Levering van Proton Therapy en de klinische toepassingen ervan in Select solide Tumor maligniteiten

Samenvatting

De fundamenten van straling planning en levering voor proton therapie met behulp van prostaatkanker als een model worden gepresenteerd. De toepassing van deze beginselen op andere sites van geselecteerde ziekte benadrukt hoe proton radiotherapie kan verbeteren klinische resultaten voor kankerpatiënten.

Samenvatting

Radiotherapie is een veelgebruikte modaliteit voor de behandeling van solide vormen van kanker. Hoewel de mechanismen van cel doden vergelijkbaar voor alle vormen van straling zijn, verschillen de in-vivo -eigenschappen van foton en proton balken sterk en misschien uitgebuite klinische resultaten te optimaliseren. In het bijzonder, verliezen proton deeltjes energie op een voorspelbare wijze als ze passeren van het lichaam. Deze eigenschap is klinisch gebruikt om de diepte op die de proton lichtbundel wordt beëindigd, en straling limietdosis buiten de regio doel. Deze strategie kan zorgen voor een substantiële vermindering stralingsdosis aan normale weefsels ligt net buiten de doelstelling van een tumor. De afbraak van proton energie in het lichaam blijft echter zeer gevoelig voor de dichtheid van het weefsel. Dientengevolge, kunnen wijzigingen in de dichtheid van het weefsel in de loop van de behandeling aanzienlijk veranderen proton dosimetrie. Dergelijke veranderingen kunnen ontstaan door veranderingen in het lichaamsgewicht, ademhaling of darm vullen/gas, en kunnen resulteren in ongunstige dosis depositie. In dit manuscript bieden wij een gedetailleerde methode voor de levering van proton therapie met behulp van zowel passieve spreidings- en potlood beam scanning technieken voor prostaatkanker. Hoewel de beschreven procedure rechtstreeks betrekking op prostaatkanker patiënten heeft, kan de methode worden aangepast en toegepast voor de behandeling van vrijwel alle solide tumoren. Ons doel is om lezers uit te rusten met een beter begrip van proton therapy levering en resultaten ter vergemakkelijking van de passende integratie van deze modaliteit tijdens kankertherapie.

Inleiding

Geschat wordt dat 1,7 miljoen mensen in de Verenigde Staten zal worden gediagnosticeerd met kanker in 2018, met meer dan 600.000 bezwijken aan de ziekte¹. Huidige behandelingsopties betrekken mono - of multi - modality therapie met chirurgie, radiotherapie (RT) en systemische behandelingen. Met betrekking tot RT, zal een kwart van de nieuw gediagnosticeerde patiënten ontvangen als onderdeel van hun initiële kankertherapie en bijna de helft het uiteindelijk tijdens hun ziekte cursus^{2,3 vergt}.

De komst van RT dateert uit 1895 toen William Conrad Röntgen X-ray ontdekt tijdens het werken met een kathodestraalbuis in zijn laboratorium aan de Universiteit van Würzberg in Duitsland⁴. Niet lang na ontvingen de patiënten met breed opgezette ziektes, zoals lupus en kanker behandelingen met behulp van radium stralen. Vroege complicaties werden snel gerealiseerd en zelfs door Pierre Curie in zijn Nobelprijs lezing⁵werden besproken. Aangezien straling zowel de normale als de tumor weefsels beïnvloedt, moeten zorgvuldig gecontroleerde doses van straling worden gebruikt om het maximaliseren van de therapeutische ratio, gedefinieerd als de kans op controle van de tumor ten opzichte van de waarschijnlijkheid van onaanvaardbare toxiciteit. Met de geleidelijke vooruitgang in technologie, evenals een beter begrip van de radiobiologie en natuurkunde, heeft deze therapeutische ratio aanzienlijk verbeterd met de tijd. Het gebruik van RT is aanzienlijk verbeterd resultaten voor verschillende vormen van kanker, zoals blijkt uit de opname ervan in de nationale richtsnoeren voor kanker therapie^6,7,8,9. In sommige gevallen kan RT worden gebruikt als de enige modaliteit voor therapie¹⁰, terwijl in andere ziekten, het kan worden gebruikt als onderdeel van multimodaliteit therapie voor lokale ziektepreventie en-bestrijding of de uitroeiing van microscopische ziekte¹¹. Hoewel vaak gebruikt met een curatieve intentie, zijn veel RT patiënten behandeld voor palliatie van pijn of andere symptomen die de ontwikkeling van tumor-geïnduceerde compressie, invasie, of vernietiging van normale weefsels in de omgeving van loco-regionale of wijdverspreide, gemetastaseerde ziekte.

De fundamentele principes achter RT zijn eenvoudig. Met de toepassing van straling, wordt energie gestort in cellen via de ionisatie van atomen. Deze energie, produceert hoewel het de temperatuur van een bestraalde gebied door slechts een paar microkelvin verhogen kan, vrije radicalen die rechtstreeks schade blootgesteld cellen door middel van DNA schade^{12,13 kunnen}. Veel van ons begrip van hoog-energetische deeltjes straling en zijn interactie met de zaak komt uit theoretische en experimentele studies van kosmische straling en hun interacties in de bovenste atmosfeer in de vroege 20^th century¹⁴uitgevoerd. Hoog-energetische geladen deeltjes van het (MeV te GeV) interageren met materie hoofdzakelijk via de elektromagnetische kracht: als deze deeltjes stof of weefsel passeren, inelastische botsingen met orbitaal elektronen leiden tot ionisatie en excitatie van doel materie, en elastische botsingen met atoomkernen leiden tot verstrooien of verlegging van het pad van de particle. Bovendien, leiden nucleaire botsingen en harde botsingen met elektronen tot een cascade van secundaire straling die wordt toegevoegd aan het ioniseren effect van straling van het deeltje. Hoog-energetische deeltjes doorlopen zaak dus laat achter een wake van geïoniseerde atomen, moleculen en vrije elektronen die chemisch reactief en kunnen potentieel biologische veranderingen veroorzaken of schade aan organismen wordt blootgesteld aan deze ioniseren velden.

Een belangrijke langetermijndoelstelling van radiotherapie is geweest om te leren hoe het beste te benutten deze ioniserende velden op een manier die effectief van ziekten bij de mens behandelen zal. Klinisch, moet de ideale vorm van straling (zoals het foton, proton, elektron of zware ion) voldoende ionisatie in het doel van de ziekte om therapeutische anti-tumor effect, terwijl op de dezelfde tijd oorzaak minimale ionisatie in de omliggende normale opwekken weefsels aan het minimaliseren van de schadelijke effecten. Welke soort straling is geselecteerd voor RT hangt gedeeltelijk de ziekte behandeld. Voor tumoren die bevinden zich dieper in het lichaam en kunnen ook chirurgisch inoperabel, megavolt fotonen, protonen en zware ionen worden beschouwd als optimale^15,16. Voor oppervlakkige kankers, zoals die met betrekking tot de huid, elektron therapie mogelijk optimaal en zelfs de voorkeur aan chirurgie voor cosmesis. Aan de andere kant, ligt het voordeel van megavolt fotonen in hun vermogen om te dringen diep in het weefsel terwijl het beperken van schade aan de huid. In het geval van geladen deeltjes, zoals elektronen, protonen of zware ionen, ligt hun primaire voordeel in hun 'stoppen' kenmerken; dat wil zeggen, geladen deeltjes verliezen energie voortdurend via de inelastische botsingen hierboven beschreven, en dit energieverlies is zeer voorspelbaar op de schaal van de millimeter. Dus, een geladen deeltje straal kan worden afgeleverd bij een patiënt met precieze energieën naar gewenste diepte. Verder produceren geladen deeltjes weinig tot geen afslag dosis¹⁷. Daarentegen, vertonen ongeladen deeltjes zoals fotonen een exponentiële wegvallen (demping) met toenemende diepte, die vaak leidt tot een belangrijke afrit dosis die gezonde weefsels distale naar het doel in gevaar kan brengen. Deze concepten zijn in Figuur 1, waarin de straling dosis (ionisatie) eigenschappen van de verschillende soorten straling gebruikt klinisch aangetoond. Een centrale motivatie voor het gebruik van protonen of koolstof ionen in plaats van fotonen voor diepere tumor doelen is dat er minimale dosis vermelding dosis en in de buurt van nul afrit dosis dan onderzoeken weefsels. Tabel 1 geeft een overzicht van enkele van de klinisch relevante kenmerken van foton en proton balken.

Vooruitgang op het gebied van radiotherapie, met inbegrip van proton therapy, hebben plaatsgevonden op twee belangrijke fronten: 1) de bouw van efficiënte deeltjesversnellers geschikt voor het produceren van hoog-energetische (MeV) straling zoals synchrotron en cyclotron versnellers, en 2) de ontwikkeling van geavanceerde rekenmethoden die ziekte imaging gegevens en straling vervoer berekeningen om computer-gesimuleerd combineren "behandeling plan." Voor de planning van de behandeling ondergaan de patiënten meestal computertomografie (CT) imaging. De CT-beelden bevatten 3-dimensionale anatomische gegevens over de patiënt, evenals precieze kwantificering van de dichtheid van het weefsel. De CT-beelden en dichtheid kaarten worden vervolgens gebruikt in computersimulaties om het plan van de bestraling: zowel de energie en intensiteit van het stralingsveld zijn wiskundig geoptimaliseerd voor elke patiënt. Een magnetische resonantie beeldvorming (MRI) of een positron-emissie tomografie (PET) scan kan ook worden gebruikt als aanvulling op de CT-gegevens.

Hieronder beschrijven we een stapsgewijze schets van hoe patiënten via hun straling behandeling cursus, gevolgd door de voorbeelden van bepaalde typen van de tumor met proton therapie behandeld worden genavigeerd.

Protocol

Het exacte straling therapie planning en levering protocol zal variëren door ziekte site en wellicht zelfs individualisering voor elke patiënt. Bovendien kan de procedure ook wijzigingen aan institutionele voorkeuren en apparatuur beschikbaarheid eisen. Voor deze bespreking, zal we een overzicht van de stappen gebruikt voor proton plannen in het geval van een typische prostaatkanker, aangezien dit de gemeenschappelijkste kanker behandeld met proton therapie aan Amerikaanse centra¹⁸. Dit protocol beschrijft van standaard-of-care klinische procedures, en zo vereist geen institutionele goedkeuring door menselijke onderzoek ethisch comité.

1. computertomografie simulatie voor bestraling

1. De uitgebreide tafelblad in de behandeling tabel invoegen en ervoor te zorgen dat deze is vergrendeld.
2. Plaats een opgeblazen immobilisatie kussen op het tafelblad en de indexering bar voor de been schimmel op het niveau van de knie van de patiënt.
3. Plaats een solide hoofdsteun op de bovenkant van de tabel. Beginnen met F grootte hoofd, dat geschikt is voor de meeste patiënten.
4. Bevestigen dat de patiënt de volle blaas-proces is voltooid door het drinken van 16-24 ounces vloeistof 45 min voorafgaand aan de geplande scan tijd. Deze stap moet worden afgerond vóór stap 1.12.
5. De patiënt in CT patiënt registratie systeem registreren.
6. Selecteer prostaat scannen protocol met de segment-dikte van 3 mm.
7. Bevestigen dat de toestemming van de behandeling, contrast toestemming en simulatie bestellen zijn vervuld door de behandelend arts.
8. Vraag de patiënt om te veranderen in een jurk en verwijder alle kleding vanaf de taille naar beneden.
9. Bevestig de patiënt identificatie van verbaal verifiëren van dat de patiënt is naam, geboortedatum- en procedure-site.
10. Neem een foto van het gezicht van de patiënt.
11. Vraag de patiënt om te zitten op de tafel en dan het bijstaan van de patiënt in een liggende, hoofd-eerste positie.
12. Plaats de benen van de patiënt in het kussen opgeblazen immobilisatie en positie van de patiënt wapens op de borst door interlacing van hun vingers, waardoor ze een blauwe ring, of riemen rond hun armen.
13. Bevestig de patiënt uitlijning met de laser system.
14. De dubbele vacuümpomp verbinden met het mondstuk van de immobilisatie kussen.
15. Plaats de benen in de immobilisatie kussen zodat de schimmel zal omhullen van de kant van de benen en ook het maken van een barrière tussen de benen. Ervoor zorgen dat de immobilisatie kussen onder het bekken en strekt zich uit langs de voeten.
16. Invoegen en opblazen van de ballon van de endorectal van de ab als klinisch aangegeven per behandelende arts.
17. Het uitvoeren van anterior-posterior (AP) en laterale (LAT) scout kilovoltage X-ray beelden (topograms) om te bevestigen dat de patiënt uitlijning is geoptimaliseerd. Het gaat hierbij om de verificatie van rechtheid op de AP-afbeelding en roterende uitlijning op de laterale afbeelding. Beide afbeeldingen gebruiken om ervoor te zorgen dat de darm gas minimaal is. Positionering moet allemaal worden gecorrigeerd en bevestigd met opnieuw imaging. Als darm gas aanwezig en buitensporige is, excuus voor de patiënt naar het toilet en opnieuw opstarten van het proces van stap 1.15.
18. Zodra de patiënt in de gewenste positie is, verwijder de lucht uit de immobilisatie kussen met behulp van de vacuümpomp uit de Q-fix-dual vormen een solide schimmel rond hun benen en voeten.
19. Handmatig de behandeling tabel zodanig aanpassen dat de laser crosshairs op het niveau van de patiënt heupen en op de middellijn van de heupen en de buik op het niveau van het heupgewricht zijn. Geef de locaties van de dradenkruis op de patiënt met een markering-pen. Plaats de lokalisatie markeringen op het vizier aan te wijzen van een uitgangspunt voor de simulatie van de verificatie tijdens de levering van straling.
20. Set CT Scanparameters als u wilt opnemen van het bekken van de wervelkolom L3 naar het midden dijbeen.
21. Scan de patiënt met behulp van de prostaat scannen protocol.
22. Bevestigen dat de scan aanvaardbaar voor de planning van de behandeling is. De blaas moet volledig, en het rectum moeten minimale lucht of ontlasting.
23. De digitale scanbestand exporteren naar de behandeling planningssoftware en kennis van dosimetrie.
24. Label de patiënt immobilisatie kussen met de patiënt ID, behandelende arts naam en installatie instructies vóór opslag voor latere gebruik tijdens therapie.
25. Ga verder met stap 2.1 als de patiënt potlood lichtbundel proton therapie ondergaat. Ga verder met stap 3.1 als de patiënt passieve scatter proton therapie ontvangt.

2. bestraling Planning met behulp van potlood Beam therapie

1. Importeer de gegevens van de simulatie CT in de behandeling planningssoftware (TPS).
2. Gebruik behandeling planningssysteem contouren van hulpprogramma's voor het definiëren van alle relevante geometrische volumes op basis van verworven CT-beelden. Deze structuren omvatten de blaas, rectum, grote darm, kleine darm, femurkoppen, buiten lichaamsoppervlak, fiducials, rectale spacer, en/of endorectal ballon.
3. Maak een extra externe contour, waarin het lichaam, de tabel met behandeling en inrichtingen van immobilisatie. Stralingsdosis zal alleen worden berekend binnen deze contour.
4. Contour de eerste klinische doelvolume (CTV1) op te nemen van de prostaat, zaadblaasjes en betrokken lymfklieren. De CTV1 zal worden voorgeschreven 45.0 Gy (RBE). Het volume van de CTV1 zal het uiterlijk van een U-vormige structuur hebben op axiale beelden. Kleine darm, endeldarm en blaas normale weefsels zal verblijven binnen de U-vormige doelvolume.
5. Contour de tweede klinische doelvolume (CTV2) op te nemen van de prostaat en de zaadblaasjes. De CTV2 zal een totale dosis van 34.2 Gy (RBE) worden voorgeschreven.
6. Selecteer drie balken gantry hoeken van 90, 180 en 270 graden voor de behandeling van het volume van de CTV1. Selecteer alleen de 90 en 270 stralingshoek hoeken voor CTV2 behandeling.
7. Ontwerp twee geometrische blokkerende structuren (vermijden volumes).
   1. Een "half blok" vermijden volume omvat de normale weefsels binnen de U-vormige CTV1 volume maken.
   2. Blokkeren de inferieure aspect van de lichtbundel posterior-anterior (180 graden) onder het niveau van de bovenkant van de prostaat met een "rectum-blok".
8. Maak een isotrope 7 mm-uitbreiding van de CTV1 om te vormen van een proton planning doelvolume, genaamd pPTV1. Gebruik de pPTV1 om te definiëren een plek plaatsing volume dusdanig dat pieken van het proton Bragg (ook proton "spots" genoemd) zijn geplaatst door de planning optimizer ter dekking van de CTV1.
9. Zoals in stap 2.6, maken een soortgelijke uitbreiding van het CTV2 volume pPTV2 vormen, maar 8-mm expansie in de richting van links-rechts en 5-mm uitbreidingen in beide het anterior-posterior en superior-inferieur richtingen gebruiken.
10. Opdat de robuuste optimalisatie, een functie die kan goed zijn voor setup onzekerheden, onzekerheden bereik en de variabele gas vulling van de darm, twee kunstmatige ("vervangen door") CT gegevenssets maken: de eerste heeft de hele dunne darm, dikke darm, en endeldarm overschreven aan de dichtheid van de lucht, en de tweede heeft deze volumes overschreven met de dichtheid van de spier.
11. Voorafgaand aan de optimalisatie, een nieuwe behandelingsplan voor de CTV1 te maken. Het aanwijzen van de proton behandeling machine worden gebruikt voor de planning, de voorgeschreven dosis en versplintering van 45 Gy (RBE) in 25 breuken toewijzen, en definiëren van de primaire doelstelling om te worden van de CTV1. Toewijzen van 100% van de voorgeschreven dosering te dekken ten minste 98% van het volume van de CTV1 met behulp van alle 3 balken (juiste laterale, laterale en posterior-anterior).
12. Maak een ander behandelplan voor de CTV2 met 2 sets van de lichtbundel. Eerst, toewijzen van 18 Gy (RBE) moeten worden afgeleverd in de fracties van de 10 aan de CTV2 met behulp van alleen de linker laterale lichtbundel en het toewijzen van 16,2 Gy (RBE) moeten worden afgeleverd in 9 fracties aan de CTV2 met behulp van alleen de juiste laterale lichtbundel. 100% van de voorgeschreven dosering tot 100% dekken van het CTV2 volume toewijzen.
13. Voorbereiden van de optimalisatie van het CTV1-plan
    1. Toewijzen van de Mid blok structuur als de marge van een bereik voor de laterale balken en het toewijzen van de structuur van de endeldarm-blok als de marge van een bereik voor de posterior-anterior lichtbundel.
    2. Beginnen de optimalisatie met instellingen voor automatische (standaard) voor energie laag afstand en ter plaatse afstand doel marge.
    3. Geef een maximum aantal iteraties van 40, een maximum aantal optimalisaties voor "plek filtering" van 10 en een plek minimumgewicht van 1,5 monitor eenheden. Ter plaatse filter verwijdert proton spots met minder dan 1,5 monitor eenheden, aangezien er een technische minimale limiet op het aantal protonen die kan worden geleverd door de machine van de behandeling.
    4. In de eerste ronde van de optimalisering voor de CTV1, wijst u het doel als de pPTV1 om het raster van proton plek posities. De opgegeven doelstellingen zijn 45.5 Gy (RBE) (gewicht = 100) aan de pPTV1 en het wegvallen van een dosis van 45-0 Gy (RBE) binnen een afstand van 1 cm (gewicht = 2).
    5. Begin een tweede ronde van optimalisatie voor CTV1, door het schrappen van de pPTV1 van bovengenoemde doelstellingen. Vervolgens hervatten optimalisatie met de nieuwe doelstellingen en objectieve gewichten. Deze parameters als volgt om een intensiteit gemoduleerde plan, ook bekend als multi-gebied optimalisatie (MFO) opgeven.
       1. Instellen voor het externe volume, het wegvallen van een dosis van 45-0 Gy (RBE) binnen een afstand van 1 cm en met een gewicht van 2.
       2. Voor het volume van de CTV1, stelt u een minimale dosis van 45 Gy (RBE) met een gewicht van 100.
       3. Instellen voor het volume van de CTV1, een uniforme dosis 45.5 Gy (RBE) en een gewicht van 100. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
       4. Voor het volume van de pPTV1, stelt de maximale dosis op 46 Gy (RBE) met een gewicht van 100 en dit doel als robuust.
       5. Voor het volume van de endeldarm, stelt u een maximale dosis van 45.8 Gy (RBE) met een gewicht van 50. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
       6. Voor het volume van de blaas, stelt u een maximale dosis van 45.8 Gy (RBE) met een gewicht van 50. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
       7. Voor de kleine darm, stelt u een maximale dosis van 45.8 Gy (RBE) met een gewicht van 50. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
       8. Voor de grote darm, stelt u een maximale dosis van 45.8 Gy (RBE) met een gewicht van 50. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
    6. Naast de specifieke doelstellingen, toewijzen van robuustheid instellingen te verzachten 5-mm positionele verschuivingen, 3,5% bereik onzekerheid, en nemen de kunstmatige ("vervangen door") CT gegevens naar adres darm gas variabiliteit hierboven vermeld. Deze robuustheid-instellingen gelden alleen voor die doelstellingen die hierboven omschreven als "robuust".
14. De optimalisatie voor het plan CTV1 te voltooien en controleer het resulterende geoptimaliseerde plan om ervoor te zorgen dat het recept doelen zijn bereikt.
15. Voorbereiden voor optimalisatie van het CTV2-plan
    1. Voltooi de eerste optimalisatie voor het plan van de CTV2 met behulp van de pPTV2 om een plek plaatsing net als het CTV1 plan.
    2. Verwijderen van de pPTV2-doelstellingen en hervatten van de optimalisatie met nieuwe doelstellingen (percentages zijn met betrekking tot het recept voor de CTV2). Voor de CTV2 plan, deze doelstellingen voor de linker en rechter balk individueel te optimaliseren. Dit staat bekend als één veld optimalisatie (SFO) en de doelstellingen voor elke boom zijn als volgt.
       1. Voor het externe volume, stelt u een dosis wegvallen van 34.2 Gy (RBE) op 0 Gy (RBE) binnen een afstand van 5 mm en een gewicht van 2.
       2. Voor het volume van de CTV2, stelt u een minimale dosis van 34.37 Gy (RBE) met een gewicht van 120.
       3. Voor het volume van de CTV2, stelt u een uniforme dosis van 34.54 Gy (RBE) met een gewicht van 100. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
       4. Voor het volume van de pPTV2, stelt u een maximale dosis van 34.88 Gy (RBE) met een gewicht van 100. Deze doelstelling als robuuste ingesteld.
    3. Gebruik dezelfde robuustheid instellingen voor de optimalisatie.
16. Voltooi de optimalisatie afzonderlijk voor de linker en juiste laterale balken om 2 plan bundel sets te maken. Dit zal de levering van straling aan CTV2 via de links of rechts laterale balken toelaten. Dit is in tegenstelling tot CTV1 dosislevering, waarvoor alle 3 balken (RL, LL en PA) moet worden gebruikt voor elke behandeling.
17. Bekijk de CTV1 en de CTV2 behandeling plannen onafhankelijk en in sommatie om ervoor te zorgen dat zij voldoen aan de Dosisbeperkingen voor bestraling van de prostaat kanker vastgesteld door de RTOG 0126 proef¹⁹.
    1. Voor het volume van de blaas, zorgen ervoor dat het percentage van weefsel ontvangt 80 Gy minder dan 15 is %, het percentage ontvangen 75 Gy minder dan 25 is %, het percentage ontvangen 70 Gy is onder de 35% en het percentage ontvangen 65 Gy minder dan 50 is %.
    2. Voor de rectale volume, ervoor zorgen dat het percentage van weefsel ontvangt 75 Gy minder dan 15 is %, het percentage ontvangen 70 Gy bedraagt minder dan 25%, het percentage ontvangen 65 Gy minder dan 35 is % en het percentage ontvangen 60 Gy minder dan 50 is %.
    3. Voor de penile lamp volume, ervoor zorgen dat de gemiddelde dosis onder 52.5 Gy.
    4. Voor de CTV1 en CTV2 target volumes, ervoor zorgen dat ten minste 95% van beide volumes de voorgeschreven dosis krijgt.
18. Als de plannen en de dosis distributies aan aanvaarde dosis beperking richtsnoeren en robuustheid, toestemming van de arts en de plannen exporteren naar het uitvoeringssysteem behandeling.
19. Maatregel om te bevestigen de juistheid van de geplande dosis met Ionisatie kamer arrays, een soort straling detector.
20. De juistheid van de berekening van de dosis met behulp van een secundaire, onafhankelijke dosis calculatiesoftware.
21. Bespreek de meetresultaten, resultaten van de berekening en technische eigenschappen van het plan met een medisch fysicus om kwaliteitscontrole.
22. Genereren van de documenten voor de planning van behandeling en hen goed te keuren door de planning dosimetrist, natuurkundige en begeleidende arts.
23. Exporteer alle behandeling planningsgegevens aan het uitvoeringssysteem van de behandeling voor patiënten behandeling en ga naar stap 4.1 voor de levering van proton therapy.

3. straling behandeling plannen passieve Scatter of Uniform scannen van Proton Therapy:

1. CT simulatie gegevens importeren in de radiotherapie planning systeem.
2. Contour alle relevante geometrische volumes op basis van verworven CT-beelden. Deze structuren omvatten de blaas, rectum, grote darm, kleine darm, femurkoppen, buiten lichaamsoppervlak, fiducials, rectale spacer, en/of endorectal ballon.
3. Maak een extra externe contour. De Boole-bewerking gebruiken om op te nemen van het lichaam, de tabel met behandeling en inrichtingen van immobilisatie. Stralingsdosis zal alleen worden berekend binnen deze contour.
4. Contour CTV1 te nemen van de prostaat, zaadblaasjes en betrokken lymfklieren. De CTV1 zal worden voorgeschreven 45.0 Gy (RBE).
5. Contour CTV2 te nemen van de prostaat en de zaadblaasjes. De CTV2 zal een totale dosis van 34.2 Gy (RBE) worden voorgeschreven.
6. Vouw CTV1 uit 7 mm pPTV1 en pPTV2 maken door CTV2 7 mm in alle richtingen, behalve 5 mm posteriorly uit te vouwen.
7. Balken op de behandeling planningssysteem te richten op pPTV1 en pPTV2 maken. pPTV1 zal worden gericht, met behulp van een straal van één 180° PA terwijl pPTV2 zal worden gericht met behulp van 90° en 270° laterale balken.
8. Blokken voor elke boom met een uniforme marge van 0,5 cm tot pPTV1 en pPTV2 volumes toevoegen.
9. Met behulp van het blok grootte selecteren de kleinste bundel diafragma grootte mogelijk gebaseerd op de grootte van het volume van elke pPTV. De lichtbundel diafragma is de messing aangepaste uitsnede waarin zal worden gehecht aan de snuit gantry aan de laterale randen van de vorm van de lichtbundel van elke proton.
10. Model juiste wax compensator vereist de distale en proximale marges van elke proton boom door het selecteren van de juiste lichtbundel parameters als volgt vorm te geven.
    1. Een bereik onzekerheid invoerwaarde van 3,5% plus een extra 1-2 mm.
    2. Voer de juiste lucht kloof afstand tussen het diafragma en de patiënt.
    3. Glad en smeren van de compensator shape op het gewenste dosis verloop.
    4. Stel de isocenters voor pPTV1 en pPTV2 op dezelfde locatie met het doel van het minimaliseren van de patiënt verschuivingen nodig zijn voor de levering van proton lichtbundel.
11. De dosis met behulp van parameters ingevoerd in stappen 3.10.1-3.10.4 voor zowel de pPTV1 als de pPTV2 target-plannen te berekenen.
12. Bekijk de pPTV1 en de pPTV2 behandeling plannen onafhankelijk en in sommatie om ervoor te zorgen dat zij voldoen aan de Dosisbeperkingen voor prostaatkanker bestraling opgericht door de RTOG 0126 proef¹⁹ en beschreven in stappen 2.17.1-2.17.4.
13. Indien gewenst OAR en target doelen voor dekking van de dosis niet worden gehaald, vervolgens aanpassen blok en compensator parameters in de TPS zoals in stappen 3.8-3.10 totdat de doelstellingen zijn bereikt. Zodra de doelstellingen worden bereikt, arts goedkeuring te verkrijgen en gaat u verder met stap 3.14.
14. Controleer of de nauwkeurigheid van de berekening van de dosis in het goedgekeurde plan met behulp van een secundaire, onafhankelijke dosis berekening softwarepakket.
15. Bespreek de meetresultaten, resultaten van de berekening en technische eigenschappen van het plan met een medisch fysicus om kwaliteitscontrole.
16. De blokken en compensatoren bij de leverancier bestellen.
17. QA de blokken en compensatoren van de leverancier ontvangen.
18. Genereren van behandeling planningsdocumenten en goedkeuren via digitale handtekeningen door de planning dosimetrist, natuurkundige en begeleidende arts.
19. Exporteer alle behandeling planningsgegevens aan het uitvoeringssysteem van de behandeling voor de behandeling van de patiënt en gaat u verder met stap 4.1.

4. straling behandeling levering

1. Controleer op de eerste dag van de behandeling, of dat het plan van de straling komt overeen met de parameters van het plan in de hulpverlening.
2. De behandelkamer voor het reproduceren van de patiënt setup gebruikt tijdens CT simulatie te regelen. Zorgen dat de immobilisatie kussen label overeenkomt met de patiënt ID en vervolgens plaats op de tafel van de behandeling met de juiste indexeren. Plaats de hoofdsteun gebruikt in simulatie aan het hoofd van de tabel.
3. Bevestigen met de patiënt, dat zij de volledige blaas proces voltooid en in een jurk van de behandeling veranderde.
4. Escort van de patiënt in de behandelkamer en plaats hem in liggende positie op de tafel van de behandeling met handen gevouwen op de borst en benen in het kussen immobilisatie.
   1. Invoegen en endorectal ballon opblazen als gebruikt tijdens simulatie.
5. Elektronisch de behandeling tabel te verplaatsen van de belasting-standpunt ten aanzien van de isocenter de patiënt merken dat zijn geplaatst tijdens simulatie worden uitgelijnd. Aanpassen van de tabel om te corrigeren voor eventuele bruto fouten in patiënt positionering zoals toonhoogte, rotatie en yaw.
   1. Zodra de patiënt is goed afgestemd op de simulatie merken, voltooien de verschuivingen van de startpositie aan die bepaald tijdens de dosimetrische behandeling planningsproces uitlijnen van de patiënt om de gewenste behandeling isocenter.
6. Uitvoeren van orthogonale KV imaging om ervoor te zorgen de juiste interne patiënt aanpassing aan bekken beenderen en fiducial markeringen eerder geplaatst door urologie in de prostaat.
   1. Bepalen als positionele aanpassingen nodig zijn op basis van de verworven KV beelden overlappen op digitaal gereconstrueerde röntgenfoto's van de planning simulatie CT-scan. Toepassing noodzakelijke verschuivingen zodat uitlijning.
   2. Als KV beelden buitensporige darm gas tonen, vragen van de patiënt tot uitzetting van de lucht terwijl liggend op de tafel van de behandeling, indien mogelijk, dan uitlijnen en herstellen via een image.
      1. Indien de patiënt niet in staat om release op de tafel van de behandeling, het breken van de behandeling en hebben de patiënten gaan naar het toilet. Nadat de patiënt uit het toilet terugkeert, start u opnieuw het leveringsproces proton uit stap 4.3.
7. Zodra aanvaardbaar KV beelden worden verworven en bevestigd, is een cone beam CT (CBCT) scan voltooid om te beoordelen blaas/rectaal vullen. Extra patiënt positionering aanpassingen op basis van de CBCT-scan toepassen. Als met KV imaging gebaseerde positionering correcties, wijzigingen die zijn aangebracht met behulp van CBCT gegevens toegestuurd rechtstreeks vanuit de grafische console aan de behandeling tabel voor geautomatiseerde toepassing.
   1. Controleer of alle positionele correcties met de behandelende arts vóór het starten van de behandeling op de eerste dag van proton therapy.
8. De levering van de behandeling met hoorbare verificatie tussen twee therapeuten van gantry hoek, monitor eenheden, aantal scannen vlekken en lagen, en snuit positie voor elke hoek van de behandeling te starten. Deze parameters worden weergegeven op de console van de behandeling en in de planningsdocumenten ondertekend door dosimetrie, natuurkunde en de behandelende arts.
9. Na de behandeling, markeren de isocenter behandeling voor dagelijkse uitlijning en verwijder de conflicterende merken.
10. Herhaal stap 4.2-4.9 voor alle latere behandeling breuken.

Resultaten

Beschikbare gegevens suggereert een aanzienlijke voordeel met proton therapie voor bepaalde kankers^20,21. PT kan worden begunstigd voor select pediatrische tumoren, terugkerende kanker in eerder bestraald regio's of andere vormen waar het risico van verwonding van het normale weefsel hoog met foton behandeling is van kanker. Hieronder bespreken we de aanvraag en de voordelen van proton therapie voor prostaat-, borst- en medulloblastoom. Ons doel is om lezers met een beter begrip van de toepassing van proton therapy voor tumoren vaak voor bij mannen, vrouwen en kinderen.

In de Verenigde Staten is prostaatkanker de meest algemeen gediagnostiseerd maligniteit bij mannen en de tweede meest voorkomende oorzaak van kanker sterfgevallen onder mannen. Een geschatte 164,690 nieuwe gevallen in 2018 zal worden gediagnosticeerd, en meer dan 29.000 mannen zal sterven van de ziekte. Niet-gemetastaseerd prostaatkanker patiënten komen in aanmerking voor behandelingsopties, met inbegrip van actieve surveillance, radicale prostatectomie, brachytherapie en externe lichtbundel straling met fotonen of protonen²². Exacte behandelingsbeslissingen bestaan afhankelijk van de anatomie van de patiënt, comorbidities, tumor stadium, arts arrest en patiënt voorkeur.

Straling levering voor vroege fase prostaatkanker is beperkt tot de prostaat klier. In het geval van tussenliggende risico prostaatkanker, zijn ook de proximale zaadblaasjes gericht. Hoewel gedeeltelijke prostaat therapieën worden onderzocht, blijft hele klier therapie de standaard van zorg. Obturator, vooraf sacraal, interne iliac en externe iliac knooppunten zijn vaak opgenomen voor patiënten met ongunstige intermediaire en risicovolle ziekte.

Voorafgaand aan de bestraling planning, fiducial markeringen kunnen worden geplaatst zodat de afbeelding geleide behandeling met behulp van voorbehandeling kilovoltage imaging (dwz., standaard röntgenfoto's)²³. Een hydrogel spacer kan daarnaast ook worden ingevoegd vóór CT simulatie tot een kloof ontstaan tussen de endeldarm en de prostaat aan verdere limietdosis tot de rectale weefsels^24,25. Tijdens de behandeling plannen, moeten patiënten worden gesimuleerd in de liggende positie met het bekken geïmmobiliseerd met behulp van een aangepaste kussen-apparaat. Een rectale ballon kan worden geplaatst op CT simulatie om zowel prostaat beweging en onzekere rectale volume en dichtheid²⁶te beperken. Een comfortabel volledige blaas wordt aanbevolen om de dosis om in de kleine darm en het voorste gedeelte van de blaas²⁷te beperken. MRI simulatie is ook geadviseerd om nauwkeuriger doelgroep volume afbakening²⁶toestaan.

Behandelingen moeten worden ontworpen om te leveren doses van 75.6-79,2 die Gy aan de prostaat, met doses van 45-50.4 Gy voor electieve dekking van knooppunten aanbevolen of zaadblaasje regio's in gevaar van microscopische ziekte verspreiden⁹. Alle breuken worden geleverd eenmaal daags in 1,8 tot 2 Gy per fractie. Voor intermediair en hoog-risico patiënten die een impuls van brachytherapie, moet de stralingsdosis externe straal worden beperkt tot ongeveer 45 Gy. Brachytherapie doses van 110 Gy moeten I-125 lage dosis tarief permanente implantaten worden gebruikt. Met hoge dosis rate brachytherapie geleverd via katheters, bevatten gebruikte boost regimes 13 tot en met 15 Gy x 1 breuk, 8 tot 11,5 Gy x 2 breuken, 5.5-6.5 Gy x 3 breuken en 4.0 tot 6.0 Gy x 4 breuken⁹.

Behandeling plannen dosimetrie is geoptimaliseerd voor het beperken van de dosis aan de blaas, endeldarm en darm. Dosimetrische vergelijkingen tussen foton-versus proton - gebaseerde therapie (dwz., IMRT versus IMPT technieken) verbeterde sparing van doses aan normale weefsels met de laatste benadering²⁸is gebleken.

Prostaatkanker specifieke sterfte is onder 2% op 10 jaar voor mannen met een vroege stadium ziekte²² ongeacht de behandeling geselecteerd. Met dosis-geïntensiveerd RT tonen hoog risico patiënten ook een lage prostaatkanker specifieke mortaliteit van 5% op 9 jaar²⁹. Sterfte blijft laag grotendeels te wijten aan de beschikbaarheid van systemische therapieën die blijft van kracht in de gemetastaseerde setting. Resultaten met zowel IMRT en proton therapie blijven uitstekende^30,31. De studie van de PARTIQoL (NCT01617161) is een voortdurende, gerandomiseerde studie tussen proton lichtbundel therapie (PBT) en IMRT voor laag- en risico-prostaatkanker die hopelijk bepalen zal als een modaliteit superieur boven de andere is.

Borstkanker is de meest algemeen gediagnostiseerd maligniteit in vrouwen en de tweede meest voorkomende oorzaak van kanker sterfgevallen onder Amerikaanse vrouwen. Een geschatte 268,670 nieuwe gevallen zal worden gediagnosticeerd in 2018 en 41.400 vrouwen zal sterven van de ziekte¹. In tegenstelling tot in de prostaatkanker waar de meeste patiënten straling als monotherapie ontvangen, ontvangen borstkankerpatiënten straling postoperatief om het risico van kanker herhaling¹¹. Afhankelijk van de omvang van de operatie vereist, straling kan worden gericht aan de resterende borst na tumor lumpectomie of aan de borstwand na mastectomie^11,32. Regionale lymfklieren in de oksel, supraclavicular en interne borstklier gebieden kan het doelwit indien zij worden geacht op risico voor tumor verspreid.

Behandelingsschema's voor borstkanker patiënten leiden meestal tot eenmaal dagelijkse behandeling, vijf dagen per week. Vroege fase patiënten meestal behandeld met conventioneel gefractioneerde (1.8-2.0 Gy/breuk; 50 Gy totaal) of hypofractionated (2,67 Gy/breuk; 40.05-42.56 Gy totaal) regimes tot en met de hele borst^11,33. Patiënten met meer geavanceerde, maar gelokaliseerde ziekte worden behandeld met conventionele fractionering aan 50 Gy (1.8-2.0 Gy/breuk) aan de hele borst of borst muur en regionale lymfeklieren. Deze doses zijn effectief voor subklinische ziekte die mogelijk aanwezig na de chirurgie.

CT simulatie voor borst kanker radiotherapie is meestal voltooid in de liggende positie. In tegenstelling tot prostaatkanker, worden beide armen overhead ontvoerd om blootstelling van het borst muur of borst weefsel toe te staan. Daarnaast worden een aangepaste rustplaats apparaat en borst-board vaak gebruikt om het immobiliseren van de thorax in een verhoogde positie, zodat het manubrium parallel aan de tabel van de behandeling is. Dit zorgt ervoor dat het weefsel van de borst niet superiorly aan het halsgebied valt.

Blootstelling van het hart tijdens borstkanker is geassocieerd met een verhoogd risico van toekomstige ischemische ziekte³⁴. Dientengevolge, zijn technieken voor het minimaliseren van hart doses van het allergrootste belang. Een benadering is om de dienst van diep-inspiratory adem hold (DIBH) om de intrathoracale ruimte en de afstand tussen het hart en de voorste borst muur/borst te verhogen. Zoals de methode al aangeeft, zal de patiënten die behandeld werden met DIBH schorten hun luchtwegen cyclus en behandeld op het maximale punt van inspiratie. Niet alle patiënten kunnen echter adem houdt lang genoeg om deze techniek toe te tolereren. Bij sommige patiënten, een liggend voordeel kan opleveren en kan toestaan dat het weefsel van de borst te hangen uit de buurt van kritische normale weefsels, met inbegrip van de hart-³⁵. Een nadeel van deze aanpak is de beperking die het plaatsen op de mogelijkheid om de doelregio lymfatische's. Proton therapie kan bereiken grote cardiale dosis sparen zonder de behoefte aan DIBH en gevoelig technieken^36,37.

Proton therapie werkzaam is voor borstkankerpatiënten en blijkt te zijn superieur aan foton gebaseerde technieken met betrekking tot de dosis sparend effect op kritieke structuren zoals de longen en hart³⁸. Een enkel veld potlood straal scannen (PBS) plan met een shifter bereik kan worden gebruikt voor het beheer van proton straling naar de borstwand en de regionale knooppunten. Passieve scatter benaderingen kunnen ook worden gebruikt. Indien meerdere velden zijn verplicht om te behandelen de gehele borstwand en de regionale knooppunten als gevolg van de beperkingen van het veld, moet dan veld matching technieken worden toegepast. Een strategie is om de overeenkomende supraclavicular en borst muur velden vergeleken met een huid-opening van 2-4 mm onder het clavicular hoofd³⁹in dienst. De Veldomlijning worden verplaatst over een afstand van 1 cm op verschillende tijdstippen in de loop van de straling naar het minimaliseren van warme en koude plekken.

Klinische resultaten met borst kanker straling tonen aan een algehele overleving van 50% voor vroege fase ziekte¹¹ en 37% voor lokaal gevorderde patiënten bij 20 jaar follow-up³². Gezien de lange verlossing periode, minimalisering van behandeling gerelateerde toxiciteit is van groot belang. Hoewel proton therapie wordt verwacht tot potentieel lagere toxiciteit van de cardiale risico's, is deze vraag onderzocht in het lopende RADCOMP Consortium proces (NCT02603341), dat is randomizing vrouwen met borstkanker aan foton of proton radiotherapie.

Kanker de tweede meest voorkomende doodsoorzaak bij kinderen in de leeftijd van 1-14 in de Verenigde Staten blijft en wordt slechts overtroffen door ongevallen. In 2018, 10,590 kinderen zullen worden gediagnosticeerd met kanker, en 1,180 zullen sterven voor hun maligniteit¹. Onder deze groep zal de 250-500 patiënten worden gediagnosticeerd met medulloblastoom. De gemiddelde leeftijd bij diagnose van medulloblastoom is 4-6 jaar. Gezien het hoge risico voor cerebrospinaal vocht betrokkenheid en verspreiding (30-40%), is craniospinal bestraling (CSI) standaard van zorg in deze patiënten, met ongeveer 80% overleven met de juiste behandeling.

Medulloblastoom patiënten zijn gelaagde in standaard-risico en met een hoog risico groepen op basis van hun leeftijd, de aanwezigheid van anaplasia of uitzaaiingen, en het bedrag van de resterende tumor na chirurgische resectie. In beide gevallen omvat behandeling postoperatieve straling. RT voor medulloblastoom houdt eerste CSI uitbesteden aan een dosis van 23.4-36 Gy. Extra dosis wordt dan gegeven naar de tumor bed tot een dosis van 50,4-55,8 Gy tot de primaire tumor site⁴⁰. Behandeling planning overwegingen omvatten de beperking van de maximale hoeveelheden de hersenstam en ruggenmerg 54 Gy en 45 Gy, respectievelijk. CSI kan geleverd worden met behulp van foton of proton therapie. CT simulatie en behandeling vaak vereisen verdoving om ervoor te zorgen dat de patiënten niet tijdens behandeling^{41 bewegen zich}.

Als gevolg van de grote gebieden gericht met straling, foton gebaseerde RT technieken leiden tot aanzienlijke bestraling blootstelling aan borst- en buikholte structuren anterior to het ruggenmerg, met inbegrip van de longen, hart, nieren darm en borstkanker. Deze regio's kunnen worden gespaard van overtollige straling met proton therapie (Figuur 3)⁴². PT gebaseerd CSI vereist twee enigszins schuin laterale velden om te bestralen van de hogere cervicale wervelkolom en de hersenen, alsmede één of meer posterior-anterior balken die worden gericht op de lagere regionen van de cervicale, thoracale, lumbale en sacrale wervelkolom. Meerdere velden zijn verplicht, omdat het doel CTV voor CSI omvat de gehele cerebrospinale vloeistof (CSF) ruimte die zich uitstrekt van het hoekpunt van de hersenen tot het spinale kanaal door de cauda equina op het niveau van de S2/S3 Vertebrale kruising (Figuur 3). De lengte van de wervelkolom bepaalt het totale aantal spinale velden nodig voor behandeling. De superieure grens van het bovenste spinale veld komt overeen met de inferieure grens van de craniale velden. Als het veld van de wervelkolom niet de volledige stekel dekken, komt vervolgens een tweede spinale veld overeen met de inferieure grens van het bovenste spinale veld. Dit proces kan worden herhaald als een derde veld vereist voor groter patiënten is. Voor patiënten onder de leeftijd van 15, wordt de voorste rand van de velden van de wervelkolom uitgebreid tot de gehele Vertebrale organen om ervoor te zorgen een homogene dosis tot been nodig om te voorkomen dat toekomstige groei abnormaliteiten in de ontwikkelingslanden skelet. Voor degenen ouder dan 15, wordt de veldrand anterior wervelkolom 2-3 mm buiten het spinale kanaal verlengd naar de wervelkolom.

Zowel passieve spreidings- en PBS technieken hebben gebruikt voor CSI^42,43. Specifieke doelen van CSI therapie omvatten homogene stralingsdosis aan de cerebrospinale vloeistof (CSF) aan de onderkant van de thecal oss (S2 of S3), volledige dosis aan de voorste schedel basis en cribriform plaat, minimalisering van dosis aan optische structuren, beperking van de schildklier niet meer dan 5% van de voorgeschreven dosis en minimalisering van de dosis tot en met de slokdarm⁴³.

Planning van de behandeling van de passieve scatter begint meestal met de oprichting van craniale velden. Bereik compensatoren met handmatige bewerking nodig zijn vaak om een homogene dosisverdeling in de hersenen terwijl het beperken van de dosis aan de ogen en het slakkenhuis. Voor spinale velden zijn compensatoren verdikt op het niveau van de schildklier om te minimaliseren van de dosis. Speciale aandacht besteed dan aan veld kruispunten tussen de velden craniale en spinale en tussen meerdere spinale velden wanneer dit nodig is. Het junction gebied wordt gedefinieerd als de 1,25 tot 1,5 cm lengte waar de velden aan. De kruising is verschoven in de richting van craniale of caudal wekelijks om ontwikkeling van warme of koude dosis gebieden te voorkomen. In het ideale geval wordt afwijking van de dosis gehouden tussen 95-108% van de voorgeschreven dosis. Veld weging, diafragma bewerkingen en compensator bewerkingen zijn allemaal werkzaam op het bereiken van dit doel⁴³.

Onderzoekers van het MD Anderson Cancer Center hebben een stapsgewijze strategie ontwikkeld voor CSI planning⁴². Deze benadering heeft betrekking op de ontwikkeling van een plan van de MFO voor de behandeling van de craniale en lagere wervelkolom velden gevolgd door de oprichting van een SFO-plan voor de thoracale wervelkolom. Dosis verlopen worden gebruikt op gebieden van de kruising. Het SFO plan vervolgens gekopieerd naar het oorspronkelijke plan van de MFO om een definitieve, samengestelde MFO plan te ontwikkelen. Wervelkolom kruispunten zijn eens verschoven door 2 cm over een 4-weekse cursus van behandeling. In vergelijking met passieve scatter CSI, PBS gebaseerd CSI biedt aanzienlijke verlagingen van de stralingsdosis lenzen en slakkenhuis parotide klieren maar ten koste van de toegenomen schildklier dosis⁴².

Medulloblastoom patiënten kunnen verwachten evenement gratis overlevingscijfers van 60-80%, afhankelijk van het risico strata⁴⁴. Gezien het grote gebied van bestraalde weefsel met CSI en de gevoelige aard van pediatrische patiënten, de risico's op lange termijn neveneffect zijn aanzienlijk en omvatten Neurocognitieve verzwakking, secundaire maligniteiten, hypofyse dysfunctie, gehoorverlies, hart-en vaatziekten , onvruchtbaarheid, hypothyreoïdie, vasculopathy, droge ogen, staar vorming, verlies van de visie en straling necrose/myelitis. Daarom, proton gebaseerde CSI kan bieden een aanzienlijke voordeel voor veel patiënten.

Figuur 1: diepte dosis curven voor radiotherapie. Dosis distributies als een functie van de diepte in water voor verschillende klinische straling balken weergegeven. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Afbeelding 2: vergelijking van proton en foton borst straling. Procent dosis distributie voor een patiënt met lokaal gevorderde borstkanker ontvangen van de therapie van de straling met IMRT (A, B) of protonen (C, D) en demonstreren van aanzienlijke straling verlaging van de dosis tot het hart en longen met protonen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Figuur 3: vergelijking van proton en foton craniospinal straling. Procent dosis distributie voor een patiënt met medulloblastoom ontvangen craniospinal bestraling met protonen (A) of IMRT (B) en demonstrerende aanzienlijke straling dosis verlaging tot intra-thoracale en intra-abdominale regio's met protonen. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

	Foton	Proton
Particle Type	Boson	Samengestelde Fermion
Gratis [C]	0	+1.602 x 10-19
Massa [kg]	0	1.672 x 10-27
Spin	1	1/2
Energy† [MeV]	0.1 - 25	10 - 250
Gemeenschappelijke bronnen	Lineaire versneller, Co-60 radio-isotopen, röntgenbuis	Cyclotron of Synchrotron Accelerator
Afleveringsmethoden	Collimated massief balken, Multileaf collimator, intensiteit modulatie, bogen	Passieve verstrooiing, magnetische Scanning
† Energiebereik meestal gebruikt voor de behandeling van menselijke kankers

Tabel 1: Vergelijking van proton en foton straling.

Discussie

Straling behandeling planning en levering voor kanker is een sterk aangepaste proces afgestemd op elke individuele patiënt en zijn/haar bijzondere kanker. Moderne bestraling is een beeld-geleide interventie gebaseerde CT-beelden verkregen tijdens een aangepaste straling planning simulatie. CT beeldvorming is verplicht, omdat het 3-dimensionale (3D) anatomische informatie bevat over de patiënt, evenals precieze kwantificering van de dichtheid van het weefsel op verschillende locaties in het lichaam die nodig voor de berekening van de dosis zijn. Tijdens de CT beeldvorming, wordt de patiënt aan een gemotoriseerde tabel geplaatst. Verschillende mechanische immobilisatie apparaten worden meestal gebruikt patiënt verkeer beperken tijdens imaging en tijdens de daaropvolgende RT levering. Afhankelijk van de vereiste nauwkeurigheid, deze apparaten kunnen variëren van eenvoudige schimmel-type kussens en kunststof mazen, die voldoen aan de patiënt oppervlakte en vervolgens harden te beperken van beweging, om meer invasieve hulpmiddelen zoals rigide schedel-apparaten die worden geboord in plaats. De vereiste nauwkeurigheid van de immobilisatie-apparaat is vaak ingegeven door de nabijheid van de tumor weefsel naar nabijgelegen kritische structuren. Als voorbeeld, de meest invasieve immobilisatie apparaat, een hoofd halo geboord in plaats, wordt soms gebruikt als één millimeter precisie is nodig voor de behandeling van een tumor in de buurt van de ogen of de optische zenuwen om te minimaliseren van de kans op blindheid die zich kan voordoen tussen de patiënt gaat in een verkeerde positie tijdens de behandeling.

CT beeldvorming van informatie wordt ook gebruikt voor het optimaliseren van interne normale weefsel anatomie. Blaas distentie wordt bijvoorbeeld vaak gebruikt om te minimaliseren van blaas en kleine darm dosis blootstelling van bestraling van de prostaat, zoals in het bovenstaande protocol. Op dezelfde manier als de maag is het met name opgezwollen met voedsel tijdens simulatie voor de bovenste buikspieren bestraling (bijvoorbeeld maag, lever, distale slokdarm), is de patiënt opnieuw gesimuleerde na waardoor het voedsel naar de maag en darmkanaal passeren . Dit zal de maag verkleinen en verminderen de kans op blootstelling aan straling tijdens de radiotherapie van bovenste abdominale tumoren. In gevallen waar de maag of de blaas zelf zijn straling doelstellingen, kan worden opzettelijk opgezwollen of voor het optimaliseren van de dosisverdeling geleegd.

In sommige gevallen een tumor is niet voldoende of op een betrouwbare manier gevisualiseerd op CT maar nauwkeuriger kan worden geïdentificeerd door een MRI of een PET-scan. In dergelijke gevallen zijn de PET of MRI scans gebruikt als aanvulling op CT gegevens sinds de laatste nog steeds vereist voor de berekening van de dosis is. Dit wordt bereikt door het registreren van de MRI en huisdier afbeeldingen tot CT afbeeldingen voor de planning van de therapie. MRI-scans bieden vaak veel meer visueel contrast en een hogere resolutie dan CT, die gunstig zijn wellicht voor het identificeren van de grenzen van de dunne, zachte-weefsel van een tumor zoals die in de hersenen of de lever. PET biedt een functionele weergave van de verdeling van de tracer radioactief gelabelde moleculen geïnjecteerd in de patiënt.

Sommige tumoren ontstaan in de gebieden van de thorax of abdomen waar zij aanzienlijk met ademhaling circuleren kunnen. Om de rekening voor deze motie om straling nauwkeurigheid te garanderen, kan een 4-dimensionale CT, een soort "movie-mode" CT beeldvorming, worden gebruikt om vast te leggen van de 3D patiënt anatomie zoals na verloop van tijd tijdens de ademhaling verandert. Voor sommige doelen van borst- en buikholte, mogen compressie riemen of andere vormen van beweging mitigatie worden gebruikt tijdens therapie te beperken beweging en onzekerheid over de tumor locatie⁴⁵beperken.

Zodra de patiënt wordt gesimuleerd voor behandeling, is een gepersonaliseerde behandelplan ontwikkeld met de behandeling van de kanker histologie, locatie van de tumor en anatomische kenmerken, die invloed hebben op de optimale configuratie van straling balken, partikeltypen, energieën, en dosisniveaus voor elke individuele patiënt. Voor elke patiënt, zijn een aantal basisvragen aanvankelijk overwogen door het klinische team om een optimale behandelingsplan te ontwikkelen. Als uitgangspunt, moet de meest geschikte vorm van straling worden geselecteerd. Opties omvatten fotonen, elektronen en protonen. Dit wordt meestal gevolgd door de selectie van beam angle(s) voor levering van straling. Meeste RT machines omvatten een robotachtige patiënt positionering van de tabel en een roterende gantry waarmee RT balken worden omgeleid naar de patiënt door vrijwel elke hoek. Het besluit betreft het vinden van het pad dat zo effectief mogelijk het doelwit met RT stakingen en best vermijdt niet-doelstellingen die opgenomen in het pad van de geselecteerde balken zijn. In sommige gevallen worden lichtbundel hoeken bepaald door het planningssysteem zelf na het invoeren in de doelstellingen van de straling voor tumoren en normale weefsels. Dit proces heet "omgekeerde planning" en wordt vaak gedaan in het geval van IMRT, waarbij het moduleren van de intensiteit van meerdere, inkomende straling balken in een tijd-afhankelijke manier die biedt een uniforme doel dosis maar kan leiden tot zeer niet-uniforme dosis buiten de doelstelling. Hoewel zowel foton of proton therapie mogelijk intensiteit gemoduleerde, omgekeerde planning wordt gebruikt grotendeels in foton gebaseerd IMRT uitsluitend. Als solide straling balken worden gebruikt moeten, kunnen aangepaste metalen collimator zodat deze overeenkomen met de vorm van een bundel van straling met de vorm van de tumor worden vervaardigd.

Als proton therapie is ingeschakeld, moet een beslissing worden gemaakt met betrekking tot het gebruik van passieve scatter of PBS technieken. In het geval van PBS is een aanvullende beslissing vereist met betrekking tot het gebruik van MFO of enkelvoudige optimalisatie/enkelvoudige uniforme dosis (SFO/SFUD) strategieën. In MFO behandelingen zijn meerdere balken verplicht om een tumor tijdens elke breuk worden behandeld, aangezien elke boom alleen richt zich op een deel van de doelgroep. Daarentegen voor SFO plannen, elke bundel heeft betrekking op de hele doelgroep. MFO is vaak favoriet voor tumoren in de buurt van een kritische structuur (bijv., hersentumor in de buurt van de oogzenuw) waar een scala aan lichtbundel hoeken kan zijn om te beeldhouwen stralingsdosis. MFO strategieën ook zorgen dat alle straling balken/vlekken niet "bereik" in het zelfde gebied waar de dosis onverwacht hoge als gevolg van de Bragg piek-effect zou kunnen zijn. Aan de andere kant, is SFO favoriet voor doelen in de buurt van gebieden van anatomische onzekerheid, zoals de prostaat die als gevolg van differentiële blaas en rectale vullen bewegen kan. SFO biedt verbeterde robuustheid tegen dosis veranderingen als gevolg van anatomische afwijkingen.

Zodra de basisstrategie van de planning, wordt besloten impliceert de volgende fase van de planning van de behandeling typisch wiskundige optimalisatie van de straling velden. De energie-intensiteit en de ruimtelijke spreiding (ruimtelijk variërend flux) van de inkomende straling zijn meestal gratis parameters in optimalisatie. Samen met de grote 3D matrix vertegenwoordiging van de patiënt anatomie door CT leiden deze vrije variabelen tot een zeer groot probleem grootte en bijbehorende grote optimalisatie matrices (bijvoorbeeldCT waarden duizenden en duizenden mogelijke lichtbundel intensiteiten moeten worden beschouwd). Deze matrices zijn ingelijst in een functie van de doelstelling, die is een wiskundige formulering van de "doel van de behandeling van plan". Zoals hierboven vermeld, behandeling doelstellingen hebben prioriteit om het eerst de voorgeschreven dosering naar het doel te bereiken, en ten tweede om zo laag van een dosis als is mogelijk om de normale weefsels. Om te minimaliseren van de functie van deze doelstelling, hoge rekenkracht is gewenst snel berekeningen RT vervoer die de matrices bevolken, en numerieke optimalisatie methoden, zoals verloop-zoektocht algoritmen, worden gebruikt voor het snel zoeken naar lokale minima in de functie. Deze minima komen overeen met de optimale behandeling plannen voor elke unieke patiënt. De rol van computers bij de planning van de behandeling kan niet worden overschat. Moderne bestraling en radiodiagnostiek zou niet mogelijk zijn zonder de computer ontwikkelingen van de afgelopen drie decennia.

Als laatste fase, wordt de geoptimaliseerde behandelplan gecontroleerd door het medische team (arts, dosimetrist en natuurkundige). In veel gevallen, kan het plan worden aangepast verder of opnieuw geoptimaliseerd met uiteenlopende doelstellingen ter verbetering van de algehele kwaliteit. Zodra het plan is vastgesteld dat optimale, worden de technische parameters van het plan beoordeeld door een natuurkundige en overgedragen aan de behandeling levering machine.

In veel gevallen retourneert de patiënt voor meerdere behandeling breuken (sessies), vaak elke weekdag voor enkele weken. Meerdaags fractionering kan intensifiëren acute straling veroorzaakte bijwerkingen maar potentieel laat, meer ernstige bijwerkingen van RT in vergelijking met single-fractie behandeling¹²kan verminderen. Multi fractie benaderingen zijn optimaal voor tumoren die snel delen of onbekwaam subletale om schade te herstellen van RT. Echter hangt dit af van de plaats van de precieze behandeling en de gevoeligheid van de nabijgelegen normale weefsels. Aangezien het doel van straling behandeling levering is voor het beheer van de dezelfde behandeling tijdens elke breuk, kunnen zelfs een paar millimeter van beweging of onzekerheid in het standpunt van de patiënt leiden tot de afbraak van het deeltje therapie behandelingsplan. Om deze reden aan boord afbeelding begeleiding systemen zijn van het allergrootste belang tijdens multifraction RT. X-ray imagers, cone beam CT scans of optische, laser-scanning oppervlakte imagers zijn beschikbaar voor dit doel. Deze apparaten mogelijk beeld-geleide radiotherapie (IGRT) via de beeldvorming van anatomische monumenten, tumor doelen of surrogaat radio-dekkend fiducial markeringen. De beelden van de IGRT zijn in vergelijking met de oorspronkelijke scans van de simulatie en aangepast zo nodig vóór elke fractie van straling.

Ondanks het voordeel van de eindige reeks van proton therapy, waardoor de afrit dosis wordt beperkt, is de precisie van bereik voorspelling meestal gezien bij de planning van de behandeling over de volgorde van een paar millimeter. De exacte energieverlies in verschillende weefsels en patiënt is onzeker, ten eerste, aangezien de exacte moleculaire componenten van het weefsel dubbelzinnig zijn, en, ten tweede, aangezien de patiënt anatomie na verloop van tijd verandert, zowel over tijdschalen (b.v. ademhaling korte) en langere termijnen (bijvoorbeeldgewichtsverlies, tumor krimp, normale anatomie wijzigingen). Om aan deze onzekerheid, wordt een "distale marge" toegevoegd aan het doelvolume thats een bijkomende marge normaal weefsel net voorbij de maximale tumor diepte. Een dergelijke marge zorgt ervoor dat zelfs met de onzekerheid in de voorspelling van het bereik, de diepte van de hele tumor wordt behandeld met het hoge vertrouwen. Helaas, de marge normaal weefsel kan dientengevolge worden blootgesteld aan de volledige RT dosis, die tot significante bijwerkingen van de RT in dat weefsel leiden kan. Daarentegen als fotonen niet stoppen maar eerder het doel verlaten, is geen dergelijke distale marge nodig om te compenseren bereik onzekerheid. Een geometrische marge wordt nog steeds gebruikt in foton therapie adres positionele onzekerheid van het doel, maar de fotonen zijn veel minder gevoelig dan protonen voor de precieze status van geduldige weefsels stroomopwaarts van het doel. De vereiste marge kan soms dus kleiner voor fotonen dan protonen. Dit kan worden begrepen door te overwegen dat protonen ondergaan continu energieverlies in weefsels die grote invloed hebben op de positie van hun verspreidingsgebied, overwegende dat fotonen ongeladen en vrij in de lege ruimte tussen atomen en hun orbitalen, met uitzondering van zeldzame reizen botsingen met elektronen of kernen. Grote dichtheid verschillen in weefsel, bijv., metalen objecten of lucht Holten, echter nog steeds invloed hebben op foton dosis evenals proton dosis, maar een lagere magnitude.

Een laatste en belangrijke onzekerheid heeft betrekking op de stralingsbiologische effectiviteit (RBE) van verschillende vormen van straling. De RBE is de verhouding van de doses, van een type verwijzing straling en een test straling type, onder de voorwaarde dat beide soorten straling hetzelfde biologische effect produceren. Hoe hoger de RBE, hoe meer de straling per eenheid van energie afzetting in weefsel te beschadigen. De RBE coëfficiënt wordt gedefinieerd met betrekking tot foton straling. Ondanks deze duidelijke beschrijving is er eigenlijk grote onzekerheid met betrekking tot de RBE waarden voor geladen deeltjes in tegenstelling tot fotonen. Verschillen in de ruimtelijke dosis distributies fotonen en geladen deeltjes op de schaal micrometer en nanometer leiden tot verschillen in biologische effect, zelfs wanneer de macroscopische doses identiek zijn. Dit kan worden begrepen door het onderzoek van de ruimtelijke patronen van DNA-beschadiging na blootstelling aan geladen deeltjes op verschillende doses en verschillende kinetische energie. Verschillende kinetische energie en verschillende tarieven van protonen (+ 1) en koolstof ionen (+ 6) leiden tot de verschillen in de energie-overdracht op verschillende diepten in de patiënt, terwijl voor fotonen, de energieoverdracht relatief lager en ook meer homogeen in de gehele is de patiënt. Terwijl theoretisch begrepen, is er belangrijke debat in de Gemeenschap van de oncologie straling over het vermogen om nauwkeurig te voorspellen dergelijke biologische effecten. Voor ion koolstoftherapie is er een gebrek aan consensus over de beste manier om deze biologische effecten, model al heerst de opvatting dat dergelijke effecten om therapie moeten worden gemodelleerd. Voor protonen, meest klinische centra momenteel van plan therapie zonder expliciete modellering van RBE effecten, met uitzondering van met behulp van een constante correctiefactor van 1.1, maar dit zal waarschijnlijk veranderen in de nabije toekomst als nieuwe commerciële behandeling planningssystemen te beginnen biologische omvatten modeling softwaretools om het model van de RBE van proton therapy.

Met de voltooiing van gerandomiseerde trials, met inbegrip van RADCOMP, PARTIQoL en RTOG 1308, moeten we meer concrete antwoorden welke vormen van straling mogelijk superieur voor borst-, prostaat- en longkanker, respectievelijk. Soortgelijke studies zijn gepland voor andere ziekte-sites die u helpen kunnen om beter het identificeren van de beste behandeling modaliteit voor het typen van deze tumor. Er is echter al voldoende gegevens om te suggereren de superioriteit van protonen in bepaalde instellingen, met name bij de pediatrische populatie, waar aanzienlijke normale weefsel sparen sterk morbiditeit van toxicities verminderen kan, met inbegrip van secundaire maligniteiten.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel

Naam	Bedrijf	Catalogusnummer	Opmerkingen
Proton beam cyclotron and gantry delivery system	Varian	N/A	Maakt de generatie en levering van protonen voor radiotherapie mogelijk
kVUE One Proton Couch Top	Qfix	RT-4551KV-03	Staat patiëntplaatsing voor radiotherapie toe
CT simulator met 4D-scancapaciteit	GE	N/A	Staat CT-simulatie voor stralingsplanning toe
100" x 70" Qfix VacQfix Cushion	Qfix	RT-4517-10070F30	Immobiliseert de patiënt voor een nauwkeuriger stralingsbehandeling
Timo Foam Head Support	Qfix	RT-4490-F	Zorgt voor minimalisatie van hoofdbeweging tijdens radiotherapie
3 CT Localizers Localization Markers	Beekley Medical	REF 211	Zorgt voor overeenstemming van externe markers en interne patiëntanatomie vanaf CT-simulatie
VacQfix Indexer	Qfix	RT-4517-IND01	Zorgt ervoor dat VacQfix-kussenplaatsing reproduceerbaar is voor elke stralingsbehandeling
Straalverwerkingsplanningssoftware	Raystation	N/A	Staat gepersonaliseerde stralingsplanning toe voor elke tumor met robuuste optimalisatie en multicriteria optimalisatie
Proton Range Compensator	.Decimal	RC-AC 1018	Regelt het bereik van de protonenstraal om distale dosisconformiteit te bereiken
Proton Beam Aperture	.Decimal	AP-BR 1800	Vormt het behandelingsgebied van de protonenstraal
Proton Range Shifter	.Decimal	RS-AC 1018	Regelt de penetratiediepte van het protonenstraalweefsel
Endorectal Balloon	Radiadyne	ILG-90F	Zorgt voor uniforme rectale vulling en prostaatpositionering