Methodenartikel

Methodologische implementatie van bestralingssystemen voor kleine dieren voor beeldgestuurde preklinische studies

DOI:

10.3791/71605

⸱

21 augustus 2026

 ,  ,  ,  ,  , 
1Department of Radiation Oncology, WashU Medicine

* These authors contributed equally

In dit artikel

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit protocol beschrijft de methodologische implementatie van twee bestralingssystemen voor kleine dieren voor beeldgestuurde preklinische radiatiestudies. Het schetst de systeemconfiguratie, beeldgevingsworkflows, procedures voor behandelplanning en overwegingen voor de toediening van bestraling om reproduceerbare en klinisch relevante experimenten met kleine dieren te ondersteunen.

Samenvatting

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Preklinisch radiobiologisch onderzoek is essentieel voor het verdiepen van het begrip over hoe verschillende kenmerken van stralingsbestraling biologische reacties beïnvloeden en voor het optimaliseren van behandelstrategieën voor uiteenlopende doelgebieden. De precisie, reproduceerbaarheid en translationele relevantie van deze studies zijn afhankelijk van de juiste implementatie van platforms voor beeldgestuurde bestraling van kleine dieren die klinische workflows voor radiotherapie nauwkeurig modelleren. Het huidige artikel beschrijft de praktische werking van twee veelgebruikte beeldgestuurde preklinische radiotherapiesystemen die worden ingezet voor hoogprecisiebestraling van kleine dieren. Hoewel beide platforms zijn ontworpen om conforme straling met beeldgeleiding toe te dienen, verschillen ze in belangrijke technische kenmerken, waaronder de specificaties van de röntgenbuis, de afstand van bron tot as (SAD), de bundelcollimatie, afschermingsmechanismen, de mechanische geometrie en de software voor behandelplanning. Deze verschillen beïnvloeden de systeemconfiguratie, de bestralingsworkflows en de toediening van de behandeling. Door de methodologische overwegingen en operationele procedures voor beide platforms te schetsen, biedt dit protocol onderzoekers praktische richtlijnen voor het ontwerpen, implementeren en reproduceren van translationeel relevante preklinische bestralingsexperimenten.

Inleiding

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Kanker behoort tot de belangrijkste doodsoorzaken ter wereld1. Radiotherapie, chirurgie en chemotherapie zijn de belangrijkste behandelingen voor kanker2. Er wordt geschat dat ongeveer de helft van alle kankerpatiënten stralentherapie nodig heeft voor hun behandeling3. Preklinische studies op diermodellen, gewoonlijk ontworpen om de veiligheid, biologische mechanismen en therapeutische effectiviteit van een behandelmethode te evalueren, vormen de basis voor de ontwikkeling van klinische trials met het oog op de uiteindelijke klinische vertaling van nieuwe behandelstrategieën. Beeldgestuurde bestralingssystemen voor kleine dieren zijn essentiële instrumenten geworden in de preklinische radiotherapie, omdat ze conformale, gelokaliseerde bestraling van tumoren en risico-organen (OARs) mogelijk maken met geometrieën en workflows die bedoeld zijn om de klinische stralingsafgifte en behandelplanning te benaderen4,5,6. Volgens een recente review7 is het aantal artikelen over beeldgestuurde radiotherapie bij kleine dieren toegenomen van minder dan 10 per jaar in 2007–2010 tot bijna 80 in 2020. De artikelen over fysica en biologie beslaan onderwerpen variërend van dosimetrie en behandelplanning tot de respons van tumoren en normaal weefsel7. Het algemene doel van dit protocol is om een fysiek onderbouwd kader te bieden voor het vergelijken van twee veelgebruikte bestralingsplatforms voor kleine dieren, om zo een geïnformeerde selectie van het platform te faciliteren die reproduceerbare en klinisch relevante preklinische bestralingsstudies ondersteunt. Systeem 1 is het Small Animal Radiation Research Platform (SARRP) en Systeem 2 is het Precision Small-Animal Radiation Therapy (SmART+) platform. De rationele voor het gebruik van deze systemen is dat radiobiologische studies in toenemende mate reproduceerbare targeting, lokalisatie op basis van computertomografie (CT)8,9 en veldvorming vereisen die een superieure conformiteit van het plan bieden, terwijl klinisch relevante paradigma's zoals hypofractionering, gedeeltelijk volume-bestraling en orgaanbesparende strategieën mogelijk worden gemaakt. Bij radiotherapie moet een nauwkeurig evenwicht worden bewaard tussen de dosis voor het behandelmogelijk en de OARs, wat een uitgebreid begrip van de betrokken radiobiologische mechanismen vereist10,11. Om het begrip van de respons van kankers en gezond weefsel op straling verder te verbeteren, zijn een hoge nauwkeurigheid, reproduceerbaarheid en precisie bij de dosisafgifte essentieel bij het gebruik van bestralingssystemen voor kleine dieren in preklinische studies.

Hoewel beide systemen werken met kilovoltages röntgenstralen tot 225 kVp, zijn er belangrijke verschillen in hun opstelling (zie Figuur 1) die speciale overwegingen voor bepaalde experimenten kunnen vereisen. Systeem 1 heeft een bron-asafstand (SAD) van 35 cm en maakt gebruik van een stage-centrische cone-beam CT-benadering, waarbij het object moet roteren tijdens het scannen. Systeem 2 heeft een kortere SAD van 30 cm en maakt gebruik van een gantry-gebaseerd toedieningssysteem, waarbij de straal rond het object moet roteren voor het scannen. Tot op heden is Systeem 1 gebruikt voor het bestralen van muizen en ratten, en Systeem 2 (inclusief oudere versies) voor het bestralen van muizen, ratten en kanaries12,13,14. Een volledig protocol voor beeldvorming, behandelplanning en behandeltoediening duurt ongeveer 30 min per subject op deze systemen. De workflow kan echter worden verkort, afhankelijk van het gevolgde protocol. Zo kunnen bepaalde protocollen het gebruik van één generiek plan voor alle dieren in een batch toestaan, waardoor de stap van de behandelplanning wordt overgeslagen en de totale experimenttijd wordt verkort. Inzicht in hoe verschillen tussen bestralingsapparaten de dosisvoertsnelheid, velddefinitie, geometrische speling en workflowbeperkingen beïnvloeden, biedt een basis voor het kiezen van het systeem dat het beste aansluit bij de technische en experimentele behoeften. Een overzicht van de belangrijkste fysische en operationele specificaties voor Systeem 1 en Systeem 2 wordt gegeven in Tabel 1.

Een samenvatting van de algemene workflow voor een typische studie met bestraling van kleine dieren wordt gepresenteerd (zie Figuur 2). Dit protocol beschrijft de methodologische implementatie van Systeem 1 en Systeem 2 voor beeldgestuurde preklinische radiatiestudies. Het schetst de systeemconfiguratie, imaging-workflows, procedures voor behandelplanning en overwegingen voor de toediening van bestraling om reproduceerbare en klinisch relevante experimenten met kleine dieren te ondersteunen.

Protocol

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Alle dierstudies werden uitgevoerd met goedkeuring van de Institutional Animal Care and Use Committee (IACUC). De gebruikte reagentia en apparatuur staan vermeld in de Tabel met Materialen.

1 Systeem 1

  1. Opwarmfase (17,5–72 min)
    OPMERKING: Tijdens de installatie en inbedrijfstelling dient de stralingsbeschermingsfunctionaris (RSO) van de instelling een stralingsmeting uit te voeren om te bevestigen dat de stralingslekkage buiten de behuizing onder de drempelwaarden voor de dosis per uur en de dosis per week ligt. Voordat het systeem wordt ingeschakeld, dient de gebruiker de stralingsveiligheidsinstructies te volgen die zijn verstrekt door de RSO van de instelling.
    1. Begin met de Module Processor (MP1) sleutel op de 0-positie (9 uur). Druk op de System 1-machine op de groene start knop. Zet de knoppen voor de kastverlichting en de lasers op 'aan'. Draai de MP1-sleutel naar de standby-positie (12 uur).
    2. De MP1-datalogcontroller kan 810 (17,5 min) of 811 (72 min) weergeven, afhankelijk van wanneer het apparaat voor het laatst is gebruikt. Als er geen opwarmprogramma wordt weergegeven, selecteer dan Set en druk op enter 810Druk op Voer in.
    3. Plaats het koperen filter van 0,15 mm (zie Figuur 3) in de filtersleuuf van de gantrykop. Plaats de 0,5 mm collimator in de houder en draai de schroef aan om deze te fixeren.
    4. Draai de MP1-sleutel naar de positie voor hoge energie (3 uur). Selecteer de groene Röntgenstraling aan knop om de warming-up te starten.
  2. Homingsequentie en detectorkalibratie (5 min)
    1. Openen Software 1 (zie Tabel 1).
    2. Een pop-upvenster zal vragen om de rotatietafel aan te passen. Druk op Ik sta klaar om uw teksten te vertalen. Voer de brontekst in die u naar het Nederlands wilt laten vertalen. en wacht tot de tafel zich naar de nulpositie heeft bewogen.
    3. Zorg ervoor dat in Software 1 het vakje “Motors Enabled” is aangevinkt.
    4. Wacht tot het bericht „Homing Complete” wordt weergegeven.
    5. Onder beeldvorming en Robotbesturing, type 90 in het Gantry-aanvraagvak en druk op Verplaatsen.
    6. Open de kastdeur van Systeem 1. Schuif de afdekking van het CT-venster omhoog en trek de CT-unit naar voren tot deze vastklikt. Controleer of alle brancards van het platform zijn verwijderd. Schuif de collimator en houder uit de gantrykop om deze te verwijderen. Plaats het aluminium filter van 1 mm voor de beeldvorming.
    7. In Software 1 onder Techniekvoorinstellingenselecteer CT-beeldvorming bij muizen en druk op Toepassen.
    8. Selecteer in de werkbalk Detector en Detectorcalibratie om de kalibratie te starten.
  3. Cone-beam CT-beeldvorming voor muizen (10 min, inclusief anesthesie)
    1. Plaats de muis in een behuizing om deze te anesthetiseren volgens de specificaties in het goedgekeurde onderzoeksprotocol.
    2. Open de kastdeur. Plaats de couch op het platform en zet deze vast door de schroef aan te draaien. Plaats het knaagdierbed op de couch en zet dit vast met tape. Bevestig de isofluraanslang aan het hoofdeinde van het bed en zet het gas aan.
    3. Plaats de muis in buikligging of rugligging op de bedplaat, overeenkomstig het experimentele protocol.
    4. In Software 1 onder Beeldvorming en robotica-aansturingselecteer de map voor de hoofdonderzoeker en de studie. Selecteer CBCT-acquisitie.
    5. Geef de scan een naam. Selecteer het gewenste reconstructieprotocol, het aantal 2D-projecties (standaard 360) en de tafelsnelheid (standaard 1,5 graden/s). Selecteer Houdt u rekening met het feit dat er geen brontekst is verstrekt om te vertalen. Voer aub de Engelse tekst in die u naar het Nederlands vertaald wilt hebben.Houd het webcambeeld op het softwarescherm in de gaten om er zeker van te zijn dat er geen botsingen plaatsvinden. Als een botsing onafwendbaar lijkt, druk dan op Stop om het portaal te stoppen.
  4. Behandeling (10 min)
    1. Zodra de beeldvorming is voltooid, sluit u het venster van Software 2. Open Software 3Onder Experiment, selecteer de map van de hoofdonderzoeker. Onder Scannenselecteer het muisnummer en druk op Belastingsreconstructie.
    2. De CBCT wordt in 3 panelen geladen. Druk op Venster aanpassenHoud de linkermuisknop ingedrukt, beweeg de cursor over de afbeelding en sleep deze naar beneden en naar links om het window van de CT aan te passen.
    3. Zodra de densiteiten zijn aangepast, gebruikt u de rechtermuisknop en sleept u deze naar beneden om het beeld te vergroten. Druk op het scrollwiel en sleep om te pannen. Controleer de beeldkwaliteit door te bevestigen dat er geen artefacten nabij het doelgebied aanwezig zijn en dat het doelgebied kan worden onderscheiden van de omliggende OAR's. Wanneer u tevreden bent, drukt u op Registeren.
    4. Indien er gebruik wordt gemaakt van een vooraf opgesteld plan, onder Selecteer referentieplanzoek en laad het plan, en druk vervolgens op CreërenIndien u een nieuw plan opstelt, laat dan de Selecteer referentieplan veld als U heeft geen tekst opgegeven om te vertalen. Voer aub de brontekst in die u naar het Nederlands vertaald wilt hebben..
    5. Selecteer Contouren definiërenOnder Segmentatiedrempelspas de segmentatiedrempelwaarden voor lucht, long, vet, weefsel en bot aan. Selecteer onder 'Edit Contours' voor elk relevant orgaan de optie 'Add' en omtrek het orgaan met het 'Paint'-instrument. Pas de diameter van de penseel naar wens aan. Een orgaan kan per plak worden omtrokken en vervolgens worden geïnterpoleerd, of worden omtrokken met het 'sphere brush'-instrument.
    6. Selecteren BehandelplanningIndien er gebruik wordt gemaakt van een vooraf opgesteld plan, schuift u elk isocentrum naar het centrum van het doelorgaan en past u dit in alle drie de weergaven aan. Indien er een nieuw plan wordt gemaakt, onder Doelen, druk op de groen plus markeer elk gewenst isocentrum en verplaats het isocentrum naar het doelwit.
    7. Stel voor elk doelwit de dosis in door dubbel te klikken op de Dosering veld. Onder Balken, druk op de green plus onderteken met een a B om een statische balk of de green plus tekener met een A om een boog toe te voegen. Stel het straalgewicht, de collimator en de gantryhoek voor elke straal in. Selecteer dat om een straal voor een ander isocentrum toe te voegen isocentrum onder Doelwitten zodat het paars gemarkeerd is, en voeg vervolgens de straal toe.
    8. Onder Dosering, selecteer de gewenste Dosismotor (Superpositieconvolutie of Monte Carlo). Selecteer Bereken de dosis.
    9. Selecteren VerifiërenSelecteer Isodosen berekenen en Bereken DVHBevestig dat het plan en
      ​DVH's leveren de gewenste dosis aan de targets en OAR's (zie Figuur 4).
    10. Open de kastdeur. Verwijder het aluminiumfilter en plaats het koperfilter. Plaats de collimator in de houder en schuif de unit terug in de gantrykop. Trek de afdekking van het CT-venster naar beneden en duw deze naar achteren tot deze vastklikt.
    11. Selecteer Uitvoeren en Voer de straal uit.
    12. In Software 1 verschijnt een pop-upvenster met de doelpositie van de behandeltafel en het gantry. Controleer of de rotatie van de behandeltafel staat op 0 om botsingen en compressie te voorkomen Ik sta klaar. Stuur me de brontekst die u vertaald wilt hebben naar het Nederlands.Een ander venster geeft de collimatorgrootte en het filtertype weer. Druk op Ik sta klaar om te beginnen. Stuur me alstublieft de brontekst die u vertaald wilt hebben. en de straal zal automatisch starten.
    13. Houd de webcam op Software 1 in de gaten om er zeker van te zijn dat er geen collisies optreden.
    14. Wanneer er meer dan één bundel is, selecteer dan, zodra de vorige bundel is toegediend, Voer Beam uit en herhaal stap 1.4.11.
    15. Open de kastdeur, haal de huidige muis uit het bed en plaats deze terug in de kooi.
    16. Herhaal stappen 1.3 en 1.4 voor het volgende dier.
  5. Nabewerking (3 min)
    1. Zodra het laatste dier is behandeld, in de Beeldvorming en robotica-aansturing paneel, stel de gantryhoek in op 90° en stel alle andere bewegingsvelden in op 0Selecteer VerplaatsenZodra de beweging is voltooid, sluit u de System 1-software. Wanneer u wordt gevraagd om het platform naar de oorsprong terug te brengen, selecteert u Ja.
    2. Verwijder de tafel, collimator en filter uit de behuizing. Zorg ervoor dat de afdekking van het CT-venster gesloten is en naar de gestuwde positie is geschoven.
    3. Draai de MP1-sleutel terug naar de 0-positie (9 uur). Druk op de rode Stop knop op Systeem 1.

2 Systeem 2

  1. Warming-up (35 min)
    1. Tijdens de installatie en inbedrijfstelling dient de stralingsbeschermingsdeskundige (RSO) van de instelling een stralingsmeting uit te voeren om te bevestigen dat de stralingslekkage buiten de kast onder de drempelwaarden voor de dosis per uur en de dosis per week ligt. Voordat het systeem wordt ingeschakeld, dient de gebruiker de stralingsveiligheidsinstructies op te volgen die zijn verstrekt door de RSO van de instelling.
    2. Open de kastdeur en controleer of er geen behandeltafel op het platform staat en geen collimator aan het gantryhoofd is bevestigd.
    3. Zet op de System 2-machine de sleutel voor de systeemelektriciteit en de lampen en lasers op aan.
    4. Zet de sleutel van de consolevoeding op aan.
    5. Open op de gantrykop het slot voor het filtercompartiment en plaats daarop het koperen filter van 0,3 mm of het aluminium filter van 2 mm, totdat het filter met een klik op zijn plaats vastzit (zie Figuur 3).
    6. Openen Software 4 en de Webcam.
    7. Selecteren Röntgenstraling, Geen behandeling, en Start warming-up voor zowel de primaire (20 min) als de micro-focus (15 min) röntgenstraling.
  2. Cone-beam CT-beeldvorming voor muizen (10 min, inclusief anesthesie)
    1. Plaats de muis in een behuizing om deze te anesthetiseren zoals gespecificeerd in het goedgekeurde onderzoeksprotocol.
    2. Open de kastdeur. Plaats het aluminium filter van 2 mm in de filtersleuf, indien dit nog niet is gedaan.
    3. Bevestig de behandeltafel aan het platform door de snelkoppeling naar beneden te drukken en de pen uit te lijnen met het gat in het midden van het platform.
    4. Bevestig het bed met tape aan de bank. Bevestig de isofluraanbuis met tape aan het hoofdeinde van het bed en zet het gas aan.
    5. Plaats de muis in buikligging (prone) of rugligging (supine) op de tafel, conform het experimentele protocol.
    6. Openen Software 5Onder de Bestraling categorie, selecteren CT-targeting met ofwel het handboek of het behandelprotocol.
    7. Selecteer op de pagina Dierenselectie de map voor de hoofdonderzoeker en de studie, en maak een nieuw bestand voor het dier aan. Klik op Volgende.
    8. Onder Opstelling van de dieren, klik op VolgendeKlik voor het Scout-type op Sla over.
    9. Kies de Selectie van vooraf ingestelde waarden afhankelijk van het type doelweefsel en klik op Volgende(standaard 40 kV 2 mA 60 s voor weke delen).
    10. Verifieer of het juiste filter voor de geplande bundelkwaliteit is geplaatst en bevestig dat de weergegeven filterstatus groen is.
    11. Selecteren Start om de CT-scan te starten. De sluiter zal automatisch openen en sluiten.
    12. Gebruik de webcam om er zeker van te zijn dat de gantry niet in conflict komt met de tafel of het dier terwijl deze 360 graden roteert.°Als een botsing imminent lijkt, druk dan op de rode noodstop knop op de console, waarna het gantry zal stoppen.
    13. Zodra de CT-scan is voltooid, klikt u op VolgendeDe verkregen CT-scan wordt weergegeven in drie panelen voor de coronale, sagittale en axiale weergaven. Zoom in en scroll door de verkregen coupes in elk paneel om indien nodig aanpassingen te maken.
    14. Gebruik de muis om het vizier naar het doel-isocentrum te slepen. Selecteer Verplaats tafelIndien nodig, selecteer Opnieuw scannen om de doelpositie te verifiëren. Klik op Volgende.
    15. Op de Exporteren pagina, klik op Ga om het DICOM-bestand te exporteren.
    16. Ga naar stap 4 bij het opstellen van een nieuw behandelplan. Ga naar stap 5 bij het gebruik van een bestaand of handmatig plan.
  3. Geavanceerde behandelplanning (10 min)
    1. Openen Software 6Selecteer de map met de DICOM-bestanden en selecteer Importeer geselecteerde gegevens.
    2. Zodra het DICOM-bestand is geladen, klikt u op de CT2MD tab.
    3. Verschuif de dichtheidsbalk totdat het knaagdierweefsel zichtbaar is.
    4. Klik op de Contouring tab. Om contouren toe te voegen, selecteert u ToevoegenBenoem de contour en specificeer het type onder de Type uitklapmenu
    5. Selecteer de gewenste tool (penseel of lijn) en selecteer AutomatischBorstel of omtrek het gewenste orgaan. Gebruik de schuifbalk om door de frames te bewegen en het orgaan verder om te trekken. Het omtrekken van meer frames kan de nauwkeurigheid van de interpolatie verhogen. Zodra het laatste frame van het orgaan is omtrekt, selecteert u Interpoleer.
    6. Loop opnieuw door de frames om te controleren of de interpolatie het orgaan zoals verwacht heeft omlijnd en corrigeer eventuele frames die zijn afgeweken.
    7. Klik op de Planning tab. Klik op Voeg toe om een isocentrum aan het plan toe te voegen. Lijn dit isocentrum uit met het gewenste doelwit in het coronaal- en axiaalvlak en voer de verwachte dosis (Gy) voor het isocentrum in.
    8. Om balken toe te voegen, selecteert u Voeg toe onder BalkenKies tussen statisch en dynamisch en pas de hoeken naar wens aan. Kies indien nodig een tafelhoek. Selecteer de collimator volgens de planningsparameters.
    9. Onder Berekening, selecteer Start berekeningenDoor het aantal geschiedenissen/oppervlakte te verhogen, neemt de nauwkeurigheid van het algoritme toe. Aanvullende Monte Carlo-parameters kunnen naar wens worden aangepast; dit valt echter buiten de reikwijdte van het protocol. Zodra dit is voltooid, verschijnt Volume Slice op het scherm. Selecteer de tabbladen om het dosis-volumehistogram (DVH) en de dosis-volumemetrieken (DVM) weer te geven (zie Figuur 5).
    10. Keer terug naar Planning om indien nodig wijzigingen aan te brengen.
    11. Onder Evaluatieverifieer de instralingstijd, de dosis in het isocentrum, de DVH en de DVM.
    12. Selecteer Gegevens exporterenGeef het bestand een naam en selecteer 'Export to file' om een .ini-bestand te genereren.
  4. Behandeling (10 min)
    1. Open de kastdeur, verwijder het aluminium filter van 2 mm en plaats het koperen filter van 0,3 mm en de collimator volgens het experimentele protocol.
    2. Navigeer terug naar de Systeem 2 Programma.
    3. Selecteer voor een handmatig protocol op het scherm voor het bouwen van de behandeling spotgrootte (klein of groot), filter (0,3 mm Cu), de gewenste potentiaal (kVp), stroomsterkte (mA) en behandelingstijd (s). Selecteer de grootte en vorm van de collimator (circulair, vierkant, rechthoekig of gemotoriseerd). Selecteer de gantry-hoek. Voeg indien gewenst een parallelle tegenovergestelde straal toe.
    4. Voor een behandelprotocol, in de Selectie van het protocol tabblad, klik op Laadprotocol en selecteer het .ini-bestand uit stap 4. Controleer de plannaam en de parameters door het vakje 'Protocolgegevens weergeven' te selecteren. Klik op Volgende.
    5. Selecteren Start behandeling en selecteer Start StraalIndien er meer dan één bundel is, selecteer dan, zodra de vorige bundel is toegediend, Start straal om de volgende te beginnen. Houd de webcam in de gaten om er zeker van te zijn dat er geen botsingen plaatsvinden.
    6. Open de kastdeur, haal de huidige muis uit het bed en plaats deze terug in de kooi.
    7. Herhaal stappen 2.2–2.4 om verder te gaan met het volgende dier.
  5. Nabehandeling (3 min)
    1. Zodra het laatste dier is behandeld, worden het bed en de couch van het platform verwijderd. Verwijder het filter en de collimator uit het gantry.
    2. Verplaats het portaal terug naar 0° en breng de platformpositie met Software terug naar (0 mm, 0 mm, 0 mm). Sluit de kastdeuren. Sluit Software.
    3. Zet de aan/uit-sleutel van de console uit. Op de Systeem 2 machine, draai de sleutel voor de lampen en lasers om, en zet vervolgens de systeemstroom op de uit-positie.

Resultaten

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De röntgenbuis van Systeem 1 kan 20–225 kVp genereren met een dosisdebiet van 2.6 Gy/min op 1 cm diepte in een fantoom van water-equivalent diktemateriaal met een veld van 10 × 10 mm2 en een bron-oppervlakafstand (SSD) van 33 cm. De halve-waardelaag (HVL) van de bundel is 0.73 mm Cu bij 220 kVp en 2.15 mm Al bij 60 kVp15. Voor de collimatie maakt Systeem 1 gebruik van meerdere messing trappen om de penumbra te verminderen. Twee schuivende messing blokken worden gebruikt om de output te blokkeren terwijl de stroom wordt gegenereerd en gestabiliseerd. Voor de bestraling worden uitwisselbare collimatiedoppen gebruikt. De filters zijn 0.15 mm koper en 1 mm aluminium.

Veelvoorkomend behandelde proefdieren zijn muizen en ratten, en de behandelde locaties omvatten het hart, de lever, de flank, de longen, de pancreas, het been, de hersenen en het duodenum16,17. Voorgaande doses variëren van 0.2–60 Gy met gebruik van 1–6 stralen, bestaande uit een mix van statische en arc-straaltypes. Een voorbeeld van een behandelplan waarbij 2 Gy aan de gehele hersenen van een muis wordt voorgeschreven, wordt getoond (zie Figuur 4). Het behandelplan maakt gebruik van 1 straal bij een gantryhoek van 0° met een 10 × 10 mm2collimator. Het bovenste gedeelte van het ruggenmerg is handmatig gecontoureerd als een OAR, en de DVH laat zien dat ongeveer 20% van de OAR 0.5 Gy ontvangt.

De kastdeur van Systeem 1 is voorzien van een loodequivalent venster voor visualisatie. De bron-asafstand (SAD) van Systeem 1 is 35 cm en de bron-detectorafstand (SDD) is 53 cm. Tijdens CBCT-beeldvorming roteert de behandeltafel van Systeem 1 360°. Dit resulteert in een CBCT-beeld met een positioneringsnauwkeurigheid van ongeveer 0,2 mm18. Na de behandeling genereert Systeem 1 een logbestand waarin de bundelconfiguratie wordt gerapporteerd, inclusief het aantal bundels, de posities van de tafel en gantry, de SSD, de bundelweging en de bestralingstijd (zie Figuur 6). Ook worden de isocentrumcoördinaten, de voorgeschreven dosis, de plan-identificatie en relevante planningsmetadata, zoals contournamen en drempelwaarden voor segmentatie, gedocumenteerd.

De System 2 röntgenbuis kan 10–225 kVp genereren met een dosisdebiet van 2,7 Gy/min op 1 cm diepte van een fantoom van water-equivalent diktemateriaal, gebruikmakend van een 10 × 10 mm2veld en 29 cm SSD. De HVL van de bundel is 0,95 mm Cu bij 225 kVp en 2,8 mm Al bij 100 kVp. Voor de collimatie bestaat System 2 uit een modulaire collimator en filterhouder die aan de röntgenbuis zijn bevestigd. De collimatoren bevatten secundaire trimmers om de penumbra te verminderen, met kegels bestaande uit messing en lood. Er is een vrije ruimte van 7 cm van de collimator tot de as. De filters zijn 0,3 mm koper en 2 mm aluminium.

Veelbehandelde proefdieren zijn muizen en ratten, en de behandelde locaties omvatten hoofd en nek19, hart, flank, hersenen, pancreas, nier en speekselklier. Eerdere doses variëren van 2–60 Gy met 1–2 bundels en een mix van statische en arc-bundeltypes. Een voorbeeld van een behandelplan waarbij 2 Gy aan de gehele hersenen van een muis wordt voorgeschreven, wordt getoond (zie Figuur 5). Het behandelplan maakt gebruik van 2 bundels bij gantryhoeken van 90° en 270° met een 10 × 10 mm2collimator. Het bovenste gedeelte van het ruggenmerg is handmatig gecontoureerd als een OAR, en de DVH laat zien dat ongeveer 20% van de OAR 0,5 Gy ontvangt.

De SAD van Systeem 2 is 30 cm en de SDD is 62 cm. Bij Systeem 2 roteren het gantry en het CT-venster 360° rond de behandeltafel. Dit resulteert in een CBCT-beeld met een registratienauwkeurigheid van 0,2 mm volgens de leverancier. Na de behandeling genereert Systeem 2 een logbestand waarin de afleveringsparameters worden gerapporteerd, waaronder het aantal stralen, de weging van de stralen, de bestralingstijd, de gantryhoek en rotatierichting, de straalenergie (kVp), de buisstroom (mA), de spotgrootte, de tafelpositie en het filtermateriaal/de filterdikte. Ook het type straling en metadata over de planning zijn opgenomen.

figure-results-1
Figuur 1: Systeemconfiguraties van Systeem 1 en Systeem 2. Panelen (A–C) tonen Systeem 1, en panelen (D–F) tonen Systeem 2. (A,D) Exterieurweergaven van elk platform met geannoteerde afmetingen (hoogte, breedte en diepte). (B,E) De interne configuratie tijdens beeldvorming, inclusief de rotatie van de couch (B) en de rotatie van het gantry (E). Een genarceerde muis wordt getoond in Systeem 1 (B), en een muisfantoom wordt getoond in Systeem 2 (E). (C,F) De interne configuratie tijdens de toediening van de behandeling, waarbij de behandelingsopstelling met de collimatiehardware in elk systeem wordt uitgelicht. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-2
Figuur 2: Het stroomschema vat de volledige experimentele workflow samen, onderverdeeld in activiteiten voorafgaand aan de procedure, machineafhankelijke procedures en evaluatie na de procedure. De pijlen geven de procedurele volgorde van de workflow aan. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-3
Figuur 3: Materialen gebruikt voor de behandelingsopstelling. Panelen (A–C) tonen de componenten van Systeem 1, en panelen (D–F) tonen de componenten van Systeem 2. (A,D) Collimatorset in diverse maten en vormen. (B,E) Ondersteuningsbank/bed voor dieren gebruikt voor beeldvorming en positionering van de behandeling. (C,F) Al- en Cu-filters. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-4
Figuur 4: Weergaven van de planevaluatie van Systeem 1. (A) Dosis-volumehistogram (DVH) voor een behandelplan van de gehele hersenen. Het doelvolume (groene lijn) zijn de gehele hersenen en het OAR (gele lijn) is het bovenste deel van het ruggenmerg. (B) Axiale (transversale) weergave van de berekende dosisverdeling over de imaging-dataset. (C) Sagittale weergave van de berekende dosisverdeling. (D) Coronale weergave van de berekende dosisverdeling. De hersenen zijn in het groen gecontoureerd en de randen van de bundels zijn paars omlijnd (B–D). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-5
Figuur 5: Weergaven van de evaluatie van het behandelplan voor Systeem 2. (A) Dosis-volumehistogram (DVH) voor een behandelplan van de gehele hersenen. Het doelvolume (rode lijn) is de hersenen, en het OAR (witte lijn) is het bovenste deel van het ruggenmerg. (B) Axiale dosisweergave in het verticaal × lateraal vlak. (C) Sagittale dosisweergave in het verticaal × longitudinaal vlak. (D) Coronale dosisweergave in het lateraal × longitudinaal vlak. Het traject van de bundel is in blauw weergegeven (B–D). Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

figure-results-6
Figuur 6: Behandelingslogbestanden voor Systeem 2 en Systeem 1. (A) Logbestand van Systeem 1 met analoge informatie over de behandeling en de bundellevering. (B) Logbestand van Systeem 2 waarin de behandelingsparameters zijn gedocumenteerd. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Tabel 1: Overzicht van de belangrijkste fysieke en operationele specificaties voor Systeem 1 en Systeem 2.Klik hier om deze tabel te downloaden.

Discussie

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Het veld van de radiotherapie ontwikkelt zich snel, en hoewel er talrijke lopende klinische studies zijn, zijn reproduceerbare en nauwkeurige preklinische experimenten essentieel voor het begrijpen van de radiobiologische mechanismen die het gewenste einddoel bewerkstelligen. Methoden voor bestraling van kleine dieren met vaste bronnen en全lichaamsbestraling kunnen leiden tot ongewenste toxiciteit20. De opkomst van beeldgestuurde bestralingsapparaten voor kleine dieren maakt reproduceerbare targeting en lagere doses voor OAR's mogelijk. Dit simuleert parameters die vergelijkbaar zijn met patiëntbehandelingen en maakt het mogelijk om biologische mechanismen te onderzoeken met een veel lager risico op dierlijke toxiciteit en sterfte vóór de voltooiing van het behandelingsschema en het bereiken van de gewenste eindpunten. Het gebruik van kleine diermodellen in basis- en preklinische studies is een fundamenteel onderzoeksmodel geworden voorafgaand aan klinische translatie. Vanwege het kleine gezichtsveld en de detectorgrootte kunnen bestralingssystemen voor kleine dieren een ruimtelijke nauwkeurigheid van minder dan een mm bereiken, die superieur is aan of gelijkwaardig is aan die van therapeutische lineaire versnellers21. Bovendien zijn radiotherapie-apparaten in oncologische klinieken tijdens kantooruren gereserveerd voor patiëntbehandelingen, wat de beschikbare tijd voor preklinische dierstudies beperkt. In deze context bieden bestralingsapparaten voor kleine dieren onderzoekers een toegewezen platform om radiobiologische studies uit te voeren zonder de klinische workflow te onderbreken.

Zowel Systeem 1 als Systeem 2 maken beeldgeleide bestraling van kleine dieren mogelijk met een hoge precisie en een nauwkeurigheid van minder dan 1 mm22. Hoewel er overeenkomsten zijn in de algemene workflow van beide systemen, omvatten de kritieke verschillen tussen de systemen de gebruikte acquisitietechnieken voor CBCT, de straalkwaliteit en de dosisvoet.

In beide systemen wordt de beeldvorming voorafgaand aan de planning uitgevoerd met een Al-filter en zonder collimatiehardware van de straal, terwijl de toediening van de behandelstraal wordt uitgevoerd met een Cu-filter en via specifieke hardware voor straalvorming. Daarom moet men voorzichtig zijn om ervoor te zorgen dat de juiste collimatiehardware van de straal en het juiste filter voor elke taak worden gebruikt. De filters in Systeem 2 zijn uitgerust met ingebouwde sensoren die communiceren met de software en aangeven welk filter is geplaatst. Deze functie ontbreekt in Systeem 1, en er is geen interlock voor bestraling indien het verkeerde filter is ingevoegd.

Voor de behandelplanning heeft de System 1-software de mogelijkheid om een eerder plan als sjabloon te gebruiken en nieuwe bestralingstijden te berekenen op basis van de nieuw verkregen CT-scan. Dit ontbreekt bij System 2, waardoor voor elke scan een nieuw plan moet worden opgesteld of de parameters van een vorig plan moeten worden gebruikt, wat een afweging vereist tussen nauwkeurigheid en doorvoersnelheid. Voor beide apparaten is handmatige contourering een van de stappen met de grootste onzekerheid en dient deze met zorg te worden uitgevoerd om de ruimtelijke nauwkeurigheid van de dosis in het gewenste gebied te waarborgen. De dosisberekeningen voor de behandelplanning gaan uit van machineconsistentie, en voor beide apparaten moeten regelmatig kwaliteitscontroles worden uitgevoerd om de consistentie van de output te evalueren. Indien de output meer is afgeweken dan de toegestane tolerantie, moet de leverancier worden gecontacteerd voor een eventuele herkalibratie. Kwaliteitscontroles worden uitgevoerd op basis van aanbevelingen van de leverancier en de instelling .

Voor elk dier omvatten de vereiste handmatige stappen het wisselen van de aluminium- en koperfilters tussen beeldvorming en behandeling, het toevoegen of wisselen van de collimator, het positioneren van het dier, de bestraling en het verwijderen van het dier. Momenteel zijn er geen rapporten over het gebruik van geautomatiseerde instrumenten voor een van beide systemen om deze eerder genoemde stappen uit te voeren. Bij Systeem 1 moet het CBCT-paneel tevens worden geopend of gesloten en worden verplaatst tussen beeldvorming en behandeling. Zoals eerder vermeld, kunnen bepaalde stappen omwille van de efficiëntie worden weggelaten als het protocol een grotere nauwkeurigheidsmarge toelaat. Bij het gebruik van een eerder vastgesteld of generiek behandelplan kan de behandelplanning worden weggelaten. Voor beide machines is één operator voldoende. De efficiëntie van de workflow kan echter worden verhoogd met extra personeel. Zo kan één gebruiker zich concentreren op het bedienen van de machine en het wisselen van het filter en de collimator, terwijl de andere gebruiker de anesthesie monitort en de proefdieren wisselt.

Voor beide apparaten is een potentieel probleem de mogelijkheid van een botsing tussen het gantry en de behandeltafel, aangezien een botsing de uitlijning van het isocentrum kan beïnvloeden en hercommissiering vereist. Om deze reden zijn beide apparaten uitgerust met een camera die gemonitord moet worden telkens wanneer het gantry in beweging is. Indien de gebruiker vermoedt dat het gantry tegen de tafel kan botsen, moet de operator onmiddellijk op de X-ray off-knop in de besturingssoftware drukken. Als het systeem niet reageert, of als er gevaar is voor de operator of het subject, moet de operator op de fysieke rode noodstopknop drukken. Hiermee wordt alle stroomtoevoer naar het systeem onderbroken. De gebruiker moet vervolgens de knop resetten en het systeem opnieuw opstarten. Aangezien het subject gedeeltelijk is bestraald, moet de operator overleggen met de hoofdonderzoeker om de beste vervolgprocedure voor het subject te bepalen.

Een ander potentieel probleem is onjuiste bestraling als het verkeerde filter of de verkeerde collimator is geplaatst. Hoewel dit idealiter wordt voorkomen door de opstelling vóór de bestraling van elk subject te controleren, is onjuiste bestraling mogelijk omdat het bevestigen van het filter en de collimator handmatige stappen zijn die tussen de beeldvorming en de behandeling moeten plaatsvinden. Het subjectnummer moet worden genoteerd en worden gemeld aan de hoofdonderzoeker voor monitoring. Een laatste veelvoorkomend probleem is een OAR die een te hoge dosis ontvangt tijdens de behandelplanning. Net als bij klinische plannen moeten er aanpassingen worden gedaan aan de bundelparameters, waaronder het toevoegen van extra bundels onder verschillende hoeken of het overschakelen naar een dynamisch plan. Ook de positie van het subject op de behandeltafel kan worden aangepast.

Beide systemen hebben een vergelijkbare CBCT-beeldresolutie en de mogelijkheid voor micro-CT, fluoroscopie en bioluminescentie-imaging, die niet in dit protocol zijn behandeld. Systeem 1 beschikt over een gemotoriseerde variabele collimator, een gespecialiseerd collimatiesysteem dat conforme en niet-coplanaire bestraling mogelijk maakt, terwijl Systeem 2 is voorzien van een automatische verstelbare collimator die roteerbare rechthoekige velden creëert. Voor de behandelplanning kan Systeem 1 worden gebruikt met Software 3, SmART-XPS of micro-Raystation. Systeem 2 is compatibel met Software 6 of micro-Raystation.

Het hier beschreven protocol is uitermate geschikt voor systematisch radiobiologisch onderzoek met bestralingssystemen voor kleine dieren bij conventionele dosisraten met ruimtelijk uniforme velden. Dit protocol omvatte geen ruimtelijk gefractioneerde stralentherapie (SFRT) en stralentherapie met een ultra-hoge dosisrate (UHDR) omdat deze twee apparaten niet zijn ontworpen voor dergelijke studies23. De leverancier van Systeem 1 heeft een specifiek preklinisch FLASH-onderzoeksplatform ontwikkeld, waarbij momenteel wordt gewerkt aan de validatie van het systeem voor UHDR-studies24. De leverancier van Systeem 2 heeft eveneens een nieuw kabinetsysteem ontwikkeld voor conventionele en UHDR-toediening. Sommige auteurs hebben gewerkt aan de constructie van nieuwe collimatoren voor SFRT en het wijzigen van de SSD om de dosisrate te verhogen25,26,27. Toekomstige toepassingen op de huidige systemen omvatten het evalueren van de maximale dosisrate-mogelijkheden bij een verlaagde SSD en dosimetrische vergelijkingen tussen de twee apparaten met gebruik van hetzelfde behandelplan. Verder werk kan ook het evalueren van fysieke systeembeperkingen bij andere kleine diermodellen, zoals konijnen, omvatten.

Openbaarmakingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

De auteurs hebben geen belangenconflicten om te melden.

Dankbetuigingen

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

Dit werk werd ondersteund door beurzen S10OD020136-01 en S10OD036348-01. De auteurs willen ook het Department of Radiation Oncology van WashU Medicine bedanken voor de ondersteuning van dit werk.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
MuriPlan v3.0.0Software 3XstrahlMuriPlan
MuriSlice v3.2.6Software 2XstrahlMuriSlice
PilotXRadConsole v1.30.3.5Software 4Precision X-RayPilotXRadConsole
SARRP Control Software v4.3.1Software 1XstrahlSARRP CS
Small Animal Radiation Research PlatformSysteem 1XstrahlSARRP
Small Animal Radiation Therapy SystemsSysteem 2Precision X-RaySmART+
SmART+ v1.30.3.5Software 5Precision X-RaySmART+
SmART-Advanced Treatment Planning v24.1.3.240826Software 6Precision X-RaySmART-ATP

Referenties

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Bray F, et al. Global cancer statistics 2022: GLOBOCAN estimates of incidence and mortality worldwide for 36 cancers in 185 countries. CA Cancer J Clin. 2024;74(3):229-263.
  2. Miller KD, et al. Cancer treatment and survivorship statistics, 2022. CA Cancer J Clin. 2022;72(5):409-436.
  3. Atun R, et al. Expanding global access to radiotherapy. Lancet Oncol. 2015;16(10):1153-1186.
  4. Verhaegen F, Granton P, Tryggestad E. Small animal radiotherapy research platforms. Phys Med Biol. 2011;56(12):R55-R83.
  5. Tillner F, Thute P, Bütof R, Krause M, Enghardt W. Preclinical research in small animals using radiotherapy technology: a bidirectional translational approach. Z Med Phys. 2014;24(4):335-351.
  6. Pidikiti R, et al. Dosimetric characterization of an image-guided stereotactic small animal irradiator. Phys Med Biol. 2011;56(8):2585-2599.
  7. Brown KH, et al. A scoping review of small animal image-guided radiotherapy research: advances, impact and future opportunities in translational radiobiology. Clin Transl Radiat Oncol. 2022;34:112-119.
  8. Wong J, et al. High-resolution, small animal radiation research platform with X-ray tomographic guidance capabilities. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2008;71(5):1591-1599.
  9. Verhaegen F, van Hoof S, Granton PV, Trani D. A review of treatment planning for precision image-guided photon beam preclinical animal radiation studies. Z Med Phys. 2014;24(4):323-334.
  10. Foray N, Bourguignon M, Hamada N. Individual response to ionizing radiation. Mutat Res Rev Mutat Res. 2016;770(Pt B):369-386.
  11. Hall EJ, Giaccia AJ. Radiobiology for the Radiologist. 8th ed. Philadelphia (PA): Lippincott Williams & Wilkins; 2018.
  12. Bolcaen J, et al. MRI-guided 3D conformal arc micro-irradiation of a F98 glioblastoma rat model using the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). J Neurooncol. 2014;120(2):257-266.
  13. Yoon SW, et al. A precision 3D conformal treatment technique in rats: application to whole-brain radiotherapy with hippocampal avoidance. Med Phys. 2017;44(11):6008-6017.
  14. Chiver I, et al. Effects of the depletion of neural progenitors by focal X-ray irradiation on song production and perception in canaries. Sci Rep. 2023;13(1).
  15. Kampfer S, Duda MA, Dobiasch S, Combs SE, Wilkens JJ. A comprehensive and efficient quality assurance program for an image-guided small animal irradiation system. Z Med Phys. 2022;32(3):261-272.
  16. Seitzman BA, et al. Functional network disorganization and cognitive decline following fractionated whole-brain radiation in mice. GeroScience. 2024;46:543-562.
  17. LeMoyne Habimana-Griffin, et al. A novel focal duodenal radiation injury model reveals dose-, time-, and spatially dependent microbiome perturbations after radiation injury. Int J Radiat Oncol Biol Phys. 2026;125(2):590-602.
  18. Matinfar M, Ford E, Iordachita I, Wong J, Kazanzides P. Image-guided small animal radiation research platform: calibration of treatment beam alignment. Phys Med Biol. 2009;54(4):891-905.
  19. Ross RB, et al. PPARα agonism enhances immune response to radiotherapy while dietary oleic acid results in counteraction. Clin Cancer Res. 2024;30(9).
  20. Ghita M, Brown KH, Kelada OJ, Graves EE, Butterworth KT. Integrating small animal irradiators with functional imaging for advanced preclinical radiotherapy research. Cancers (Basel). 2019;11(2):170.
  21. Pokhrel D, Mallory R, Bernard ME. The spatial accuracy of ring-mounted Halcyon linac versus C-arm TrueBeam linac for single-isocenter/multi-target SBRT treatment. Med Dosim. 2023;48(3):170-175.
  22. Matinfar M, Ford E, Iordachita I, Wong J, Kazanzides P. Image-guided small animal radiation research platform: calibration of treatment beam alignment. Phys Med Biol. 2009;54(4):891-905.
  23. Ghaznavi H, Rezaee M, Reynoso F, Darafsheh A. Emerging strategies in radiation therapy: promises and challenges of spatial fractionation, ultra-high dose rates, and nanoparticles. J Phys D Appl Phys. 2025;58(41):413002.
  24. Tajik Mansoury MA, Sforza D, Wong J, Iordachita I, Rezaee M. Dosimetric commissioning of small animal FLASH radiation research platform. Phys Med Biol. 2025;70(11):115015.
  25. Sharma S, et al. Advanced small animal conformal radiation therapy device. Technol Cancer Res Treat. 2016;16(1):45-56.
  26. Sayler E, Dolney D, Avery S, Koch C. Shielding considerations for the Small Animal Radiation Research Platform (SARRP). Health Phys. 2013;104(5):471-480.
  27. Hill MA, et al. The development of technology for effective respiratory-gated irradiation using an image-guided small animal irradiator. Radiat Res. 2017;188(3):247-257.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Bestraling van kleine dierenbeeldgestuurde bestralingpreklinische radiobiologieradiotherapiesystemenconformale bestralingbehandelplanningssoftwarebundelcollimatiebron asafstandstralingsafschermingtranslationeel onderzoek
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen