Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Medicine
Click here for the English version

Medicine

Proton terapi levering og dens kliniske anvendelse i Vælg Solid Tumor maligniteter

Published: February 6, 2019 doi: 10.3791/58372
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2, 2, 2, 1, 1, 1, 3
1Department of Radiation Oncology, University of Maryland School of Medicine, 2Department of Radiation Oncology, University of Maryland Medical Center, 3Department of Medicine, University of Maryland School of Medicine, University of Maryland Greenebaum Comprehensive Cancer Center

Summary

Fundamentals af stråling planlægning og levering for proton terapi med prostatakræft som model præsenteres. Anvendelsen af disse principper på andre websteder, valgte sygdom fremhæver, hvordan proton strålebehandling kan forøge kliniske resultater for kræftpatienter.

Abstract

Strålebehandling er et hyppigt anvendte modalitet til behandling af solide kræftformer. Selv om mekanismerne i celle kill er ens for alle former for stråling, afviger foton og proton bjælker i vivo egenskaber betydeligt og måske udnyttes til at optimere kliniske resultater. Især mister proton partikler energi på en forudsigelig måde når de passerer gennem kroppen. Denne egenskab bruges klinisk til at styre dybden på som proton strålen er afsluttet, og at grænsen strålingsdosis uden for regionen mål. Denne strategi kan give mulighed for betydelige reduktioner i stråledosis til normale væv ligger lige uden for tumor mål. Nedbrydningen af proton energi i kroppen er imidlertid fortsat meget følsom over for væv tæthed. Som følge heraf kan ændringer i væv tæthed i løbet af behandling i væsentlig grad ændre proton dosimetri. Sådanne ændringer kan opstå gennem ændringer i kropsvægt, respiration eller tarm påfyldning/gas, og kan resultere i ugunstige dosis deposition. I dette manuskript giver vi en detaljeret metode til levering af proton terapi ved hjælp af både passive scatter og blyant bom scanningsteknikker for prostatakræft. Selv om den beskrevne procedure vedrører direkte prostata cancerpatienter, kan metoden tilpasses og anvendes til behandling af stort set alle solide tumorer. Vores mål er at udstyre læsere med en bedre forståelse af proton terapi levering og resultater for at lette en passende integrering af denne modalitet under kræftbehandling.

Introduction

Det anslås, at 1,7 millioner personer i USA vil blive diagnosticeret med kræft i 2018, med over 600.000 bukke under for sygdommen1. Nuværende behandlingsmuligheder indebærer mono eller multi modality terapi ved hjælp af kirurgi, strålebehandling (RT) og systemiske behandlinger. Med hensyn til RT får en fjerdedel af Nydiagnosticerede patienter det som en del af deres oprindelige cancerbehandling og næsten halvdelen vil i sidste ende kræver det under deres sygdom kursus2,3.

Fremkomsten af RT daterer sig tilbage til 1895, da William Conrad Röntgen opdagede X-ray mens du arbejder med et katodestrålerør i hans laboratorium ved Würzbergs Universitet i Tyskland4. Ikke længe efter modtog patienter med vidtrækkende sygdomme som lupus og kræft behandlinger ved hjælp af radium stråler. Tidlige komplikationer var indså hurtigt og var engang drøftet af Pierre Curie i hans Nobelprisen foredrag5. Da stråling påvirker både normale og tumor væv, skal omhyggeligt kontrollerede doser af stråling udnyttes til at maksimere den terapeutiske forhold, defineret som sandsynligheden for tumor kontrol versus sandsynligheden for uacceptable toksicitet. Med gradvise fremskridt inden for teknologi, samt bedre forståelse af radiobiologi og fysik, har denne terapeutiske forhold væsentligt forbedret med tiden. Brug af RT har væsentligt forbedrede resultater for flere kræftformer, som afspejlet i dets optagelse i nationale retningslinjer for kræft terapi6,7,8,9. I nogle tilfælde kan RT bruges som den eneste modalitet for terapi10, hvorimod i andre sygdomme, det kan bruges som en del af multimodalitet terapi for lokale sygdomsbekæmpelse eller udryddelse af mikroskopisk sygdom11. Selvom ofte brugt med en helbredende hensigt, er mange RT patienter behandlet for palliation med smerter eller andre symptomer, der udvikler fra tumor-induceret kompression, invasion eller ødelæggelse af normalt væv i fastsættelsen af loco-regional eller udbredt, metastatisk sygdom.

De grundlæggende principper bag RT er ligetil. Med anvendelse af stråling deponeres energi i celler gennem ionisering af atomer. Denne energi, producerer selvom det kan hæve temperaturen af et bestrålet område af kun et par microkelvin, frie radikaler, der kan direkte skade udsat celler ved hjælp af DNA skade12,13. Meget af vores forståelse af højenergi partikelstråling og dens samspil med sagen kommer fra teoretiske og eksperimentelle studier af kosmiske stråler og deres samspil i den øvre atmosfære i de tidlige 20th århundrede14. Højenergi (MeV til GeV) ladede partikler interagerer med sagen primært via den elektromagnetiske kraft: da disse partikler passerer gennem sagen eller væv, inelastic kollisioner med orbital elektroner føre til ionisering og excitation af target spørgsmål, og elastiske sammenstød med atomkerner føre til scatter og fordrejning af stien partikel. Derudover føre atomare kollisioner og hårde sammenstød med elektroner til en kaskade af sekundær stråling, der tilføjer at den ioniserende effekt af partikelstråling. Højenergi partikler gennemkører sagen dermed efterlade en kølvandet på ioniserede atomer, molekyler og frie elektroner, der er kemisk reaktivt og kan potentielt inducere biologiske ændringer eller beskadige organismer udsættes for disse ioniserende felter.

En større langsigtede mål for strålebehandling har været at lære hvordan man bedst til at udnytte disse ioniserende felter på en måde, der effektivt vil behandle sygdom hos mennesker. Klinisk, bør den ideelle form af stråling (såsom photon, proton, elektron eller tunge ion) fremkalde tilstrækkelig ionisering i sygdom målet om at give terapeutisk anti-tumor effekt, samtidig med at den samme tid årsag minimal ionisering i den omgivende normale væv til at minimere skadelige virkninger. Hvilken type af stråling er valgt for RT afhænger delvist af den sygdom, der behandles. For tumorer, der er placeret dybere i kroppen og kan også være kirurgisk ubrugeligt, anses megavolt fotoner, protoner og tunge ioner optimal15,16. For overfladiske hudkræft, som dem, der involverer huden, kan elektron behandling være optimal og endda at foretrække frem for operation for cosmesis. På den anden side ligger fordelen ved megavolt fotoner i deres evne til at trænge dybt i vævet samtidig begrænse skader på huden. I tilfælde af ladede partikler, såsom elektroner, protoner, eller tunge ioner, ligger deres primære fordel i deres 'stop' egenskaber; det vil sige ladede partikler mister energi løbende via inelastic kollisioner beskrevet ovenfor, og denne energitabet er meget forudsigelig på millimeter skala. Derfor kan en ladet partikel stråle leveres til en patient med præcise energier til ønskede dybder. Yderligere, ladede partikler producere lidt at ingen exit dosis17. Derimod udviser tomt partikler som fotoner en eksponentiel aftagning (dæmpning) med stigende dybde, hvilket ofte fører til en betydelig exit dosis, der kan kompromittere sunde væv distalt for målet. Disse begreber er vist i figur 1, som viser strålingen dosis (ionisering) egenskaber af de forskellige typer af stråling anvendes klinisk. En central motivation for at anvende protoner eller kulstof ioner i stedet for fotoner til dybere tumor mål er minimal dosis post dosis og nær nul exit dosis ud over målvæv. Tabel 1 sammenfatter nogle af de klinisk relevante karakteristika af photon og proton bjælker.

Fremskridt inden for stråleterapi, herunder proton terapi, har fundet sted på to store områder: 1) opbygningen af effektiv partikelacceleratorer kan producere højenergi (MeV) stråling såsom synkrotron og cyclotron acceleratorer, og 2) den udvikling af avancerede beregningsmetoder, der kombinerer sygdom billeddiagnostiske data og stråling transport beregninger at computer-simuleret "behandling planlægning." For behandling planlægning gennemgå patienter typisk computertomografi (CT) billeddannelse. CT-billeder indeholder 3-dimensionelle anatomiske oplysninger om patient samt præcis kvantificering af væv tætheder. CT billeder og tæthed kort derefter anvendes i computer-simuleringer til at planlægge strålebehandlingen: både energi og intensitet af strålefeltet er matematisk optimeret til hver patient. En magnetisk resonans imaging (MR) scanning eller en positron-emissions-tomografi (PET) scanning kan også bruges til at supplere dataene, CT.

Nedenfor, beskriver vi en trinvis beskrivelse af hvordan patienter er navigerede gennem deres stråling behandlingsforløb, efterfulgt af eksemplerne på visse tumortyper behandlet med proton terapi.

Protocol

Den nøjagtige stråling terapi planlægning og levering protokollen varierer efter sygdom site og kan endda kræve individualisering for hver patient. Proceduren kan desuden også kræver ændringer til at rumme institutionelle præferencer og udstyr tilgængelighed. Med henblik på denne diskussion, vil vi redegøre for fremgangsmåden anvendes til proton planlægning i en typisk prostatakræft sag, da dette er den mest almindelige kræftform behandlet med proton terapi på amerikanske centers18. Denne protokol beskriver standard for pleje kliniske procedurer, og så kræver ikke institutionelle godkendelse af menneskelige videnskabsetisk Komité.

1. computertomografi Simulation for strålebehandling

  1. Indsætte udvidede bordpladen i tabellen behandling og sikre, at det er låst.
  2. Placer en oppustede immobilisering pude over bordpladen og indekserer bar for ben mug på niveauet af patientens knæ.
  3. Placer en solid hovedet hvile i toppen af tabellen. Start med F størrelse hoved, som rummer de fleste patienter.
  4. Bekræfte, at patienten har gennemført fuld blære processen ved at drikke 16-24 ounce af væske 45 min før planlagt scanning tid. Dette trin skal være afsluttet før trin 1.12.
  5. Registrere patienten i CT patienten registreringssystem.
  6. Vælg prostata scanning protokol med skive tykkelse på 3 mm.
  7. Bekræfte, at behandling samtykke, kontrast samtykke og simulation ordre er afsluttet af den behandlende læge.
  8. Bede patienten om at ændre i en kjole og fjern alt tøj fra taljen ned.
  9. Bekræfte patient identifikation af verbalt kontrollere patientens navn, fødselsdato og procedure site.
  10. Tage et ansigt foto af patienten.
  11. Bede patienten om at sidde på bordet og derefter hjælpe patienten i rygliggende, hovedet først stilling.
  12. Placere patientens ben i oppustede immobilisering pude og placere patientens arme på brystet af interlacing fingrene, give dem en blå ring eller anvende stropper omkring deres våben.
  13. Bekræfte den patient justering med laser system.
  14. Tilslut den dobbelte vakuumpumpe til dyse af immobilisering pude.
  15. Læg benene i immobilisering pude, så formen vil indhylle siden af ben og også skaber en barriere mellem benene. Sikre at immobilisering pude under bækken og udvider forbi fødderne.
  16. Indsæt og puste ab endorectal ballon hvis klinisk indiceret pr behandlende læge.
  17. Udføre anterior-posterior (AP) og laterale (LAT) scout kilovoltage X-ray billeder (topograms) til at bekræfte, at patienten justering er optimeret. Dette omfatter kontrol af rethed på AP-billedet og roterende justering på den laterale billede. Brug både billeder til at sikre, at tarm gas er minimal. Positionering bør alle være korrigeret og bekræftet med re-tænkelig. Hvis tarm gas er til stede og overdreven, undskyld patienten på toilettet og genstarte processen fra trin 1,15.
  18. Når patienten er i den ønskede position, skal du fjerne luft fra immobilisering puden ved hjælp af Q-fix dual vakuumpumpe til at danne en solid skimmel omkring deres ben og fødder.
  19. Manuelt justere tabellen behandling, så laser trådkors er på niveau med patient hofterne og på midterlinjen af hofterne og maven på niveauet af hofteleddet. Angiv trådkors placeringer på patienten ved hjælp af en mærkning pen. Sted lokalisering markører på sigtekorn til at udpege et udgangspunkt for verifikation simulation under stråling levering.
  20. Sæt CT scanning parametre til at omfatte bækken regionen fra L3 rygsøjlen til midten lårbenet.
  21. Skan patienten ved hjælp af prostata scanning protokollen.
  22. Bekræfte, at scanningen er acceptabelt for behandling planlægning. Blæren skal være fuld, og endetarmen bør have minimal luft eller afføring.
  23. Eksportere filen digital skanning til behandling planlægning software og underrette dosimetri.
  24. Label patient immobilisering pude med patient-ID, behandlende læge navn og installation instruktioner før opbevaring til efterfølgende brug i terapi.
  25. Fortsæt til trin 2.1 Hvis patienten gennemgår pencil beam proton terapi. Spring til trin 3.1 Hvis patienten vil modtage passiv scatter proton terapi.

2. strålebehandling planlægning ved hjælp af blyant Beam terapi

  1. Importere CT simulering data til behandling planlægning software (TPS).
  2. Bruge behandling planlægningssystemet Profilstyring værktøjer til at definere alle relevante geometriske enheder baseret på erhvervede CT billeder. Disse strukturer omfatter blære, endetarmen, tarmen, tyndtarmen, femurhoveder, ydre overflade, fiducials, rektal spacer, og endorectal ballon.
  3. Oprette en ekstra ekstern kontur, som inkluderer kroppen, tabellen behandling og eventuelle immobilisering enheder. Stråledosis vil kun beregnes inden for denne kontur.
  4. Contour de første kliniske destinationsenheden (CTV1) til at omfatte de prostata og Sædblærer, involverede lymfeknuder. CTV1 vil blive ordineret 45.0 Gy (RBE). CTV1 volumen vil have udseende af en U-formet struktur på aksial billeder. Lille tarm, endetarmen og blære normale væv vil opholde sig inden for den U-formede destinationsdiskenheden.
  5. Contour den anden klinisk destinationsenheden (CTV2) til at omfatte prostata og Sædblærer. CTV2 vil blive ordineret en total dosis af 34.2 Gy (RBE).
  6. Vælg tre bjælker på gantry vinkler 90, 180 og 270 grader til behandling af CTV1 volumen. Vælg kun 90 og 270 grader beam vinkler for CTV2 behandling.
  7. Design to geometriske blokerende strukturer (unddragelse diskenheder).
    1. Opret en "mellemste blok" undgåelse diskenhed omfatter de normale væv inden for U-formet CTV1 volumen.
    2. Blok ringere aspekt af posterior-anterior (180 grader) stråle under niveauet for toppen af prostata ved hjælp af en "endetarmen-blok".
  8. Oprette en isotropic 7-mm udvidelse af CTV1 til at danne en proton planlægning destinationsdiskenheden, opkaldt pPTV1. Brug pPTV1 til at definere en spot placering volumen således at proton Bragg toppe (også kaldet proton "pletter") er placeret ved den planlægning optimizer til dækning af CTV1.
  9. Som i trin 2.6, oprette en lignende udvidelse af CTV2 volumen til at danne pPTV2, men bruge 8-mm ekspansion i retningen højre- og 5-mm udvidelser i både de anterior-posterior og superior-ringere retninger.
  10. Hvis du vil aktivere robust optimering, en funktion, der kan tegne sig for setup usikkerheder, række usikkerheder og variable gas påfyldning af tarmen, skabe to kunstige ("tilsidesatte") CT datasæt: for det første har den hele tyndtarmen, tyktarmen, og endetarmen overskrevet til luftens massefylde, og anden har disse diskenheder overskrevet til tætheden af muskel.
  11. Før optimering, skal du oprette en ny behandlingsplan for CTV1. Udpege proton behandling maskinen bruges til planlægning, tildele den foreskrevne dosis og fraktionering af 45 Gy (RBE) i 25 fraktioner og definere det primære mål at være CTV1. Tildele 100% af den foreskrevne dosis til at dække mindst 98% af den CTV1 mængde ved hjælp af alle 3 bjælker (højre laterale, venstre lateral og posterior-anterior).
  12. Oprette en anden behandlingsplan for CTV2 med 2 stråle sæt. Først tildele 18 Gy (RBE) leveres i 10 fraktioner til CTV2 bruger kun venstre lateral strålen, og tildele 16,2 Gy (RBE) leveres i 9 fraktioner til CTV2 bruger kun den højre laterale stråle. Tildele 100% af den foreskrevne dosis til at dække 100% af CTV2.
  13. Forbered dig til optimering af CTV1 planen
    1. Tildele den mellemste blok struktur som en række margen for de tværgående bjælker og tildele endetarmen-blok struktur som en række margen for posterior-anterior strålen.
    2. Start optimering med automatisk (standard) indstillinger for energi lag afstand, spot afstand og mål margen.
    3. Angiv et maksimalt antal gentagelser af 40, et maksimalt antal optimeringer før "spot filtrering" af 10, og en spot mindstevægt af 1,5 skærm enheder. Spot filtrering fjerner proton steder med mindre end 1,5 skærm enheder, som der er en teknisk minimumsgrænsen for antallet af protoner, der kan leveres af behandling maskinen.
    4. Udpege målet i den første runde af optimering for CTV1, som pPTV1 at etablere gitter af proton spot positioner. De angivne mål er 45.5 Gy (RBE) (vægt = 100) til pPTV1 og en dosis formindskelse af 45 til 0 Gy (RBE) inden for en afstand af 1 cm (vægt = 2).
    5. Begynde en anden runde af optimering for CTV1, ved at slette de pPTV1 mål ovenfor. Derefter genoptage søgemaskineoptimering med nye mål og objektive vægte. Angiv disse parametre som følger for at udvikle en intensitet moduleret plan, også kendt som multi felt optimering (sad).
      1. For den eksterne diskenhed, skal du angive en dosis formindskelse af 45 til 0 Gy (RBE) inden for en afstand af 1 cm og med en vægt af 2.
      2. CTV1 volumen, indstille en mindste dosis af 45 Gy (RBE) med en vægt på 100.
      3. CTV1 volumen, angive en ensartet dosis af 45.5 Gy (RBE) og en vægt på 100. Dette mål som robust.
      4. Af pPTV1 lydstyrke, skal den maksimale dosis på 46 Gy (RBE) med en vægt på 100 og angive dette mål som robust.
      5. Endetarmen volumen, angive en maksimal dosis af 45.8 Gy (RBE) med en vægt på 50. Dette mål som robust.
      6. Angive en maksimal dosis af 45.8 Gy (RBE) med en vægt på 50 for drev blære. Dette mål som robust.
      7. I tyndtarmen, angive en maksimal dosis af 45.8 Gy (RBE) med en vægt på 50. Dette mål som robust.
      8. For tyktarmen, fastsat en maksimal dosis af 45.8 Gy (RBE) med en vægt på 50. Dette mål som robust.
    6. Ud over de specifikke målsætninger, tildele robusthed indstillinger til at afbøde 5-mm positionelle skiftehold, 3,5% interval usikkerhed, og indarbejde den kunstige ("tilsidesatte") CT data ovennævnte adresse tarm gas variabilitet. Anvende disse robusthed indstillinger kun til målene angivet ovenfor som "robust".
  14. Komplet optimering for CTV1 planen og gennemgå den resulterende optimerede plan at sikre, at recepten mål er blevet nået.
  15. Forbered dig til optimering af CTV2 planen
    1. Fuldføre den første optimering for den CTV2 plan benytter pPTV2 for at opnå en spot placering gitter som CTV1 planen.
    2. Slet pPTV2 mål og genoptage søgemaskineoptimering med nye målsætninger (procenter er med hensyn til recepten for CTV2). CTV2 planen, optimere målene for venstre og højre strålen individuelt. Dette er kendt som enkelt felt optimering (SFO) og har følgende mål for hver bom.
      1. For eksterne lydstyrken, skal du angive en dosis formindskelse af 34.2 Gy (RBE) til 0 Gy (RBE) inden for en afstand af 5 mm og en vægt på 2.
      2. For at CTV2 sat lydstyrken, en minimal dosis af 34.37 Gy (RBE) med en vægt på 120.
      3. For at CTV2 sat lydstyrken, en ensartet dosis af 34.54 Gy (RBE) med en vægt på 100. Dette mål som robust.
      4. For at pPTV2 sat lydstyrken, en maksimal dosis af 34.88 Gy (RBE) med en vægt på 100. Dette mål som robust.
    3. Brug de samme robusthed indstillinger for optimering.
  16. Komplet optimering særskilt for de venstre og højre laterale bjælker skabe 2 plan beam sæt. Dette vil tillade levering af stråling til CTV2 ved hjælp af enten de venstre eller højre laterale bjælker. Dette er i modsætning til CTV1 dosis levering, som kræver alle 3 bjælker (RL, LL og PA) der skal anvendes ved hver behandling.
  17. Gennemgå planerne for CTV1 og CTV2 behandling uafhængigt og i summation at sikre, at de opfylder dosisbindinger for prostatakræft bestråling etableret af RTOG 0126 retssag19.
    1. For blære volumen, sikre at procentdelen af væv modtager 80 Gy er under 15%, procentdelen modtager 75 Gy er under 25%, procentdelen modtager 70 Gy er under 35% og procent modtager 65 Gy er mindre end 50%.
    2. Rektal lydstyrken, sikre at procentdelen af væv modtager 75 Gy er under 15%, procentdelen modtager 70 Gy er under 25%, procentdelen modtager 65 Gy er mindre end 35% og procent modtager 60 Gy er under 50%.
    3. Penis pære volumen, sikre at den gennemsnitlige dosis er under 52,5 Gy.
    4. For CTV1 og CTV2 mål diskenhederne, sikre, at mindst 95% af begge bind modtager den foreskrevne dosis.
  18. Hvis planer og dosis distributioner opfylder accepterede dosis begrænsning retningslinjer og robusthed, læge godkendelse og eksportere planerne for behandling levering system.
  19. Foranstaltning til at bekræfte nøjagtigheden af den planlagte dosis brug af ionisering kammer arrays, en type af stråling detektor.
  20. Kontrollere nøjagtigheden af dosis beregning ved hjælp af en sekundær, uafhængige dosis beregningssoftware.
  21. Anmeld måleresultater, beregningsresultater og tekniske egenskaber af planen med en medicinsk fysiker at sikre kvalitetskontrol.
  22. Generere behandling planlægningsdokumenter og godkende dem ved planlægning dosimetrist, fysiker og tilsynsførende læge.
  23. Eksportere alle behandling planlægning data til behandling levering system for patientbehandlingen og springe frem til trin 4.1 for proton terapi levering.

3. stråling behandling planlægning for passiv Scatter eller Uniform Scanning Proton terapi:

  1. Importere CT simulering data til strålebehandling planlægningssystemet.
  2. Contour alle relevante geometriske enheder baseret på erhvervede CT billeder. Disse strukturer omfatter blære, endetarmen, tarmen, tyndtarmen, femurhoveder, ydre overflade, fiducials, rektal spacer, og endorectal ballon.
  3. Oprette en ekstra ekstern kontur. Brug værktøjet boolesk Operation kroppen, tabellen behandling og eventuelle immobilisering enheder. Stråledosis vil kun beregnes inden for denne kontur.
  4. Kontur CTV1 til også at omfatte den prostata og Sædblærer, involverede lymfeknuder. CTV1 vil blive ordineret 45.0 Gy (RBE).
  5. Kontur CTV2 til at omfatte prostata og Sædblærer. CTV2 vil blive ordineret en total dosis af 34.2 Gy (RBE).
  6. Udvid CTV1 af 7 mm til at oprette pPTV1 og oprette pPTV2 ved at udvide CTV2 af 7 mm i alle retninger undtagen 5 mm posteriort.
  7. Oprette bjælker på behandlingen planlægningssystemet for at målrette pPTV1 og pPTV2. pPTV1 vil blive rettet ved hjælp af en enkelt 180° PA stråle, mens pPTV2 vil blive rettet ved hjælp af 90° og 270° tværgående bjælker.
  8. Tilføje blokke for hver bom med en ensartet margen på 0,5 cm til pPTV1 og pPTV2 mængder.
  9. Ved hjælp af blok størrelse Vælg det mindste stråle blænde størrelse muligt baseret på størrelsen af hver pPTV volumen. Beam blænde er messing brugerdefinerede udskæring, som vil blive knyttet til gantry snude til figur sidekanter af hver proton bom.
  10. Model passende voks kompensator forpligtet til at forme de distale og proksimale margener af hver proton bom ved at vælge passende beam parametre som følger.
    1. Input en række usikkerhed værdi af 3,5% plus en yderligere 1-2 mm.
    2. Input passende luften hul afstand mellem blænde og patienten.
    3. Glat og smøre figuren compensator at den ønskede dosis graduering.
    4. Angive isocenters for pPTV1 og pPTV2 til den samme placering med mål at minimere patientens Skift kræves for proton stråle levering.
  11. Beregne dosis ved hjælp af parametre angivet i trin 3.10.1-3.10.4 for både pPTV1 og pPTV2 mål planer.
  12. Gennemgå planerne for pPTV1 og pPTV2 behandling, selvstændigt og i summation til at sikre, at de opfylder dosisbindinger for prostatakræft bestråling etableret af RTOG 0126 retssag19 og beskrevet i trin 2.17.1-2.17.4.
  13. Hvis det ønskes, OAR og mål mål for dosis dækning ikke er opnået, derefter justere blok og kompensator parametre i TPS, som vist i trin 3.8-3.10 indtil mål er opnået. Når målene er nået, læge godkendelse og gå videre til trin 3.14.
  14. Kontrollere nøjagtigheden af dosis beregning i den godkendte plan ved hjælp af en sekundær, uafhængige dosis beregning softwarepakke.
  15. Anmeld måleresultater, beregningsresultater og tekniske egenskaber af planen med en medicinsk fysiker at sikre kvalitetskontrol.
  16. Bestil blokke og kompensatorer fra relevante kreditor.
  17. QA blokke og kompensatorer modtages fra leverandøren.
  18. Generere behandling planlægningsdokumenter og godkende dem via digitale signaturer ved planlægning dosimetrist, fysiker og tilsynsførende læge.
  19. Eksportere alle behandling planlægning data til behandling levering system for patientbehandlingen, og Fortsæt til trin 4.1.

4. stråling behandling levering

  1. På den første dag i behandling, kontrollere for at sikre, at stråling planen svarer plan parametre i behandlingssystem.
  2. Arrangere behandling værelse for at reproducere patient opsætningen brugt under CT simulering. Sikre at immobilisering pude afmærke passer til patienten-ID og derefter sted på tabellen behandling med korrekte indeksering. Sted hovedstøtten udnyttet på simulering i spidsen for tabellen.
  3. Bekræfte med patienten, at de har afsluttet den fuld blære og forvandlet til en behandling kjole.
  4. Escort patienten i behandling værelse og placere ham i liggende stilling på tabellen behandling med hænderne foldede over brystet og benene i immobilisering pude.
    1. Indsæt og puste endorectal ballon, hvis de anvendes under simuleringen.
  5. Elektronisk flytte tabellen behandling fra indlæse holdning mod isocenter at bringe patienten til de mærker, der er placeret under simuleringen. Justere tabellen for at rette eventuelle grov fejl i patienten positionering såsom pitch, rotation og krøje.
    1. Når patienten er korrekt justeret til simulering mærker, komplet Skift fra startpositionen til dem bestemmes under dosimetriske behandling planlægning proces at bringe patienten til den ønskede behandling isocenter.
  6. Udfør ortogonalt KV imaging for at sikre korrekt interne patient justering til bækken knogler og fiducial markører tidligere placeret ved Urologi i prostata.
    1. Afgøre, om positionelle justeringer er nødvendige baseret på overliggende de erhvervede KV billeder på digitalt rekonstrueret røntgenbilleder fra simulering planlægning CT-scanning. Anvend nødvendige ændringer for at sikre tilpasning.
    2. Hvis KV billeder vise overdreven tarm gas, bede patienten om at udvise luften mens liggende på tabellen behandling hvis det er muligt, og derefter justere og re-billed.
      1. Hvis patienten er i stand til at frigive på tabellen behandling, afbryde behandlingen og har den patient gå på toilettet. Når patienten vender tilbage fra toilettet, skal du genstarte proton leveringsprocessen fra trin 4.3.
  7. Når acceptable KV billeder er erhvervet og bekræftet, afsluttet en kegle stråle CT (CBCT) scan for at vurdere blære/rektal udfyldning. Anvende yderligere patient positionering justeringer baseret på CBCT scanning. Som med KV imaging-baserede positionering rettelser, vil ændringer, der foretages ved hjælp af CBCT data blive sendt direkte fra konsollen imaging til tabellen behandling for automatiseret program.
    1. Kontroller alle positionelle korrektioner med den behandlende læge før indlede behandlingen på den første dag i proton terapi.
  8. Indlede behandling leveringen med hørbare kontrol mellem to terapeuter af paafyldningsanordningen vinkel, overvågning enheder, antallet af afsøgning steder og lag, og snude holdning for hver behandling vinkel. Disse parametre vises på konsollen behandling og planlægning dokumenter underskrevet af dosimetri, fysik og den behandlende læge.
  9. Efter behandlingen skal markere behandling isocenter til daglig justering og fjern markeringerne.
  10. Gentag trin 4.2-4.9 for alle efterfølgende behandling med brøker.

Representative Results

Tilgængelige data tyder på en betydelig fordel med proton terapi for visse kræftformer20,21. PT kan blive begunstiget til Vælg pediatric tumorer, tilbagevendende kræftformer i tidligere bestrålet regioner eller andre kræftformer, hvor risikoen for normale vævsskade er høj med photon behandling. Nedenfor, diskutere vi anvendelse og fordel af proton terapi for prostata-, bryst- og medulloblastom. Vores mål er at give læserne med en bedre forståelse af anvendelsen af proton terapi for tumorer almindeligt hos mænd, kvinder og børn.

I USA er prostatakræft mest almindeligt diagnosticeret malignitet i mænd og den næsthyppigste årsag til cancer-relaterede dødsfald blandt mænd. En anslået 164,690 nye tilfælde vil blive diagnosticeret i 2018, og mere end 29.000 mænd vil dø af sygdommen. Non-metastatisk prostatacancer patienter er berettiget til behandlingsmuligheder, herunder aktiv overvågning, radikal prostatektomi, brachyterapi og ekstern strålebehandling med fotoner eller protoner22. Nøjagtig behandling træffes afhængigt af patientens anatomi, co-morbiditet, tumorstatus, læge dom og patienten præference.

Stråling levering for tidlige stadium prostatakræft er begrænset til prostata. I forbindelse med mellemliggende risiko prostatakræft målrettes de proksimale Sædblærer så godt. Selv om delvis prostata behandlingsformer udforskes, stadig hele kirtlen terapi standarden for pleje. Obturatoren, pre sakrale, interne iliaca, og eksterne iliaca noder er ofte inkluderet for patienter med ugunstige mellemliggende og højrisiko sygdom.

Før strålebehandling planlægning, fiducial markører kan placeres for at tillade image-vejledt behandling ved hjælp af forbehandling kilovoltage imaging (dvs., standard x-stråler)23. Derudover kan en hydrogel spacer også indsættes før CT simulation til at skabe en kløft mellem endetarmen og prostata til yderligere grænse dosis til rektal væv24,25. Under behandling planlægning, bør patienter simuleres i den liggende stilling med bækkenet ubevaegeligt ved hjælp af en skræddersyet pude enhed. En rektal ballon kan placeres på CT simulation til at begrænse både prostata bevægelse og usikkerhed med hensyn til rektal volumen og tæthed26. Et komfortabelt fuld blæren er anbefales at begrænse dosis til tyndtarmen og den forreste del af blæren27. Mr simulering er også rådes til at tillade mere præcise mål volumen afgrænsning26.

Behandlinger bør være designet til at levere doser af 75,6-79.2 Gy til prostata, med doser på 45-50,4 Gy anbefales til elektiv dækning af nodal eller sædblæren regioner risikerer mikroskopisk sygdom spredes9. Alle fraktioner leveres én gang dagligt i 1.8-2 Gy pr. fraktion. For mellemliggende og højrisiko patienter modtager en brachyterapi-boost, begrænses den eksterne stråle stråledosis til ca 45 Gy. Brachyterapi doser af 110 Gy bør anvendes med I-125 lav dosis sats permanente implantater. Med højdosis-brachyterapi leveret via katetre, omfatter almindeligt anvendte boost regimer 13 til 15 Gy x 1 fraktion, 8 til 11,5 Gy x 2 brøker, 5,5 til 6,5 Gy x 3 brøker og 4.0 til 6.0 Gy x 4 brøker9.

Behandling planlægning dosimetri er optimeret til at begrænse dosis til blæren, endetarm og tyktarm. Dosimetriske sammenligninger mellem photon-versus proton - baseret terapi (dvs., IMRT versus IMPT teknikker) har vist forbedret besparende af doser til normale væv med sidstnævnte tilgang28.

Prostatakræft specifikke dødelighed er under 2% i 10 år for mænd med tidlige fase sygdom22 uanset behandling valgt. Med dosis-intensiveret RT vise høj risiko patienter også en lav prostatakræft specifikke dødelighed på 5% på 9 år29. Dødelighed er fortsat lav i vid udstrækning på grund af tilgængeligheden af systemiske behandlinger, der forbliver effektiv i indstillingen metastatisk. Resultater med både IMRT og proton terapi forblive fremragende30,31. PARTIQoL (NCT01617161) undersøgelse er en igangværende, randomiseret studie mellem proton beam terapi (PBT) og IMRT for lav og mellemliggende risiko prostatakræft, hvilket forhåbentlig vil afgøre, om én modalitet er superior over den anden.

Brystkræft er mest almindeligt diagnosticeret malignitet i kvinder og den næsthyppigste årsag til cancer-relaterede dødsfald blandt amerikanske kvinder. En anslået 268,670 nye tilfælde vil blive diagnosticeret i 2018, og 41,400 kvinder vil dø af sygdommen1. I modsætning til i prostata cancer, hvor de fleste patienter får stråling som monoterapi, modtage brystkræftpatienter stråling efter operationen for at mindske risikoen for kræft tilbagefald11. Kræves, afhængigt af omfanget af kirurgi, stråling kan målrettes til de resterende bryst efter tumor lumpectomy eller brystvæggen efter mastektomi11,32. Regionale lymfeknuder i armhule, supraclavicular og interne brystkirtler områder kan være målrettet, hvis de betragtes som risiko for tumor spredes.

Behandling tidsplaner for brystkræft patienter typisk medfører en gang daglig behandling, fem dage om ugen. Tidlige fase patienter er normalt behandles med konventionelt fraktioneret (1,8-2,0 Gy/fraktion; 50 Gy alt) eller hypofractionated (2,67 Gy/fraktion, 40.05-42.56 Gy alt) regimer til hele brystet11,33. Patienter med mere avancerede, men lokaliseret sygdom behandles med konventionelle fraktionering til 50 Gy (1,8-2,0 Gy/fraktion) til hele brystet eller brystet væg og regionale lymfeknuder. Disse doser er effektiv for subklinisk sygdom, som kan være til stede efter operationen.

CT simulation for bryst kræft strålebehandling er typisk udført i den liggende stilling. I modsætning til prostatakræft, er begge arme bortført overhead for at tillade bestråling af brystet væg eller bryst væv. Derudover udnyttet en tilpasset vugged enhed og bryst-board ofte til at immobilisere brystkassen i en ophøjet position, således at manubrium er parallel til tabellen behandling. Dette sikrer, at brystvævet ikke falder overlegent til hals-området.

Stråling til hjertet under brystkræft er associeret med en øget risiko for fremtidige iskæmisk sygdom34. Som følge heraf er teknikker for at minimere hjerte doser af afgørende betydning. En metode er at ansætte deep-inspiratory ånde hold (DIBH) til at øge den intrathoracic plads og afstanden mellem hjerte og anterior brystet væg/bryst. Da metoden indebærer, vil patienter behandlet med DIBH suspendere deres respiratorisk cyklus og modtager behandling på det højeste punkt af inspiration. Men, ikke alle patienter er stand til at tolerere åndedrag holder af tilstrækkelig varighed til at tillade denne teknik. Hos nogle patienter, en udsat position kan være fordelagtige og tillade brystvæv til at hænge fra kritiske normale væv, herunder hjertet35. En ulempe ved denne tilgang er den begrænsning, det lægger på muligheden for at målrette lymfevejene regioner. Proton terapi kan opnå betydelige hjerte dosis besparende uden brug af DIBH og tilbøjelige teknikker36,37.

Proton terapi er ansat for brystkræftpatienter og har vist sig for at være overlegen i forhold til foton-baserede teknikker dosis besparende virkning på kritiske strukturer som lunger og hjerte38. Et enkelt felt pencil beam scanning (PBS) plan med en række shifter kan udnyttes til at administrere proton stråling til brystvæggen og regionale knudepunkter. Passiv scatter tilgange kan også være ansat. Hvis flere felter er nødvendige for at behandle hele brystvæggen og regionale knudepunkter på grund af feltet begrænsninger, skal være ansat felt matchende teknikker. Én strategi er at ansætte brystet væg felterne matches med en hud hul på 2-4 mm under den clavicula head39og matchende supraclavicular. Felt grænser flyttes over 1 cm afstand på forskellige tidspunkter under kurset stråling at minimere varme og kolde steder.

Kliniske resultater med bryst kræft stråling viser en samlet overlevelse 50% for tidlig fase sygdom11 og 37% for lokalt fremskreden patienter på 20 års opfølgning32. I betragtning af den lange remission periode, minimering af behandling relateret toksicitet er til stor bekymring. Selvom proton terapi forventes at potentielt lavere hjerte toksicitet risici, som dette spørgsmål undersøges i den igangværende RADCOMP Consortium forsøg (NCT02603341), som randomizing kvinder med brystkræft til foton eller proton strålebehandling.

Kræft er den næsthyppigste dødsårsag hos børn i alderen 1-14 i USA og er kun overgået af ulykker. I 2018, 10,590 børn vil blive diagnosticeret med kræft, og 1,180 vil dø af deres malignitet1. Blandt denne gruppe, vil 250-500 patienter diagnosticeret med medulloblastom. Medianalderen ved diagnosen af medulloblastom er 4-6 år. I betragtning af den høje risiko for cerebrospinalvæske inddragelse og formidling (30-40%), er kraniospinal bestråling (CSI) standard for pleje hos disse patienter, med ca. 80% overlevende med passende behandling.

Medulloblastom patienter er stratificeret i standard-risiko og høj-risiko grupper baseret på alder, tilstedeværelsen af anaplasia eller metastaser og mængden af resterende tumor efter kirurgisk resektion. I begge tilfælde omfatter behandling postoperative stråling. RT for medulloblastom indebærer oprindelige CSI til en dosis af 23,4-36 Gy. Ekstra dosis er da givet til tumor bed at opnå en dosis på 50,4-55,8 Gy til den primære tumor site40. Behandling planlægningshensyn omfatter begrænsning af de maksimale doser til hjernestammen og rygmarven til 54 Gy og 45 Gy, henholdsvis. CSI kan leveres ved hjælp af photon eller proton terapi. CT simulering og behandling ofte kræver anæstesi til at sikre, at patienterne ikke bevæger sig under behandling41.

På grund af de store områder med stråling, foton-baserede RT teknikker resultere i betydelige bestråling eksponering for thorax og abdominale strukturer forreste rygmarven, herunder lunger, hjerte, nyrer tarm og bryst. Disse regioner kan blive skånet fra overskydende stråling med proton terapi (figur 3)42. PT baseret CSI kræver to lidt skrå laterale felter til at bestråle den øverste halshvirvelsøjlen og hjernen, samt en eller flere posterior-anterior bjælker målrettet til de lavere regioner, livmoderhalskræft, thorax, lumbale og sakrale rygsøjlen. Flere felter skal udfyldes, da målet CTV for CSI omfatter hele cerebrospinalvæske (CSF) plads strækker sig fra hjernen vertex til rygmarvskanalen gennem cauda equina på niveauet for S2/S3 vertebrale junction (figur 3). Ryg længde bestemmer antallet af spinal felter kræves for behandling. Den overlegne kanten af feltet øverste spinal er afstemt med ringere grænsen af felterne kranie. Hvis feltet rygsøjlen ikke kan dække hele rygsøjlen, modsvares en anden spinal felt til den ringere kanten af den øverste spinal felt. Denne proces kan gentages, hvis en tredje felt kræves for højere patienter. For patienter under 15 år, er den forreste kant af felterne rygsøjlen udvidet til at omfatte hele vertebrale organer for at sikre en ensartet dosis til knogle påkrævet for at forhindre fremtidige vækst abnormiteter i udviklingslandene skelettet. For personer over 15 år, er den forreste rygsøjle felt grænse udvidet 2-3 mm uden for rygmarvskanalen i rygsøjlen.

Både passiv scatter og PBS teknikker har været udnyttet til CSI42,43. Specifikke mål for CSI terapi omfatter homogene stråledosis til cerebrospinalvæske (CSF) til den nederste ende af den thecal sac (S2 og S3) fuld dosis til den forreste kranie basen og cribriform plade, minimering af dosis til fiberoptiske strukturer, indskrænkning af thyreoidea ikke mere end 5% af recept dosis, og minimering af dosis til spiserøret43.

Passiv scatter behandling planlægning begynder typisk med oprettelsen af kraniel felter. Range kompensatorer med manuel redigering er ofte forpligtet til at skabe en homogen dosis fordeling i hjernen samtidig begrænse dosis til øjne og cochlea. For spinal felter, er kompensatorer fortykket på skjoldbruskkirtlen plan at minimere dosis. Så er særlig opmærksomhed til feltet kryds mellem felterne kraniel og spinal og mellem flere spinal felter når det kræves. Området junction er defineret som 1,25-1,5 cm længde hvor felterne støder. Krydset er flyttet i den kranielle eller caudale retning ugentlig at forhindre udvikling af varme eller kolde dosis områder. Ideelt set holdes dosis varians mellem 95-108% af recept dosis. Feltet vægtning, blænde redigeringer og kompensator redigeringer er ansat til at opnå dette mål43.

Forskere på MD Anderson Cancer Center har udviklet en trinvis strategi for CSI planlægning42. Denne tilgang indebærer udvikling af et MFO plan at behandle felterne kraniel og nedre ryg, efterfulgt af oprettelsen af en SFO plan for den brysthvirvelsøjlen. Dosis gradienter er udnyttet på krydset områder. SFO-planen er derefter kopieres til den oprindelige MFO plan at udvikle en endelig, sammensatte MFO plan. Rygsøjlen knudepunkter er flyttet én gang af 2 cm over en 4-ugers kursus i behandling. I forhold til passiv scatter CSI baseret PBS CSI tilbyder betydelige reduktioner i strålingsdosis linser, cochlea og parotideale kirtler, men på bekostning af øget skjoldbruskkirtlen dosis42.

Medulloblastom patienter kan forvente begivenhed gratis overlevelsesrater på 60-80% afhængig af risikoen strata44. I betragtning af det store område af bestrålede væv med CSI, og den følsomme karakter af pædiatriske patienter, langsigtede sideeffekt risici er betydelige og omfatter neurokognitive nedskrivninger, sekundære maligniteter, hypofyse dysfunktion, høretab, hjertesygdom , infertilitet, hypothyroidism, vasculopathy, tørre øjne, kataraktdannelse, tab af synet og stråling nekrose/transversa. Derfor kan proton-baserede CSI tilbyder en betydelig fordel for mange patienter.

Figure 1
Figur 1: dybde dosis kurver for strålebehandling. Dosis distributioner som funktion af dybden i vand vist for forskellige kliniske stråling bjælker. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 2
Figur 2: sammenligning af proton og photon brystet stråling. Procent dosis distribution for en patient med lokalt fremskreden brystkræft modtager strålebehandling med enten IMRT (A, B) eller protoner (C, D) og viser omfattende stråling dosis reduktion til hjertet og lungerne med protoner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 3
Figur 3: sammenligning af proton og foton kraniospinal stråling. Procent dosis distribution for en patient med medulloblastom modtager kraniospinal bestråling ved hjælp af enten protoner (A) eller IMRT (B) og viser omfattende stråling dosis reduktion til intra thorax og intra-abdominalt regioner med protoner. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Foton Proton
Partikel Type Boson Sammensat Fermion
Afgift [C] 0 +1.602 x 10-19
Masse [kg] 0 1.672 x 10-27
Spin 1 1/2
Energy† [MeV] 0,1 - 25 10 - 250
Fælles kilder Lineær Accelerator, Co-60 radioisotoper, X-ray Tube Cyclotron eller synkrotron Accelerator
Leveringsmetoder Kollimeret Solid bjælker, Multileaf kollimatorer, intensitet graduering, buer Passiv spredning, magnetiske Scanning
† Energi vifte typisk bruges til at behandle menneskelige kræftformer

Tabel 1: Sammenligning af proton og photon stråling.

Discussion

Stråling behandling planlægning og levering for kræft er en meget tilpasset proces personlig til enkelte patient og dennes særlige kræft. Moderne strålebehandling er en image-vejledt intervention-baserede CT billeder fremstillet under en tilpasset stråling planlægning simulation. CT billeddannelse er obligatorisk, da det indeholder 3-dimensionelle (3D) anatomiske oplysninger om patient samt præcis kvantificering af væv tætheder på forskellige steder i kroppen, der er nødvendige til beregning af dosis. Under CT billeddannelse, er patienten placeret på en motoriseret tabel. Flere mekaniske immobilisering enheder er typisk ansat til at begrænse patienternes bevægelighed under imaging og under efterfølgende RT levering. Afhængigt af den ønskede præcision, disse enheder spænder fra simple skimmel-type puder og plast masker, som svarer til den patient overflade og derefter hærde for at begrænse bevægelse, til mere invasive anordninger såsom stive kraniet enheder er der boret i sted. Oftentimes, er immobilisering enhed kræves præcision dikteret af tumor væv nærhed til nærliggende vigtige strukturer. Som et eksempel, de mest invasive immobilisering enhed, et hoved halo boret ind i sted, bruges sommetider når enkelt millimeter præcision er nødvendig for at behandle en tumor nær øjne eller synsnerverne at minimere risikoen for blindhed, der kan opstå fra patienten bevæger sig i en forkert position under behandling.

CT billeddannelse oplysninger bruges også til at optimere interne normale væv anatomi. For eksempel, er blære udspilning ofte udnyttet til at minimere blære og tyndtarmen dosis eksponering for bestråling af prostata som anført i ovennævnte protokol. Ligeledes, hvis maven er især udspilet med mad under simulation for øvre abdominal bestråling (for eksempel, gastrisk, leveren, distale spiserøret), patienten er re simulerede efter at lade maden til at passere gennem maven og tarmkanalen . Dette vil skrumpe maven og mindske risikoen for stråling under strålebehandling af øvre abdominal tumorer. I tilfælde hvor maven eller blære sig er stråling mål, de kan være bevidst udspilet eller tømt for at optimere dosis distribution.

I nogle tilfælde, en tumor er ikke tilstrækkeligt eller pålideligt visualiseret på CT men kan identificeres mere præcist ved hjælp af en MR-scanning eller en PET-scanning. I sådanne tilfælde bruges PET eller MRI-scanninger til at supplere CT data, da sidstnævnte er stadig nødvendig til beregning af dosis. Dette opnås ved at registrere MRI og PET billederne til CT billeder for planlægning terapi. Mr-scanninger give ofte meget større visuel kontrast og højere opløsning end CT, som kan være gavnligt at identificere tynd, bløddelene grænser af en tumor som dem i hjernen eller leveren. PET giver et funktionelt syn på fordelingen af radioaktivt mærket tracer molekyler injiceres i patienten.

Nogle tumorer opstår i områder af thorax eller maven hvor de kan bevæge sig betydeligt med respiration. For at tage højde for denne bevægelse at sikre stråling nøjagtighed, kan en 4-dimensional CT, en form for "film-mode" CT billeddannelse, bruges til at fange den 3D patientens anatomi som det ændrer sig over tid under respiration. For nogle thorax og abdominale mål, kan kompression bælter eller andre former for motion afbødning anvendes under terapi til at begrænse motion og begrænse usikkerheden vedrørende tumor placering45.

Når patienten er simuleret til behandling, er en personlig behandlingsplan udviklet med hensyntagen til kræft histologi, tumor placering og anatomiske træk, som påvirker den optimale konfiguration af stråling bjælker, partikel typer, energi, og dosis niveauer for hver enkelt patient. For hver patient anses en række grundlæggende spørgsmål i første omgang af det kliniske team til at udvikle en optimal behandlingsplan. Som udgangspunkt, skal du vælge den mest passende form for stråling. Inkluderer fotoner, elektroner og protoner. Dette er normalt efterfulgt af udvælgelse af stråle type stråling levering. De fleste RT maskiner omfatter en robot patienten positionering tabel og en roterende gantry, der tillader RT bjælker skal rettes ind i patienten ved næsten enhver vinkel. Beslutningen indebærer, at finde den sti, der mest effektivt slår målet med RT og bedst undgår ikke-mål, der kan være i vejen for de valgte bjælker. I nogle tilfælde bestemmes i stråle vinkel i planlægningssystemet, selv efter indtastning i stråling mål for tumorer og normale væv. Denne proces kaldes "inverse planlægning" og sker ofte i forbindelse med IMRT, som involverer modulerende intensiteten af flere, indgående stråling bjælker i en tidsafhængig måde, der giver en ensartet mål dosis, men kan føre til meget uensartet dosis uden for målet. Selv om både foton eller proton terapi kan være intensitet moduleret, inverse planlægning er udnyttet i vid udstrækning i baseret photon IMRT kun. Hvis solid stråling bjælker der skal bruges, kan brugerdefinerede metal kollimatorer fabrikeret til at matche form af stråling bom med figuren af tumor.

Hvis proton terapi er valgt, så skal en efterfølgende beslutning der foretages vedrørende brug af passiv scatter eller PBS teknikker. I tilfælde af PBS kræves en yderligere beslutning vedrørende brug af MFO eller ét felt optimering/single-felt ensartet dosis (SFO/SFUD) strategier. I MFO behandlinger er flere bjælker forpligtet til at behandle en tumor under hver fraktion, da hver bom mål kun en del af målet. I modsætning til SFO planer dækker hver bjælke hele målet. MFO er ofte foretrukket for tumorer tæt på en kritisk struktur (fx., hjernesvulst nær synsnerven) hvor en række beam vinkler kan være en fordel at forme strålingsdosis. MFO strategier også sikre at alle stråling bjælker/steder ikke "vifte" i det samme område, hvor dosis kan være uventet høje på grund af Bragg Peak-effekt. På den anden side er SFO begunstiget til mål i nærheden af områder af anatomiske usikkerhed, såsom prostata, som kan flytte på grund af differential blære og rektal udfyldning. SFO giver øget robusthed mod dosis ændringer på grund af anatomiske afvigelser.

Når den basale planlægning strategi er besluttet, indebærer den næste fase af behandling planlægning typisk matematisk optimering af felterne stråling. Energi, intensitet og rumlige fordeling (rumligt varierende flux) af indgående stråling er typisk gratis parametre i optimering. Sammen med den store 3D matrix repræsentation af patientens anatomi ved CT føre disse gratis variabler til et meget stort problem størrelse og tilsvarende store optimering matricer (f.eks.tusindvis af CT værdier og tusindvis af mulige stråle intensitet skal tages i betragtning). Disse matricer er indrammet i en mål-funktion, som er en matematisk formulering af "behandling planlægning mål". Som nævnt ovenfor, behandling mål prioriteres for at først opnå den foreskrevne dosis til målet, og for det andet for at opnå så lav en dosis som er muligt at normale væv. For at minimere denne objektive funktion, høj computerkraft ønskes hurtigt udføre RT transport beregninger, der befolker matricer, og numeriske optimering metoder, såsom gradient-søgning algoritmer, der bruges til at hurtigt søge efter lokale minima i funktionen. Disse minima svarer til optimal behandlingsplaner for hver unik patient. Rollen af computere i behandling planlægning kan ikke overvurderes. Moderne strålebehandling og diagnostisk radiologi ville ikke være mulig uden computer fremskridt i de seneste tre årtier.

Som en afsluttende fase, er optimeret behandlingsplan gennemgået af det medicinske team (læge, dosimetrist og fysiker). I mange tilfælde, kan planen tilpasses yderligere eller re optimeret med forskellige mål at forbedre kvaliteten. Når planen er fundet for at være optimal, de tekniske parametre af planen gennemgås af en fysiker og overført til behandling levering maskine.

I mange tilfælde returnerer patienten for flere behandling fraktioner (sessioner), ofte hver ugedag i flere uger. Multi-dages fraktionering kan intensivere akut stråling-induceret bivirkninger men kan reducere potentiale sent, mere alvorlige bivirkninger af RT sammenlignet med single-fraktion behandling12. Multi brøkdel tilgange er optimal for tumorer, der hurtigt dividere eller ude af stand til at reparere subletale skader fra RT. Dette afhænger imidlertid den nøjagtige behandlingsstedet og følsomheden af de nærliggende normale væv. Da målet med stråling behandling levering er at administrere den samme behandling under hver fraktion, kan selv et par millimeter af bevægelse eller usikkerhed i positionen patient føre til nedbrydning af partikel terapi behandlingsplan. Af denne grund, indbyggede image vejledning systemer er af afgørende betydning under multifraction RT. X-ray kameraer, kegle stråle CT scanninger eller optisk, laser-scanning overfladen kameraer er alle tilgængelige til dette formål. Disse enheder tillader image-vejledt strålebehandling (IGRT) gennem billeddannelse af anatomiske landemærker, tumor mål eller surrogat radio-uigennemsigtig fiducial markører. IGRT billeder er i forhold til de oprindelige simulation scanner og justeret for nødvendig, inden hver fraktion af stråling.

Trods fordelen, at de finite række proton terapi, som begrænser exit dosis, er præcisionen af vifte forudsigelse typisk ses i behandling planlægning om et par millimeter. Den nøjagtige energitab i forskellige patient væv er usikker, for det første, da de præcise molekylære komponenter af væv er tvetydige, og for det andet, da patientens anatomi ændrer sig over tid, både over korte tidsfrister (fx vejrtrækning) og længere frister (f.eks., vægttab, tumor krympning, normale Anatomi ændringer). For at imødegå denne usikkerhed, tilføjes et "distale margen" destinationsenheden, der er en yderligere margin på normale væv lige uden for den maksimale tumor dybde. Sådan en margen sikrer, at selv med usikkerhed i vifte forudsigelse, hele tumor dybde behandles med høj genkendelsessikkerhed. Desværre kan den normale væv margen som et resultat blive udsat for den fulde RT dosis, som potentielt kan føre til betydelige RT bivirkninger i dette væv. Derimod som fotoner ikke gør stoppe men snarere forlade målet, ingen sådanne distal margen er nødvendig for at kompensere vifte usikkerhed. En geometrisk margen bruges stadig i photon terapi adresse positionelle usikkerhed af målet, men fotoner er langt mindre følsomme end protoner patient væv opstrøms præcise status af målet. Derfor, den nødvendige margen kan undertiden være mindre for fotoner end protoner. Dette kan forstås ved at overveje at protoner gennemgå kontinuerlig energitab i væv, der i høj grad påvirker placeringen af deres sortiment, mens fotoner er tomt og frit rejse i det tomme rum mellem atomerne og deres orbitaler, bortset fra sjældne kollisioner med elektroner eller kerner. Stor tæthed forskelle i væv, fx., metalliske genstande eller luft hulrum, dog stadig påvirke photon dosis samt proton dosis, men til en lavere størrelsesorden.

En sidste og vigtig usikkerhed vedrører radiobiological effektivitet (RBE) af forskellige former for stråling. RBE er forholdet mellem doser, fra en stråling referencetype og stråling testtypen, på betingelse af at begge stråling typer producere den samme biologiske effekt. Jo højere RBE, jo mere skadelige stråling pr. enhed af energi deposition i væv. RBE ratio defineres med henvisning til foton stråling. Trods denne ligetil beskrivelse er der faktisk stor usikkerhed om RBE værdier for ladede partikler i stedet for fotoner. Forskelle i de rumlige dosis fordelinger mellem fotoner og ladede partikler på mikrometer og nanometer skala føre til forskelle i biologiske effekt, selv når de makroskopiske doser er identiske. Dette kan forstås ved at undersøge de rumlige mønstre af DNA-skader efter udsættelse for ladede partikler i forskellige doser og forskellige kinetisk energi. Forskellige kinetisk energi og forskellige afgifter af protoner (+ 1) og kulstof ioner (+ 6) føre til forskelle i energioverførsel på forskellige dybder i patienten, for fotoner, energioverførsel er sammenligneligt lavere og også mere ensartede i hele patienten. Mens teoretisk forstået, er der betydelig debat i stråling onkologi Fællesskabet vedrørende evne til præcist at forudsige sådanne biologiske virkninger. For carbon ion terapi er der en mangel på enighed om hvordan man bedst til at modellere disse biologiske effekter, selvom der er enighed om at sådanne virkninger skal modelleres til at give terapi. For protoner, mest kliniske centre i øjeblikket planlægger terapi uden eksplicit modellering af RBE effekter, bortset fra ved hjælp af en konstant korrektionsfaktor på 1,1, men det er sandsynligt, at ændre i den nærmeste fremtid som nye kommercielle behandling planlægning systemer er begyndt at omfatter biologiske modellering softwareværktøjer til at modellere RBE af proton terapi.

Med færdiggørelsen af randomiserede undersøgelser, herunder RADCOMP, PARTIQoL og RTOG 1308, bør vi have mere konkrete svar, hvilke former for stråling kan være overlegen for bryst-, prostata- og lungekræft, henholdsvis. Lignende undersøgelser er planlagt for andre sygdom websteder, der kan hjælpe til bedre identificere den bedste behandling modalitet for disse tumortyper. Der er imidlertid allerede tilstrækkelige data til at foreslå overlegenhed af protoner i visse indstillinger, især i den pædiatriske befolkning, hvor væsentlig normale væv besparende kan i høj grad reducere sygelighed fra toksicitet, herunder sekundære maligniteter.

Disclosures

A.H. har honorarer fra Astrazeneca, Bayer og Novartis. A.H. har rådført sig med Astrazeneca og Bristol-Myers Squibb Bayer og var en højttaler til Frankrig Foundation.

Acknowledgments

S.R. anerkender tilskud fra programmet NIH lån tilbagebetaling. A.H. har modtaget støtte fra Bayer, Clovis, konstellation, Agensys, Sotio, Cerulean og Calithera.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Proton beam cyclotron and gantry delivery system Varian N/A Allows for generation and delivery of protons for radiotherapy
kVUE One Proton Couch Top Qfix RT-4551KV-03 Permits patient placement for radiotherapy
CT simulator with 4D scanning capability GE N/A Permits CT simulation for radiation planning
100" x 70" Qfix VacQfix Cushion Qfix RT-4517-10070F30 Immobilizes patient for more precise radiation delivery
Timo Foam Head Support Qfix RT-4490-F Ensures minimization of head motion during radiotherapy
3 CT Localizers Localization Markers Beekley Medical REF 211 Ensures concordance of external markers and internal patient anatomy from CT simulation
VacQfix Indexer Qfix RT-4517-IND01 Ensures VacQfix cushion placement is reproducible for every radiatiion treatment
Radiation treatment planning software Raystation N/A Allows for personalized radiation planning for every tumor with robust optimization and multi-criteria optimization
Proton Range Compensator .Decimal RC-AC 1018 Adjusts the range of the proton beam to achieve distal dose conformality
Proton Beam Aperture .Decimal AP-BR 1800 Shapes the proton beam treatment area
Proton Range Shifter .Decimal RS-AC 1018 Adjusts proton beam tissue depth penetration
Endorectal Balloon Radiadyne ILG-90F Ensures uniform rectal filling and prostate positioning

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Siegel, R. L., Miller, K. D., Jemal, A. Cancer statistics, 2018. CA A Cancer Journal for Clinicians. 68 (1), 7-30 (2018).
  2. Barton, M. B., et al. Estimating the demand for radiotherapy from the evidence: a review of changes from 2003 to 2012. Radiotherapy and Oncology. 112 (1), 140-144 (2014).
  3. Pan, H. Y., et al. Supply and Demand for Radiation Oncology in the United States: Updated Projections for 2015 to 2025. International Journal of Radiation Oncology Biology and Physics. 96 (3), 493-500 (2016).
  4. Reed, A. B. The history of radiation use in medicine. Journal of Vascular Surgery. 53 (1 Suppl), (2011).
  5. T Landsberg, P. Nobel Lectures in Physics, 1901-1921. 18, (1967).
  6. Non-small cell lung cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/nscl.pdf (2018).
  7. Pancreatic Adenocarcinoma. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/pancreatic.pdf (2017).
  8. Breast cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/breast.pdf (2017).
  9. Prostate Cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/prostate.pdf (2017).
  10. Chang, J. Y., et al. Stereotactic ablative radiotherapy versus lobectomy for operable stage I non-small-cell lung cancer: a pooled analysis of two randomised trials. Lancet Oncology. 16 (6), 630-637 (2015).
  11. Fisher, B., et al. Twenty-year follow-up of a randomized trial comparing total mastectomy, lumpectomy, and lumpectomy plus irradiation for the treatment of invasive breast cancer. The New England Journal of Medicine. 347 (16), 1233-1241 (2002).
  12. Hall, E. J., Giaccia, A. J. Radiobiology for the radiologist. , Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. (2012).
  13. Lomax, A. J. Charged particle therapy: the physics of interaction. The Cancer Journal. 15 (4), 285-291 (2009).
  14. Rossi, B., Greisen, K. Cosmic-Ray Theory. Reviews of Modern Physics. 13 (4), 240-309 (1941).
  15. Blakely, E. A., Chang, P. Y. Biology of charged particles. The Cancer Journal. 15 (4), 271-284 (2009).
  16. Schardt, D., Elsässer, T., Schulz-Ertner, D. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits. Reviews of Modern Physics. 82 (1), 383-425 (2010).
  17. Chun, S. G., et al. The Potential of Heavy-Ion Therapy to Improve Outcomes for Locally Advanced Non-Small Cell Lung Cancer. Frontiers in Oncology. 7 (201), 1-3 (2017).
  18. Pan, H. Y., Jiang, J., Shih, Y. T., Smith, B. D. Adoption of Radiation Technology Among Privately Insured Nonelderly Patients With Cancer in the United States, 2008 to 2014: A Claims-Based Analysis. Journal of the American College of Radiology. 14 (8), (2017).
  19. Michalski, J. M., et al. Effect of Standard vs Dose-Escalated Radiation Therapy for Patients With Intermediate-Risk Prostate Cancer: The NRG Oncology RTOG 0126 Randomized Clinical Trial. JAMA Oncology. , (2018).
  20. Glimelius, B., et al. Number of patients potentially eligible for proton therapy. Acta Oncologica. 44 (8), 836-849 (2005).
  21. Doyen, J., Falk, A. T., Floquet, V., Herault, J., Hannoun-Levi, J. M. Proton beams in cancer treatments: Clinical outcomes and dosimetric comparisons with photon therapy. Cancer Treatment Reviews. , 104-112 (2016).
  22. Hamdy, F. C., et al. 10-Year Outcomes after Monitoring, Surgery, or Radiotherapy for Localized Prostate Cancer. New England Journal of Medicine. 375 (15), 1415-1424 (2016).
  23. Ng, M., et al. Fiducial markers and spacers in prostate radiotherapy: current applications. British Journal of Urology International. 113, 13-20 (2014).
  24. Hedrick, S. G., et al. A comparison between hydrogel spacer and endorectal balloon: An analysis of intrafraction prostate motion during proton therapy. Journal of Applied Clinical Medical Physics. 18 (2), 106-112 (2017).
  25. Hamstra, D. A., et al. Continued Benefit to Rectal Separation for Prostate Radiation Therapy: Final Results of a Phase III Trial. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 97 (5), 976-985 (2017).
  26. Wortel, R. C., et al. Local Protocol Variations for Image Guided Radiation Therapy in the Multicenter Dutch Hypofractionation (HYPRO) Trial: Impact of Rectal Balloon and MRI Delineation on Anorectal Dose and Gastrointestinal Toxicity Levels. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 99 (5), 1243-1252 (2017).
  27. Chen, Z., Yang, Z., Wang, J., Hu, W. Dosimetric impact of different bladder and rectum filling during prostate cancer radiotherapy. Radiation Oncology. 11, 103 (2016).
  28. Rana, S., et al. Dosimetric and radiobiological impact of intensity modulated proton therapy and RapidArc planning for high-risk prostate cancer with seminal vesicles. Journal of Medical Radiation Sciences. 64 (1), 18-24 (2017).
  29. Rodda, S., et al. ASCENDE-RT: An Analysis of Treatment-Related Morbidity for a Randomized Trial Comparing a Low-Dose-Rate Brachytherapy Boost with a Dose-Escalated External Beam Boost for High- and Intermediate-Risk Prostate Cancer. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 98 (2), 286-295 (2017).
  30. Zietman, A. L., et al. Randomized trial comparing conventional-dose with high-dose conformal radiation therapy in early-stage adenocarcinoma of the prostate: long-term results from proton radiation oncology group/american college of radiology 95-09. Journal of Clinical Oncology. 28 (7), 1106-1111 (2010).
  31. Al-Mamgani, A., Heemsbergen, W. D., Peeters, S. T., Lebesque, J. V. Role of intensity-modulated radiotherapy in reducing toxicity in dose escalation for localized prostate cancer. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 73 (3), 685-691 (2009).
  32. Ragaz, J., et al. Locoregional radiation therapy in patients with high-risk breast cancer receiving adjuvant chemotherapy: 20-year results of the British Columbia randomized trial. Journal of the National Cancer Institute. 97 (2), 116-126 (2005).
  33. Whelan, T. J., et al. Long-term results of hypofractionated radiation therapy for breast cancer. New England Journal of Medicine. 362 (6), 513-520 (2010).
  34. Darby, S. C., et al. Risk of ischemic heart disease in women after radiotherapy for breast cancer. New England Journal of Medicine. 368 (11), 987-998 (2013).
  35. Wroe, A. J., Bush, D. A., Schulte, R. W., Slater, J. D. Clinical immobilization techniques for proton therapy. Technology in Cancer Research and Treatment. 14 (1), 71-79 (2015).
  36. Shah, C., et al. Cardiac dose sparing and avoidance techniques in breast cancer radiotherapy. Radiotherapy and Oncology. 112 (1), 9-16 (2014).
  37. Patel, S. A., et al. Postmastectomy radiation therapy technique and cardiopulmonary sparing: A dosimetric comparative analysis between photons and protons with free breathing versus deep inspiration breath hold. Practical Radiation Oncology. 7 (6), e377-e384 (2017).
  38. Depauw, N., et al. A novel approach to postmastectomy radiation therapy using scanned proton beams. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 91 (2), 427-434 (2015).
  39. MacDonald, S. M., et al. Proton therapy for breast cancer after mastectomy: early outcomes of a prospective clinical trial. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 86 (3), 484-490 (2013).
  40. Merchant, T. E., et al. Multi-institution prospective trial of reduced-dose craniospinal irradiation (23.4 Gy) followed by conformal posterior fossa (36 Gy) and primary site irradiation (55.8 Gy) and dose-intensive chemotherapy for average-risk medulloblastoma. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 70 (3), 782-787 (2008).
  41. McMullen, K. P., Hanson, T., Bratton, J., Johnstone, P. A. Parameters of anesthesia/sedation in children receiving radiotherapy. Radiation Oncology. 10, 65 (2015).
  42. Stoker, J. B., et al. Intensity modulated proton therapy for craniospinal irradiation: organ-at-risk exposure and a low-gradient junctioning technique. International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 90 (3), 637-644 (2014).
  43. Giebeler, A., et al. Standardized treatment planning methodology for passively scattered proton craniospinal irradiation. Radiation Oncology. 8, 32 (2013).
  44. Gajjar, A., et al. Risk-adapted craniospinal radiotherapy followed by high-dose chemotherapy and stem-cell rescue in children with newly diagnosed medulloblastoma (St Jude Medulloblastoma-96): long-term results from a prospective, multicentre trial. Lancet Oncology. 7 (10), 813-820 (2006).
  45. Lin, L., et al. Evaluation of motion mitigation using abdominal compression in the clinical implementation of pencil beam scanning proton therapy of liver tumors. Medical Physics. 44 (2), 703-712 (2017).

Tags

Medicin spørgsmål 144 Pencil beam scanning protoner passiv scatter protoner intensitet moduleret proton terapi proton terapi partikel terapi prostatakræft
Proton terapi levering og dens kliniske anvendelse i Vælg Solid Tumor maligniteter
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Kaiser, A., Eley, J. G., Onyeuku, N. … More

Kaiser, A., Eley, J. G., Onyeuku, N. E., Rice, S. R., Wright, C. C., McGovern, N. E., Sank, M., Zhu, M., Vujaskovic, Z., Simone 2nd, C. B., Hussain, A. Proton Therapy Delivery and Its Clinical Application in Select Solid Tumor Malignancies. J. Vis. Exp. (144), e58372, doi:10.3791/58372 (2019).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter