence la phase expiratoire main. Cela peut inclure des poumons, du cœur normaux plus péricarde, de l'oesophage, du foie, des reins bilatéraux, plexus brachial, et la moelle épinière. Un contour de la trachée, bronche souche droite et bronche souche gauche peut être généré, agrandi 3 mm, et utilisé comme une contrainte de planification de haute priorité pour éviter la toxicité tardive fibrose des voies respiratoires.
7. Cliquez sur le bouton de suivi dynamique dans le logiciel de planification. Cette action engage la gimbaled suivi panoramique et d'inclinaison sur la nouvelle plate-forme SBRT.
8. Prescrire une dose de rayonnement à la PTV. Considérons l'un des trois rayonnement Monte Carlo dose prescriptions: 3 x 17 = 51 Gy Gy par jour pendant lésions pulmonaires périphériques; 4 x 12 Gy Gy = 48 pour les lésions pulmonaires et les lésions centrales de la paroi thoracique périphériques; ou chaque autre jour 5 x 10 Gy = 50 Gy. Peu fréquemment lorsque les contraintes de volume PTV (c.-à-couverture de 95%) ou les contraintes d'organes à risque ne sont pas remplies, une ordonnance de 8 x 7,5 Gy = 60 Gy peut être utilisé.

4. Traitement de livraison et de flux de travail

1. Construire un modèle de corrélation de la respiration calme après couchée tête-premier alignement.
   1. Placez 4 (ou jusqu'à 6) marqueurs de corps infrarouge sur le corps dans les mêmes emplacements marqués identifiés à la simulation CT.
   2. Vérifier l'exactitude de position des marqueurs de corps et l'alignement du patient par caméra infrarouge et des écrans sur la console de traitement.
      NOTE: La position de marqueur de corps sert un chèque de faisceau-on pour mouvement irrégulier, une telle toux.
   3. Acquérir plan croisé à double diagnostic kV radiographies ou des images de tomodensitométrie à faisceau conique la console de traitement pour détecter les marqueurs implantés pour p interneprécision ositional.
   4. Associé et corrélat mouvement de marqueur de corps (comme un substitut pour la respiration) et le mouvement de marqueur implanté interne avec le logiciel de l'ordinateur lié à la nouvelle plate-forme flux SBRT.
      REMARQUE: Une méthode de localisation alternative implique l'alignement orthogonale du patient selon antérieure et de simulation de CT marques de triangulation laser latéral tatoués et l'utilisation d'un tableau de référence normalisé (étoile) avec six marqueurs imprégnés du corps infrarouges.
2. Générer un modèle mouvement de corrélation de la tumeur du poumon.
   1. Dériver un chemin panoramique et inclinaison de cardan pour l'accélérateur pour suivre le mouvement de la tumeur en utilisant un logiciel informatique liée à la nouvelle plate-forme flux SBRT.
   2. Visuellement évaluer le mouvement de la tumeur modèle de corrélation du poumon avant la livraison de rayonnement.
3. Observez la dérive de marqueur de repère lors de la livraison de rayonnement.
4. Évaluer le patient machines collisions dues à la rotation de portique, O-ring pivot, et cardan l'action pan-et-tilts avant de planifier la livraison.
   NOTE: Le personnel de rayonnement effectuer cette étape. Le traitement peut entraîner des cinq à neuf coplanaires et de traitement non coplanaires poutres statiques, manuellement et visuellement vérifiés par le personnel de livraison de rayonnement. Les traitements peuvent durer 15-30 minutes, avec une tumeur du poumon vérifications de modèle mouvement de corrélation effectuées environ tous les 7 min.

Résultats

SBRT sur la nouvelle plate-forme implique actuellement de multiples faisceaux de rayonnement statique convergence sur les objectifs de rayonnement simples ou multiples étroitement associés cliniques, comme le montre par exemple la figure 1. Un bon résultat représentatif de la planification délivre un rayonnement ablatif avec une couverture de 95% du volume cible du cancer et la cible de cancer la dose la conformité. La figure 1 montre 5 coplanaires et 4 faisceaux non coplanaires (c.-à-anneau rotation + 20 ° pour les poutres 2, 4, 6 et 8) utilisé pour traiter un seul représentant PTV carcinome spinocellulaire dans le poumon droit. marges de faisceau pour le PTV étaient un millimètre. La dose de rayonnement prescrite à la ligne isodose 95%, a rendu la couverture de PTV 95% avec un indice de conformité de 1,48. La prescription était de 50 Gy en cinq jours tous les 10 autres fractions Gy. Les structures représentées ici comprennent le volume cible de planification (rouge), le volume cible interne (blanc), la moelle épinière (vert), et de l'œsophage (bleu clair). Lignes isodoses sont comme indiqué.

Figure 1:. Suivi de la tumeur dynamique d'une tumeur au poumon droit face la photo est un exemple de dose de rayonnement ablatif (50 Gy en cinq 10 Gy tous les autres Les fractions de jours) livrés à une tumeur du poumon du côté droit unique à l'aide de neuf poutres statiques (bleu / vert, 34 ° d'intervalle). Les fenêtres du logiciel 4 de planification représentent: (A) un faisceau et critique carte structure de collision, (B) beam's-eye-vue (ici, poutre 1), (C) en trois dimensions CT et le faisceau de reconstruction carte, et (D) axiale CT avec une distribution de dose.

Structure	Métrique	Volume	Variation acceptable
PTV	V50Gy	≥95%	≥90%
Dose minimale	0,03 cm 3	≥46 Gy (92%)	≥45 Gy (90%)
La dose maximale	0,03 cm 3	≤60 Gy (120%)	≤62.5 Gy (125%)
Moelle épinière	0,03 cm 3	≤15 Gy	≤22 Gy
Lung (moins GTV)	V20Gy	≤10%	≤15%
	Dose moyenne	≤8 Gy	≤10 Gy
Coeur / péricarde	15 cm 3	≤32 Gy	≤36 Gy
Œsophage	Dose moyenne	≤18 Gy	≤20 Gy
	0,03 cm 3	≤27 ​​Gy	≤30 Gy
Brachialplexus	0,03 cm 3	≤24 Gy	≤30 Gy

Tableau 1: contraintes de planification de traitement de structure.

Discussion

Premières expériences cliniques de radiochirurgie stéréotaxique prometteurs ont conduit une enquête de l'essai clinique de rayonnement ablatif pour le traitement des cancers du poumon ^25,26. L'expérience a conduit les chercheurs à utiliser un rayonnement ablatif contre une variété de types de tumeurs métastases au poumon ^27,28. La nouvelle plate-forme SBRT introduit un système de livraison de rayonnement particulièrement sensible au traitement des tumeurs mobiles.

La nouvelle plate-forme SBRT délivre un traitement invisible aux rayons X qui est généré par un accélérateur linéaire monté dans un portique pivotant joint torique. Un mécanisme à cardan permet un mouvement panoramique et d'inclinaison de l'accélérateur linéaire, fournissant tumeur dynamique suivi de mouvement en temps. Radiographies plan croisé kV double sont obtenus avant et pendant le traitement pour vérifier le positionnement 6 degrés de liberté patient. Coplanaires et non coplanaires degrés de liberté unique d'améliorer la prestation de la dose de rayonnement élevée aux cibles cancéreuses tout en minimisant simultanémentla dose de rayonnement vers les organes viscéraux critiques. Il est prévu que le traitement stérilise cibles cellulaires cancéreuses sans dommages irréparables à des cellules normales qui abaisse la toxicité liée au rayonnement. Étude future de la nouvelle plate-forme de SBRT documentera les gains en matière de contrôle de la cible et une réduction des effets secondaires.

L'expérience initiale avec la nouvelle plateforme spectacles SBRT promettre ^10. Nuances de suivi dynamique des tumeurs du poumon continuent d'être explorées; Cependant, certaines généralisations sont apparents. Des tumeurs pulmonaires démontrant mouvement moins de sept millimètres peuvent être mieux traités par un ITV composite plus 5 mm approche d'expansion. Pour les tumeurs pulmonaires montrant 7 mm ou de traduction plus verticale, une approche de suivi dynamique en utilisant un GTVp, plus l'expansion de 5 mm peut être le meilleur pour le traitement. De plus amples recherches définir ces limites est nécessaire. En outre, ¹⁸ images F-FDG PET superposées sur l'image 3D CT ensembles de données augmentent habituellement volumes ITV composites. Cette approche suppose le volume expansion en raison de ¹⁸ signal F-FDG frottis survenant pendant 3-5 min temps bin du scanner TEP. A 40% seuillée ¹⁸ F-FDG volume cible clinique a été étudiée et a été utilisé dans l'un de nos programmes ^1. Des recherches complémentaires caractérisant si ¹⁸ images F-FDG PET réplique adéquate hystérésis de la tumeur est nécessaire. Enfin, jusqu'à trois lésions dans un seul poumon peuvent être considérés pour un traitement en une seule fois. Sinon, une approche séquentielle est fait.

Suivi dynamique sur la nouvelle plate-forme SBRT utilise un modèle mouvement de corrélation de la tumeur du poumon de prédire mouvement de la tumeur du poumon jusqu'à 40 ms dans le futur. Position et la vitesse du corps infrarouge et respiratoires marqueurs sont inclus dans le modèle. Un taux de détection du marqueur de 70% en kV acquis rayons X est une condition nécessaire pour le suivi dynamique. Repères sont suivis en trois dimensions (à savoir, x, y, z). Les images produites par les unités kV x-ray sont automatiquement enregistrées et comparées en temps réel. Olatence bserved dans le suivi dynamique est dû aux limites de panoramique et d'inclinaison du matériel de cardan, traitement logiciel, et la performance de contrôle de position des unités kV x-ray. les enquêteurs de la recherche sont engagés dans l'amélioration du suivi de latence.

Au cours de la prestation de rayonnement en utilisant le suivi dynamique sur la nouvelle plate-forme SBRT, il est essentiel de surveiller la dérive de marqueur de repère. Tendances de la dérive de marqueur de repère au-delà des tolérances prédéfinies 3 mm dans toute direction entraîne opérateur commencé un traitement pause ou en attente automatique du faisceau. Si une pause de traitement se produit, il est recommandé que les opérateurs permettent la reprise de calme mouvement de la respiration au cours des prochaines plusieurs respirations du patient, puis le traitement avant la reprise modèle de corrélation reconstruire. Si pauses sont infructueuses, le repositionnement du patient, la détection de mouvement de marqueur de la respiration infrarouge, détection de marqueur kV, la modélisation de corrélation rebuild sont fait pour reprendre le traitement. Dans notre expérience, les modèles de corrélation respiratoires sont correctes pour up à 7 min, souvent limitée par la tension ou la relaxation du patient tout en se reposant sur la table de traitement.

Questions restent sans réponse. Quelles sont les conséquences de radiobiologie et le mode de la mort cellulaire dans les cellules normales et les cellules cancéreuses qui se produisent après la dose de rayonnement ablatif? Pourquoi est-il si difficile de fusionner haute précision rayonnement ablatif avec radiosensibilisant chimiothérapies? Alors qu'il est essentiel d'étudier d'autres modalités de délivrer des rayonnements ablative dans la poitrine, il reste difficile de savoir si le rayonnement ablatif peut fournir l'efficacité thérapeutique équivalente que la chirurgie thoracique. En effet, la chirurgie thoracique est la technique la plus couramment utilisé et validé pour assurer l'éradication de la tumeur dans le poumon lorsque les thérapies conventionnelles ont déjà été appliquées. Ici, la nouvelle plate-forme SBRT fournit un moyen novateur non invasives de la thérapie pour les femmes et les hommes atteints de tumeurs pulmonaires montrant le mouvement.

matériels

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