Summary
Grunnleggende av stråling planlegging og levering for proton therapy med prostatakreft som modell presenteres. Anvendelsen av disse prinsippene til websteder valgte sykdom understreker hvordan proton strålebehandling kan forbedre kliniske utfall for kreftpasienter.
Abstract
Strålebehandling er en brukte modalitet for behandling av solid kreft. Selv om mekanismer av cellen drepe er like for alle former for stråling, varierer egenskapene i vivo foton og proton bjelker sterkt og kanskje utnyttet til å optimalisere kliniske utfall. Spesielt mister proton partikler energi på en forutsigbar måte idet de passerer gjennom kroppen. Denne egenskapen brukes klinisk kontrollere dybden på som proton strålen er avsluttet, og å begrense stråledose utover målregion. Denne strategien kan gi betydelige reduksjoner i stråledose til normalt vev ligger en svulst mål. Nedbrytning av proton energi i kroppen er imidlertid svært følsomme for vevs tetthet. Som en konsekvens, kan endringer i vevs tetthet i løpet av behandling vesentlig endre proton dosimetry. Slike endringer kan oppstå gjennom endringer i kroppsvekt, åndedrett eller tarm fylling/gass, og kan resultere i ugunstig dose deponering. I dette manuskriptet gir vi en detaljert metode for levering av proton terapi bruker både passiv scatter og blyant strålen skanning teknikker for prostatakreft. Selv om beskrives fremgangsmåten gjelder direkte prostata cancer pasienter, kan metoden og gjeldt for behandling av nesten alle solide svulster. Vårt mål er å utstyre lesere med en bedre forståelse av proton therapy levering og resultater for å lette riktig integrering av denne modaliteten under kreft terapi.
Introduction
Det anslås at 1,7 millioner personer i USA vil bli diagnostisert med kreft i 2018, med over 600 000 succumbing til sykdom1. Gjeldende behandlingstilbud innebære mono - eller multi - modality terapi bruker kirurgi og strålebehandling (RT) systemisk behandlinger. Med hensyn til RT får en fjerdedel av nydiagnostiserte pasienter det som del av første kreft terapi og nesten halvparten vil til slutt kreve det under deres sykdom kurs2,3.
Bruk RT dateres tilbake til 1895 da William Conrad røntgen oppdaget X-ray mens du arbeider med en katode - ray tube i sitt laboratorium ved Würzberg University i Tyskland4. Ikke lenge etter mottok pasienter med bred sykdommer som lupus og kreft behandlinger bruker radium stråler. Tidlig komplikasjoner ble raskt og ble også diskutert av Pierre Curie i hans Nobelprisen foredrag5. Siden stråling påvirker både normal og tumor vev, må nøye kontrollerte doser av stråling brukes til å maksimere det terapeutiske forholdet, definert som sannsynligheten for svulst kontroll versus sannsynligheten for uakseptabel toksisitet. Med gradvis fremskritt innen teknologi, i tillegg til bedre forståelse av radiobiology og fysikk, har dette terapeutiske forholdet mye bedre med tiden. Bruk av RT har betydelig forbedret resultater for flere typer kreft, som reflekteres av inkludering i nasjonale retningslinjer for kreft terapi6,7,8,9. I noen tilfeller kan RT brukes som eneste modalitet for terapi10, mens i andre sykdommer, den kan brukes som en del av multi-modalitet terapi for lokale sykdomskontroll eller utrydding av mikroskopiske sykdom11. Selv om ofte brukt med en helbredende hensikt, er mange RT pasienter behandlet for palliation av smerte eller andre symptomer som utvikler i svulst-indusert komprimering, invasjon eller ødeleggelse av normalt vev i innstillingen av loco-regionale eller omfattende, metastatisk sykdom.
De grunnleggende prinsippene bak RT er grei. Med anvendelse av stråling, er energi satt inn cellene til ionisering atomer. Denne energien, produserer selv om det kan heve temperaturen i et bestrålt område av bare noen microkelvin, frie radikaler som kan direkte skade utsatt celler som DNA skade12,13. Mye av vår forståelse av høy energi partikkel stråling og dets interaksjon med saken kommer fra teoretiske og eksperimentelle studier av kosmisk stråling og deres samspill i den øvre atmosfæren i de tidlige 20th century14. Høy energi (MeV til GeV) ladede partikler samhandle med en sak hovedsakelig via den elektromagnetiske kraften: som disse partiklene passerer gjennom saken eller vev, inelastic kollisjoner med orbital elektroner føre til ionisering og magnetisering av målet saken, og elastisk kollisjoner med atomkjerner føre til punktdiagram eller utslag av partikkel banen. I tillegg føre kjernefysiske kollisjoner og vanskelig kollisjoner med elektroner til en kaskade av sekundær stråling som legger til ionisert effekten av particle stråling. Høy energi partikler traversering saken dermed etterlate en våkne ionisert atomer, molekyler og frie elektronene som er kjemisk reaktive og kan potensielt skape biologiske eller skade for organismer utsatt for disse ionisert feltene.
En stor langsiktige målet med strålebehandling er å lære hvordan man best å utnytte disse ioniserende felt på en måte som vil effektivt behandle menneskelig sykdom. Klinisk, skal den ideelle formen av stråling (som Foton, proton, electron og tunge ion) indusere tilstrekkelig ioniseringen i sykdom målet å gi terapeutiske anti-tumor effekt, mens på samme tid årsaken minimal ioniseringen i omkringliggende normal vev å minimere skadelige effekter. Hvilken type stråling er valgt for RT avhenger delvis av sykdommen blir behandlet. For svulster som ligger dypere i kroppen og kan også være kirurgisk ubrukelige, anses megavolt fotoner, protoner og tunge ioner optimal15,16. Overfladisk kreftformer, som omfatter huden, kan elektron terapi være optimal og selv best å kirurgi for cosmesis. På den annen side, ligger fordelen av megavolt fotoner i å trenge dypt i vevet samtidig skade huden. Ved ladede partikler, som elektroner, protoner eller tunge ioner, ligger deres primære fordelen i deres 'stoppe' kjennetegn. dvs ladede partikler mister energi kontinuerlig via inelastic kollisjoner beskrevet ovenfor, og energi tapet er svært forutsigbar på millimeter skala. Derfor kan en ladede partikler bjelke leveres til en pasient med presis energier til ønsket dybder. Videre gir ladede partikler liten eller ingen exit dose17. Derimot forevise uncharged partikler som fotoner en eksponentiell falloff (demping) med økende dybde, som ofte fører til en betydelig Avslutt dose som kan svekke sunt vev distale til målet. Disse begrepene er vist i figur 1som viser stråling dose (ionisering) egenskapene til ulike typer stråling brukes klinisk. En sentral motivasjon for bruker protoner eller karbon ioner i stedet for fotoner for dypere svulst mål er at det er minimal dose oppføring dose og nær null Avslutt dose utover målet vev. Tabell 1 oppsummerer noen klinisk relevante kjennetegner foton og proton bjelker.
Fremskritt innen strålebehandling, inkludert proton therapy, har skjedd på to store fronter: 1) bygge effektive partikkel gasspedalene produsere høy energi (MeV) stråling som synchrotron og cyclotron Hurtigvalg og 2) utviklingen av sofistikerte beregningsorientert metoder som sykdom bildebehandling data og stråling transport beregninger tillate dataskapt "behandlingsplanlegging." For behandlingsplanlegging gjennomgår pasienter vanligvis beregnet tomografi (CT) bildebehandling. CT-bildene inneholder 3-dimensjonale anatomiske informasjon om pasienten samt presis kvantifisering av vev tettheter. CT-bildene og tetthet kart brukes deretter i datasimulering for å planlegge stråling behandling: både energibransjen og intensiteten i feltet stråling er matematisk optimalisert for hver pasient. En magnetisk resonans imaging (MRI) skanning eller avsøking fantes et positron-utslipp tomografi (PET) kan også brukes til å utfylle CT-data.
Nedenfor beskriver vi en trinnvis oversikt over hvordan pasienter er navigert gjennom deres stråling behandling selvfølgelig etterfulgt av eksempler på visse svulst behandlet med proton therapy.
Protocol
Nøyaktig stråling terapi planlegging og levering protokollen vil variere etter sykdom området og kan selv at Approach etter hver pasient. Videre kan fremgangsmåten også kreve endringer til institusjonelle preferanser og utstyr tilgjengelighet. For denne diskusjonen, vil vi skissere trinnene for proton planlegging i en typisk prostatakreft sak siden dette er den vanligste kreften behandles med proton therapy på amerikanske centers18. Denne protokollen beskriver standard-of-care kliniske prosedyrer og så krever ikke at institusjonell godkjenning av menneskelig forskning etikk.
1. beregnet tomografi simulering for strålebehandling
- Sette inn utvidet tabletop i tabellen behandling og sikre at den er låst.
- Plassere en oppblåst immobilisering pute over bordplaten og indeksering bar for Ben mold på nivået av pasientens kneet.
- Plass en solid hodet resten øverst i tabellen. Start med F størrelse hodet, som passer de fleste pasienter.
- Bekrefte at pasienten fullført full blære prosessen ved å drikke 16-24 ounces væske 45 min før planlagt skanning. Dette trinnet må fullføres før trinn 1.12.
- Registrere pasienten i CT pasienten registreringssystemet.
- Velg prostata skanning protokoll med SKIVE tykkelse på 3 mm.
- Bekrefte at behandling samtykke, kontrast samtykke og simulering bestille av behandlende lege.
- Be pasienten om å endre til en kappe og fjerne alle klær fra livet og ned.
- Bekreft pasienten identifikasjon ved muntlig kontrollert pasienten er navn, fødselsdato, og prosedyren området.
- Ta et ansikt bilde av pasienten.
- Be pasienten om å sitte på bordet og deretter hjelpe pasienten i supine, hodet første posisjon.
- Plasserer pasientens ben i oppblåst immobilisering pute og plasser pasientens armene på brystet av interlacing fingrene, gi dem en blå ring eller bruke stropper rundt armene.
- Bekreft pasienten justeringen med laser system.
- Koble to vakuumpumpe til munnstykke av immobilisering pute.
- Sett beina i immobilisering pute slik at mold vil lukke siden av bena og også skaper en barriere mellom bena. Kontroller at immobilisering pute under bekkenet og utvides forbi føttene.
- Sett inn og blåse ab endorectal ballong klinisk angitt per behandlende lege.
- Utføre anterior-posterior (AP) og lateral (LAT) speider kilovoltage røntgen bilder (topograms) å bekrefte at pasienten justering er optimalisert. Dette omfatter kontroll av rett linje på AP bildet og roterende justering på lateral bildet. Bruke både bilder for å sikre at tarm gass er minimal. Posisjonering bør alle være rettet og bekreftet med re-tenkelig. Hvis tarm gass er tilstede og overdreven, Unnskyld pasienten på toalettet, og start prosessen fra trinn 1.15.
- Når pasienten er ønsket sted, fjerne luft fra immobilisering pute bruke Q-fix dobbelt vakuumpumpen for å danne en solid mold rundt deres ben og føtter.
- Manuelt justere tabellen behandling slik at laser trådkorset er på nivå med pasienten hoftene og midtlinjen av hoftene og magen på nivået av hofteleddet. Angi hvilke lokasjoner som trådkors på pasienten ved hjelp av en merkepenn, fargeblyant. Plass lokalisering markører i trådkorset angir et utgangspunkt for bekreftelse simulering under stråling levering.
- Sett CT skanning parametere for å inkludere bekkenområdet fra L3 ryggraden til midten av femur.
- Skanne pasienten ved hjelp av prostata skanning protokollen.
- Bekreft at skanningen er akseptabelt for behandlingsplanlegging. Blæren bør være full, og endetarmen bør ha minimal luft eller avføring.
- Eksportere filen digitale skanningen til programmet behandling planlegging og varsle dosimetry.
- Etiketten pasienten immobilisering pute med pasient ID, behandlende lege navn og Oppsett instruksjonene før lagring for senere bruk i løpet av terapi.
- Fortsett til trinn 2.1 Hvis pasienten gjennomgår blyant strålen proton therapy. Gå til trinn 3.1 Hvis pasienten får passiv scatter proton therapy.
2. strålebehandling planlegging ved hjelp av blyant Beam terapi
- Importere CT simulering dataene til behandling planlegging programvare (TPS).
- Bruk behandling planleggingssystemet kontur verktøy for å definere alle relevante geometriske volumer basert på ervervet CT-bilder. Disse strukturene inkludere blæren, rektum, store tarm, små tarm, femur hoder, ytre kroppsdeler, fiducials, rektal spacer eller endorectal ballong.
- Opprette en ekstra ekstern profil, som omfatter selve tabellen behandling og immobiliseringsløsninger enheter. Stråledose beregnes bare innenfor denne kontur.
- Contour første kliniske målvolumet (CTV1) med prostata, sædblærene, og involvert lymfeknuter. CTV1 vil være foreskrevet 45,0 Gy (RBE). CTV1 volumet har utseendet på en U-formet struktur aksial bilder. Små tarm, endetarmen og blæren normalt vev vil ligge i U-formet målvolumet.
- Contour andre kliniske målvolumet (CTV2) med prostata og sædblærene. CTV2 vil være foreskrevet en total dose 34,2 Gy (RBE).
- Velg tre bjelker i gantry vinkler av 90, 180 og 270 grader for behandling av CTV1. Velg bare 90 og 270 grader strålen vinkler for CTV2 behandling.
- Utforme to geometriske blokkerer strukturer (unngå volumer).
- Opprette et "midt blokk" unngå volum omfatter normalt vev i U-formede CTV1 volumet.
- Blokkere den underlegne aspekten av bakre-fremre (180 grad) strålen nedenfor nivået til toppen av prostata bruker en "endetarm-blokk".
- Opprette en isotropic 7 mm utvidelse av CTV1 danner et proton planlegging målvolumet, kalt pPTV1. Bruk pPTV1 å definere en spot plassering volumet slik at proton Bragg topper (også referert til som proton "flekker") er plassert ved planlegging optimizer å dekke CTV1.
- Opprette en lignende utvidelse av CTV2 å danne pPTV2, men bruke 8 mm ekspansjon i venstre høyre retning og 5 mm utvidelser i begge anterior-posterior og overlegen mindreverdig instruksjonene som trinn 2.6.
- For å aktivere robust optimalisering, en funksjon som kan utgjøre installasjonsprogrammet usikkerhet, utvalg usikkerhet og variabel gass fylling av tarmen, opprette to kunstige ("overstyrte") CT datasett: først har hele tynntarmen, tykktarmen, og endetarm overskrevet tettheten av luft, og andre har disse volumene overskrevet tetthet av muskler.
- Før optimalisering, opprette en ny behandlingsplan for CTV1. Angi proton behandling maskinen brukes til planlegging, tilordne foreskrevet dose og fraksjoneres for 45 Gy (RBE) i 25 fraksjoner og definere den primære målet å være CTV1. Tilordne 100% av den foreskrevne dosen å dekke minst 98% av CTV1 bruke alle 3 bjelker (høyre lateral, laterale og bakre-fremre).
- Opprette en behandlingsplan for CTV2 med 2 strålen sett. Først tilordne 18 Gy (RBE) skal leveres med 10 brøker til CTV2 bruker bare venstre lateral strålen, og tilordne 16,2 Gy (RBE) skal leveres i 9 brøker til CTV2 bruker bare rett lateral strålen. Tilordne 100% av den foreskrevne dosen å dekke 100% av CTV2.
- Forberede for optimalisering av CTV1 planen
- Tilordne midten av blokken struktur som en rekke margin for sideveis bjelker og tilordne endetarm-blokk struktur som en rekke margin for bakre-fremre strålen.
- Start optimalisering med automatisk (standard) innstillingene for energi lag avstand, spot avstand og mål margin.
- Angi et maksimalt antall gjentakelser av 40, maksimalt antall optimaliseringer før "spot filtrering" 10 og minimum øye veier 1,5 skjerm enheter. Spot filtrering fjerner proton flekker med mindre enn 1.5 skjerm enheter, som det er en teknisk minimumsgrense for antall protoner som kan leveres av behandling maskinen.
- I første runde av optimalisering for CTV1, angi målet som pPTV1 å etablere rutenettet proton spot posisjoner. Angitt mål er 45.5 Gy (RBE) (vekt = 100) i pPTV1 og en dose fallvinkel for 45 til 0 Gy (RBE) i en avstand på 1 cm (vekt = 2).
- Begynne en ny runde med optimalisering for CTV1, ved å slette pPTV1 målene ovenfor. Deretter fortsette optimering med nye mål og objektive vekter. Angi parameterne som følger for å utvikle en intensitet modulert plan, også kjent som multi feltet optimalisering (MFO).
- For eksterne volumet, angi en dose fallvinkel for 45 til 0 Gy (RBE) innenfor en avstand på 1 cm og med en vekt på 2.
- CTV1 volumet, angi en minste dose av 45 Gy (RBE) med en vekt på 100.
- For det CTV1 volumet, angi en ensartet dose 45.5 Gy (RBE) og en vekt på 100. Angi dette målet som robust.
- For pPTV1 volumet, angi maksimal dose på 46 Gy (RBE) med en vekt på 100 og sette dette målet som robust.
- Endetarm volumet, angi en maksimal dose 45.8 Gy (RBE) med en vekt på 50. Angi dette målet som robust.
- For blæren volumet, angi en maksimal dose 45.8 Gy (RBE) med en vekt på 50. Angi dette målet som robust.
- Tynntarmen, angi en maksimal dose 45.8 Gy (RBE) med en vekt på 50. Angi dette målet som robust.
- Angi en maksimal dose 45.8 Gy (RBE) med en vekt på 50 for store tarmen. Angi dette målet som robust.
- Det spesifikke målsettinger, tilordne robusthet for å redusere 5 mm posisjonelle SKIFT, 3,5% rekkevidde usikkerhet, og kunstig ("overstyrte") CT dataene ovenfor til adressen tarm gass variasjon. Disse robusthet innstillingene bare gjelde disse målene angitt ovenfor som "robust".
- Fullføre optimalisering for CTV1 planen og gjennomgå den resulterende optimaliserte planen å sikre at resepten målene er oppnådd.
- Forberede for optimalisering av CTV2 plan
- Fullfør første optimalisering for CTV2 planen bruker pPTV2 for å oppnå en spot plassering rutenettet som CTV1 plan.
- Slett pPTV2 mål og gjenoppta optimalisering med nye mål (prosenter er forhold til resepten for CTV2). For CTV2 planen, optimalisere disse målene for venstre og høyre strålen individuelt. Dette er kjent som enkelt feltet optimalisering (SFO) og mål for hver bjelke er som følger.
- For eksterne volumet, angi en dose fallvinkel for 34,2 Gy (RBE) å 0 Gy (RBE) i en avstand på 5 mm og en vekt på 2.
- CTV2 volumet, angi en minste dose av 34.37 Gy (RBE) med en vekt på 120.
- CTV2 volumet, angi en ensartet dose av 34.54 Gy (RBE) med en vekt på 100. Angi dette målet som robust.
- PPTV2 volumet, angi en maksimal dose av 34.88 Gy (RBE) med en vekt på 100. Angi dette målet som robust.
- Bruk samme robusthet innstillingene for optimalisering.
- Fullføre optimalisering separat for venstre og høyre lateral bjelker å opprette 2 plan stråle sett. Dette vil tillate levering av stråling til CTV2 enten venstre eller høyre lateral bjelker. Dette er CTV1 dose levering, som krever alle 3 bjelker (RL LL og PA) som skal brukes for alle behandling.
- Se gjennom CTV1 og CTV2 behandling planene selvstendig og i summering å sikre at de oppfyller dose begrensningene for prostatakreft bestråling av RTOG 0126 prøve19.
- For blæren volumet, sikre at prosentandelen av vev mottar 80 Gy er under 15%, prosentandelen motta 75 Gy er under 25%, prosentandelen mottar 70 Gy er under 35%, og andelen mottar 65 Gy er mindre enn 50%.
- For endetarms volumet, sikre at prosentandelen av vev motta 75 Gy er under 15%, prosentandelen mottar 70 Gy er under 25%, prosentandelen mottar 65 Gy er mindre enn 35%, og andelen mottar 60 Gy er under 50%.
- For penile pære volumet, påse at den gjennomsnittlige dosen er under 52.5 Gy.
- For CTV1 og CTV2 mål volumene, sikre at minst 95% av begge får foreskrevet dosen.
- Hvis planer og dose distribusjoner oppfyller akseptert dose begrensning retningslinjer og robusthet, lege godkjenning og Eksporter planene til levering behandlingsapparatet.
- Tiltak for å bekrefte at den planlagte dosen bruke ionisering kammer matriser, en type stråling detektor.
- Kontroller nøyaktigheten av dose beregningen bruker en sekundær, uavhengige dose beregningsprogramvare.
- Se målingsresultater, resultater og tekniske egenskaper av plan med en medisinsk fysiker å sikre kvalitetskontroll.
- Generer behandling planleggingsdokumenter og godkjenne planlegging dosimetrist, fysiker og tilsyn lege.
- Eksportere all behandling data behandling levering systemet for pasient behandling for planlegging og gå til trinn 4.1 proton therapy levering.
3. stråling behandlingsplanlegging for passiv Scatter eller Uniform skanning Proton Therapy:
- Importere CT simulering data i strålebehandling planlegging systemet.
- Contour alle relevante geometriske volumer basert på ervervet CT-bilder. Disse strukturene inkludere blæren, rektum, store tarm, små tarm, femur hoder, ytre kroppsdeler, fiducials, rektal spacer eller endorectal ballong.
- Opprette en ekstra ekstern profil. Bruk verktøyet boolsk operasjon med kroppen, tabellen behandling og immobiliseringsløsninger enheter. Stråledose beregnes bare innenfor denne kontur.
- Kontur CTV1 inkludere prostata, sædblærene, og involvert lymfeknuter. CTV1 vil være foreskrevet 45,0 Gy (RBE).
- Kontur CTV2 inkludere prostata og sædblærene. CTV2 vil være foreskrevet en total dose 34,2 Gy (RBE).
- Utvid CTV1 ved 7 mm å opprette pPTV1 og opprette pPTV2 ved å utvide CTV2 med 7 mm i alle retninger unntatt 5 mm posteriorly.
- Opprette bjelker på behandling planlegging systemet for å målrette pPTV1 og pPTV2. pPTV1 vil være målrettet bruker en enkel 180° PA stråle mens pPTV2 vil være målrettet med 90° og 270° sideveis bjelker.
- Legge til blokker for hver bjelke med en ensartet margin på 0,5 cm pPTV1 og pPTV2.
- Bruk blokk størrelse velge den minste stråle blenderåpning størrelse mulige basert på størrelsen på hvert pPTV volum. Strålen blenderåpningen er messing egendefinerte utskjæringen som skal knyttes til gantry snuten til figuren laterale kantene av hver proton bjelke.
- Modell riktig voks kompensatoren må forme distale og proksimale margene i hver proton bjelke ved å velge parameterne riktig strålen som følger.
- Angi en rekke usikkerhet verdi på 3,5% pluss en ekstra 1-2 mm.
- Angi passende luften gapet avstand mellom blenderåpning og pasient.
- Glatt og smøre kompensator formen til ønsket dose graderingen.
- Angi isocenters for pPTV1 og pPTV2 på samme sted med mål å minimere pasienten Skift kreves for proton bjelke levering.
- Beregne dose med parameterne som er angitt i trinn 3.10.1-3.10.4 for både pPTV1 og pPTV2 mål planer.
- Gjennom pPTV1 og pPTV2 behandling planene uavhengig og summering å sikre at de oppfyller dosen betingelser for prostatakreft bestråling av RTOG 0126 prøve19 og beskrevet i trinnene 2.17.1-2.17.4.
- Hvis ønskelig ÅRE og mål mål for dose dekning ikke er oppnådd, deretter justere blokk og kompensator parameterne i TPS som vist i trinn 3.8-3.10 til målene er oppnådd. Når målene er oppnådd, lege godkjenning og Fortsett til trinn 3.14.
- Kontroller nøyaktigheten av dose beregningen i godkjente planen ved hjelp av en sekundær, uavhengige dose beregning programvarepakke.
- Se målingsresultater, resultater og tekniske egenskaper av plan med en medisinsk fysiker å sikre kvalitetskontroll.
- Bestill blokkene og compensators fra leverandøren.
- QA blokkene og compensators mottatt fra leverandøren.
- Generere behandling planleggingsdokumenter og godkjenne dem via digitale signaturer av planlegging dosimetrist, fysiker og tilsyn lege.
- Eksportere all behandling data behandling levering systemet for pasient behandling for planlegging og Fortsett til trinn 4.1.
4. stråling behandling levering
- På den første dagen av behandling, kontroller at stråling planen samsvarer med parameterne plan i behandlingsapparatet.
- Ordne behandlingsrommet reprodusere pasienten oppsettet brukes under CT simulering. Sikre at immobilisering pute etiketten samsvarer med pasienten ID og deretter sted på tabellen behandling med riktig indeksering. Plass nakkestøtten utnyttet på simulering innerst i tabellen.
- Bekreft med pasienten at de har fullført full blære prosessen og endret til en behandling kjole.
- Eskorte pasienten til behandling room, og plassere ham i supine posisjon i tabellen behandling med hendene foldet over brystet og ben i immobilisering pute.
- Sett inn og blåse endorectal ballong hvis brukt under simulering.
- Elektronisk flytte tabellen behandling fra Last posisjon mot isocenter til pasienten å merkene som er plassert under simulering. Justere bordet for å rette eventuelle feil i pasient posisjonering som pitch, rotasjon og yaw.
- Når pasienten er riktig justert til simulering merkene, komplett Skift fra start-plasseringen til de bestemt i løpet av dosimetric behandling planleggingsprosessen justere pasienten til den ønskede behandling isocenter.
- Utføre ortogonale KV imaging for å sikre riktig pasienten innretting bekkenet bein og fiducial markører tidligere plassert av urologi innen prostatakreft.
- Fastslå om posisjonelle justeringer er nødvendige basert på overliggende ervervet KV bildene på digitalt rekonstruert røntgenbilder fra planlegging CT simulering søket. Bruke nødvendige endringer for å sikre justering.
- Hvis KV bilder viser overdreven tarm gass, be pasienten om å utvise luften mens du ligger på behandling bordet hvis mulig, så justere og re-image.
- Hvis pasienten ikke kan gi tabellen behandling, avbryte behandling og ha pasienten gå på toalettet. Når pasienten returnerer fra toalettet, starte proton leveringsprosessen fra trinn 4.3.
- Når akseptabel KV bilder er kjøpt og bekreftet, er en cone beam CT (CBCT) skanning fullført for å vurdere blæren/endetarms fylle. Bruke flere pasient posisjonering justeringer basert på CBCT skanningen. Som med KV imaging-baserte posisjonering rettelser sendes endringer ved hjelp av CBCT data direkte fra tenkelig konsollen til tabellen behandling for automatisert program.
- Kontroller alle posisjonelle rettelser med behandlende lege før du starter behandlingen på den første dagen av proton therapy.
- Starte behandling levering med hørbar verifisering mellom to terapeuter for gantry vinkel, skjerm enheter, skanning flekker og lag, og snute posisjon for hver behandling vinkel. Parameterne vises på behandling konsollen og i planlegging dokumenter signert av dosimetry, fysikk og behandlende lege.
- Etter behandling, merke behandling isocenter for daglig justering og fjerne merkene.
- Gjenta trinn 4.2-4,9 for alle etterfølgende behandling fraksjoner.
Representative Results
Tilgjengelige data tyder på en betydelig fordel med proton therapy for visse kreftformer20,21. PT kan være foretrukket for Velg pediatric tumorer, tilbakevendende kreft i tidligere bestrålt regioner eller andre kreftformer der risikoen for normalt vev skade er høy med Foton behandling. Nedenfor diskutere vi programmet og fordelen av proton terapi for prostata, bryst og medulloblastoma. Vårt mål er å gi leserne med en bedre forståelse av proton therapy for svulster vanlig hos menn, kvinner og barn.
I USA er prostata kreft de opptrer både kreft i menn og den nest vanligste årsaken til kreft-relaterte dødsfall blant menn. En anslått 164,690 nye tilfeller vil bli diagnostisert i 2018, og over 29 000 menn vil dø av sykdom. Non-metastatisk prostatakreft pasienter er kvalifisert for behandlingsalternativer, inkludert aktive overvåking, radikal prostatectomy, brachyterapi og ekstern stråle stråling med fotoner eller protoner22. Nøyaktig behandling avgjørelser pasienten anatomi, samtidige, svulst scenen, lege dømmekraft og pasienten preferanse.
Stråling levering for tidlig stadium prostata kreft er begrenset til prostate kjertel. Ved middels risiko prostatakreft målrettes proksimale sædblærene også. Selv om delvis prostata behandling blir undersøkt, fortsatt hele kjertel terapi standarden på omsorg. Obturator, pre sakral, interne iliaca og eksterne iliaca noder er ofte inkludert for pasienter med ugunstige middels og høy risiko sykdom.
Før strålebehandling planlegging, fiducial indikatorer kan være plassert slik at bildet-guidede behandling med pre-behandling kilovoltage imaging (dvs., standard røntgen)23. I tillegg kan en hydrogel spacer også settes før CT simulering til å opprette et gap mellom rektum og prostata til ytterligere begrense dose til rektal vev24,25. Under behandling planlegging skal pasienter simuleres i supine posisjon med bekkenet immobilisert bruker en tilpasset puten enhet. En endetarms ballong kan plasseres på CT simulering begrense både prostata bevegelse og usikkerhet om endetarms volumet og tettheten26. En godt full blære anbefales å begrense dose tynntarmen og den fremre delen av blæren27. Mr simulering er også anbefalt å tillate mer nøyaktig mål volum avgrensning26.
Behandlinger bør være utformet for å levere doser av 75.6-79.2 Gy til prostata, med doser av 45-50.4 Gy anbefales for valgfrie dekning av knutepunktet eller seminal vesicle områder utsatt av mikroskopiske sykdom spread9. Alle fraksjoner leveres én gang daglig i 1,8-2 Gy per brøkdel. For middels og høy risiko pasienter mottar et brachyterapi løft, bør ekstern stråle stråling dosen begrenses til ca 45 Gy. Brachyterapi doser av 110 Gy bør brukes med I-125 lav dose rate permanent implantater. Med høy dose rate brachyterapi levert via katetre, inkluderer brukte løft regimer 13 til 15 Gy x 1 brøkdel, 8 til 11,5 Gy x 2 brøker, 5.5 til 6.5 Gy x 3 fraksjoner og 4.0 til 6.0 Gy x 4 fraksjoner9.
Behandling planlegging dosimetry er optimalisert for å begrense dose til blæren, rektum og tarm. Dosimetric sammenligninger mellom Foton-versus proton - basert terapi (dvs., IMRT versus IMPT teknikker) har vist bedre sparing av doser på normalt vev med de sistnevnte tilnærming28.
Prostatakreft bestemt dødelighet er under 2% på 10 år for menn med tidlig stadium sykdom22 uavhengig behandling valgt. Med dose-intensivert RT vise høy risiko pasienter også en lav prostatakreft bestemt dødelighet på 5% på 9 år29. Dødelighet er fortsatt lav hovedsakelig på grunn av tilgjengeligheten av systemiske terapi som forblir effektiv i metastatisk innstillingen. Resultater med både IMRT og proton therapy fortsatt gode30,31. PARTIQoL (NCT01617161) studien er en pågående, randomisert studie mellom proton therapy beam (PBT) og IMRT for lav og middels risiko prostatakreft som vil forhåpentligvis finne ut om en modalitet er overlegen over den andre.
Brystkreft er de opptrer både kreft i kvinner og nest vanligste årsaken til kreft-relaterte dødsfall blant amerikanske kvinner. En anslått 268,670 nye tilfeller vil bli diagnostisert i 2018, og 41.400 kvinner vil dø av sykdom1. I motsetning til i prostatakreft der de fleste pasientene får stråling som monoterapi, får brystkreftpasienter stråling postoperatively for å redusere risikoen for kreft tilbakefall11. Avhengig av omfanget av kirurgi nødvendig, stråling kan målrettes gjenværende brystet etter svulst lumpectomy eller brystveggen etter mastektomi11,32. Regionale lymfeknuter i armhulen, supraclavicular og interne mammary områder kan målrettes hvis de er utsatt for svulst spredning.
Behandling tidsplaner for brystkreft pasienter vanligvis innebære gang daglig behandling, fem dager per uke. Tidlig stadium pasienter er vanligvis behandlet med konvensjonelt fraksjonert (1,8-2,0 Gy/brøkdel, 50 Gy totalt) eller hypofractionated (2,67 Gy/brøkdel, 40.05-42.56 Gy totalt) regimer til hele brystet11,33. Pasienter med mer avansert, men lokalisert sykdom behandles med konvensjonelle fraksjoneres til 50 Gy (1,8-2,0 Gy/brøkdel) til hele brystet eller brystet veggen og regionale lymfeknuter. Disse doser er effektive for subklinisk sykdom som kan være til stede etter operasjonen.
CT simulering for bryst kreft strålebehandling er vanligvis ferdig i supine posisjon. I motsetning til prostatakreft, er begge armene bortført overhead for å tillate eksponering av brystet veggen eller bryst vev. I tillegg er en tilpasset cradling enhet og bryst-bord ofte anvende for å nakkens thorax i hevet stilling slik at manubrium er parallell til tabellen behandling. Dette sikrer at brystvevet ikke faller overlegent til nakke-området.
Stråling i hjertet under brystkreft er assosiert med økt risiko for fremtidige iskemiske sykdom34. Som et resultat, er teknikker for å minimere hjertet doser av avgjørende betydning. En tilnærming er å ansette dyp-Inspiratorisk pusten hold (DIBH) for å øke intrathoracic plass og avstanden mellom hjertet og fremre brystet veggen/bryst. Som metoden innebærer, vil pasienter behandlet med DIBH suspendere deres åndedretts syklus og får behandling på det høyeste punktet på inspirasjon. Det er imidlertid ikke alle pasienter kunne tolerere pusten har tilstrekkelig varighet tillater denne teknikken. Hos noen pasienter, en utsatt posisjon kan være fordelaktig og kan tillate brystvev henge fra kritisk normalt vev, inkludert de hjerte35. En ulempe med denne tilnærmingen er begrensningene det steder på muligheten til å målrette lymfekar regioner. Proton therapy kan oppnå betydelige cardiac dose sparsom uten behovet av DIBH og utsatt teknikker36,37.
Proton terapi er ansatt for brystkreftpasienter og har vist seg for å være overlegen Foton-baserte teknikker når det gjelder dose sparing effekter på kritiske strukturer som lungene og hjertet38. En enkelt felt blyant bjelke skanning (PBS) plan med en rekke shifter kan brukes til å administrere proton stråling til brystveggen og regionale noder. Passiv scatter tilnærminger kan også anvendes. Hvis flere felt er nødvendig for å behandle hele brystveggen og regionale noder på grunn av feltet begrensninger, må deretter feltet samsvarende teknikker brukes. En strategi er å ansette brystet veggen feltene samsvarer med en hud avstand på 2-4 mm under det kravebenet hodet39og samsvarende supraclavicular. Feltet grenser flyttes over 1 cm avstand på ulike tidspunkt i løpet stråling å minimere varme og kalde flekker.
Kliniske resultater med bryst kreft strålebehandling viser en total overlevelse på 50% for tidlig stadium sykdom11 og 37% for lokalt avansert pasienter på 20 år oppfølging32. Gitt den lange remisjon perioden, minimering av behandling relatert toksisitet er til stor bekymring. Selv om proton therapy forventes å potensielt lavere kardial toksisitet risiko, er dette spørsmålet undersøkt i den pågående RADCOMP Consortium (NCT02603341), som er randomizing kvinner med brystkreft til Foton eller proton strålebehandling.
Kreft er den nest vanligste dødsårsaken i barn alderen 1-14 i USA og er bare forbigått av ulykker. 10,590 barn vil bli diagnostisert med kreft i 2018, og 1,180 vil dø av deres kreft1. Blant gruppen vil 250-500 pasienter bli diagnostisert med medulloblastoma. Median alder ved diagnostisering av medulloblastoma er 4-6 år. Gitt høy risiko Cerebrospinalvæske engasjement og formidling (30-40%), er craniospinal bestråling (CSI) standard på omsorg i disse pasientene, med ca 80% gjenlevende med riktig behandling.
Medulloblastoma pasienter er lagdelt i standard risiko og høy risiko grupper basert på deres alder, anaplasia eller metastaser og mengden av gjenværende svulst etter kirurgisk eksisjon. I begge tilfeller omfatter behandlingen postoperativ stråling. RT for medulloblastoma innebærer opprinnelige CSI til en dose 23.4-36 Gy. Ekstra dose er så gitt til tumor sengen å oppnå en dose 50.4-55.8 Gy primære svulst området40. Behandling forretningsplanlegging hensyn inneholder begrensningen av maksimal doser hjernestammen og ryggmargen 54 Gy og 45 Gy, henholdsvis. CSI kan leveres med Foton eller proton terapi. CT simulering og behandling ofte krever narkose slik at pasientene ikke flytte under behandling41.
På grunn av den store områder målrettet med stråling, Foton-baserte RT teknikker resultatet betydelig bestråling eksponering for thoracic og abdominal strukturer anterior ryggmargen, inkludert lunger, hjerte, nyrer tarm og bryst. Disse områdene kan bli spart fra overflødig stråling med proton therapy (Figur 3)42. PT basert CSI krever to litt skrå lateral felt til irradiate øvre cervikal ryggraden og hjernen, i tillegg til én eller flere posterior-fremre bjelker rettet mot de lavere cervical, bryst, lumbale og sakrale ryggraden regionene. Flere felt er nødvendig siden målet CTV for CSI inneholder feltet hele cerebrospinalvæske (CSF) strekker seg fra hjernen toppunktet til spinal kanalen gjennom cauda equina på nivå med S2/S3 ryggvirvel krysset (Figur 3). Ryggraden lengden bestemmer antall spinal felt som kreves for behandling. Overlegen grensen til det øverste spinal feltet samsvarer dårligere grensen av feltene skallen. Hvis feltet ryggraden ikke dekker hele ryggraden, deretter passer en andre spinal feltet til dårligere grensen i øvre rygg feltet. Denne prosessen kan være gjentas hvis det kreves et tredje felt for høyere pasienter. For pasienter under 15 år utvides den fremre grensen av feltene ryggraden til hele ryggvirvel organer for å sikre en homogen dose til bein nødvendig for å hindre fremtidig vekst unormalt i utviklingsland skjelettet. For de over 15 år utvides anterior ryggraden feltet kantlinjen 2-3 mm utover spinal kanalen i rygg kolonnen.
Både passiv scatter og PBS teknikker har blitt benyttet for CSI42,43. Spesifikke mål av CSI terapi inkluderer homogen stråledose til spinalvæske (CSF) til den nedre enden av thecal sac (S2 eller S3), full dose av fremre skull base og cribriform platen, minimering av dose fiberoptisk strukturer, begrensning av skjoldbruskkjertelen ikke mer enn 5% av resept dose og minimering av dose til esophagus43.
Passiv scatter behandlingsplanlegging begynner vanligvis med etableringen av skallen felt. Området compensators med manuell redigering er ofte nødvendig å lage en homogen dose distribusjon i hjernen samtidig dose til øyne og sneglehuset. For spinal felt, er compensators tykkere på skjoldbrusk nivå å minimere dose. Spesielle deretter oppmerksomhet til feltet veikryss mellom feltene skallen og spinal og mellom flere spinal felt når det er nødvendig. Krysset området er definert som 1.25-1,5 cm lengden der feltene Kombiner. Krysset er flyttet i skallen eller caudal retning ukentlig å hindre utviklingen av varm eller kald dose områder. Ideelt sett holdes dose avvik mellom 95-108% av resept dosen. Feltet vekting og blenderåpning redigeringer kompensator redigeringer er ansatt for å oppnå dette målet43.
Forskere ved MD Anderson Cancer Center har utviklet en step-wise strategi for CSI planlegging42. Dette innebærer utvikling av en MFO plan å behandle feltene skallen og lavere ryggraden etterfulgt av etableringen av en SFO plan for torakale ryggraden. Dose graderinger benyttes på krysset områder. SFO planen kopieres deretter til den opprinnelige MFO planen å utvikle en endelige, sammensatte MFO plan. Ryggraden veikryss er forskjøvet når 2 cm over et 4-ukers kurs for behandling. I forhold til passiv scatter CSI basert PBS CSI tilbyr betydelige reduksjoner i stråledose til linser, cochlea og parotid kjertler, men på bekostning av økt skjoldbrusk dose42.
Medulloblastoma pasienter kan forvente hendelse gratis overlevelse av 60-80% avhengig av risiko lag44. Gitt det store området bestrålt vev med CSI, og den følsomme naturen av pediatriske pasienter, langsiktig bivirkning risikoen er betydelig og inkluderer nevrokognitive verdifall, sekundær malignitet, hypofysen dysfunksjon, hørselstap, hjertesykdommer , ufruktbarhet, hypotyreose, vasculopathy, tørre øyne, cataract formasjon, synstap og stråling nekrose/myelitis. Proton-baserte CSI kan derfor tilby en betydelig fordel for mange pasienter.
Figur 1: dybden dose kurver for strålebehandling. Dose distribusjoner som en funksjon av dybde i vann vises for forskjellige kliniske stråling bjelker. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: sammenligning av proton og Foton bryst stråling. Prosent dose fordelingen for en pasient med lokalt avansert brystkreft får strålebehandling IMRT (A, B) eller protoner (C, D) og demonstrere betydelig stråling dosereduksjon til hjertet og lungene med protoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: sammenligning av proton og Foton craniospinal stråling. Prosent dose fordelingen for en pasient med medulloblastoma mottar craniospinal bestråling enten protoner (A) eller IMRT (B) og demonstrere betydelig stråling dose reduksjon intra thorax og intra-abdominal med protoner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| Foton | Proton | |
| Partikkel Type | Boson | Sammensatt Fermion |
| Gratis [C] | 0 | +1.602 x 10-19 |
| Masse [kg] | 0 | 1 672 innbyggere x 10-27 |
| Spinn | 1 | 1/2 |
| Energy† [MeV] | 0.1 - 25 | 10 - 250 |
| Vanlige kilder | Lineær akselerator, Co-60 Radioisotopes, X-ray Tube | Cyclotron eller Synchrotron gasspedalen |
| Leveringsmetoder | Collimated Solid bjelker, Multileaf Collimators, intensitet modulasjon, buer | Passiv spredning, magnetisk skanning |
| † Energi området vanligvis brukes til å behandle kreft hos mennesker | ||
Tabell 1: Sammenligning av proton og Foton stråling.
Discussion
Stråling behandlingsplanlegging og levering for kreft er en høyst tilpasset prosess tilpasset til hver enkelt pasient og sin aktuelle kreft. Moderne strålebehandling er en bilde-guidede intervensjon-baserte CT-bildene fikk under en tilpasset stråling planlegging simulering. CT imaging er obligatorisk siden det inneholder 3-dimensjonale (3D) anatomiske informasjon om pasienten samt presis kvantifisering av vev tettheter på forskjellige steder i kroppen som kreves for dose beregning. Under CT bildebehandling, er pasienten plassert i en motorisert tabell. Flere mekanisk immobilisering enheter brukes vanligvis begrenser pasienten bevegelse under bildebehandling og påfølgende RT underveis. Nødvendig presisjon, disse enhetene varierer fra enkel mold-type puter og plast masker, som overholder pasienten overflaten og da hardner begrense bevegelse, til mer invasiv enheter som stive skallen enheter er som boret på plass. Ofte bestemmes nødvendig presisjonen for immobilisering enheten av nærhet av tumor vev til nærliggende kritiske strukturer. Som et eksempel, mest invasive immobilisering enheten, en leder halo distrikter sted, brukes når enkelt millimeter presisjon er nødvendig for å behandle en svulst i nærheten det eyes eller optiske nervene å minimere sjansen for blindhet som kan oppstå fra pasienten flytte i en feil posisjon under behandling.
CT imaging informasjon brukes også til å optimalisere interne normalt vev anatomi. For eksempel er blæren oppblåsthet ofte brukt for å minimere blære og små tarm doseeksponering fra bestråling av prostata som nevnt i protokollen ovenfor. Tilsvarende, hvis magen er spesielt distended med mat under simulering for øvre abdominal bestråling (for eksempel mage, lever, distale spiserøret), pasienten er nytt simulert etter tillater maten å passere mage og intestinal område . Dette reduserer magen og redusere sjansen for stråling under strålebehandling av øvre abdominal svulster. I tilfeller der mage eller blæren seg stråling mål, de kan forsettlig oppblåst eller tømt for å optimalisere dose distribusjon.
I noen tilfeller en svulst er ikke tilstrekkelig eller pålitelig visualisert på CT, men mer nøyaktig kan identifiseres av en MRI eller en PET scan. I slike tilfeller brukes PET eller Mr skanner å utfylle CT-data siden sistnevnte er fortsatt nødvendig for dose beregning. Dette oppnås ved å registrere Mr og PET bilder til CT-bilder for planlegging terapi. Mr skanner gir ofte mye større visuell kontrast og høyere oppløsning enn CT, som kan være fordelaktig å identifisere tynne, bløtvev grensene for en svulst som hjernen eller leveren. PET gir en funksjonell visning av fordelingen av radioaktivt-merket tracer molekyler injisert i pasienten.
Noen svulster oppstå i områder av syn eller magen hvor de kan flytte betydelig med åndedrett. For å kunne denne bevegelsen å sikre stråling nøyaktighet, kan en 4-dimensjonale CT, en slags "film-modus" CT bildebehandling, brukes å fange 3D pasienten anatomi som endres over tid under åndedrett. For noen thoracic og abdominal mål, kan komprimering belter eller andre former for bevegelse klimatiltak brukes i løpet av terapi begrense bevegelse og begrense usikkerhet om svulsten beliggenhet45.
Når pasienten er simulert for behandling, er en personlig behandlingsplan utviklet med hensyn til kreft histology, svulst plasseringen og anatomisk funksjoner som påvirker den optimale konfigurasjonen av stråling bjelker, partikkel typer, energier, og dose nivåer for hver enkelt pasient. For hver pasient anses en rekke grunnleggende spørsmål først av klinisk team utvikle en optimal behandlingsplan. Som utgangspunkt velges den mest hensiktsmessige formen av stråling. Alternativene inkluderer fotoner elektroner og protoner. Dette er vanligvis etterfulgt av valg av bjelke angle(s) stråling levering. De fleste RT maskiner omfatter en robot pasient posisjonering bordet og en roterende gantry at RT bjelker rettes til pasienten med nesten hvilken som helst vinkel. Beslutningen innebærer finne banen som mest effektivt å treffer målet med RT og beste unngår ikke mål som kan være i veien for den valgte bjelker. I noen tilfeller bestemmes strålen vinkler av planleggingssystemet selv etter inntasting i stråling mål for svulster og normalt vev. Denne prosessen kalles "omvendte planlegging" og er ofte gjort i IMRT, som innebærer modulerende intensiteten av flere, innkommende stråling bjelker i en tidsavhengige måte som gir en ensartet målet dose, men kan føre til svært ikke-uniform dose utenfor målet. Selv om både Foton eller proton terapi kan være intensitet modulert, omvendt planlegging benyttes hovedsakelig i basert Foton IMRT bare. Hvis solid stråling bjelker brukes, kan egendefinerte metall collimators fremstille for å matche form av stråling strålen figuren av svulsten.
Hvis proton therapy, deretter må en påfølgende beslutning gjøres om bruk av passive punktdiagram eller PBS teknikker. Ved PBS er en ekstra beslutning nødvendig om bruk av MFO eller ett felt optimalisering/ett felt uniform dose (SFO/SFUD) strategier. I MFO behandlinger er flere bjelker pålagt å behandle en svulst under hver fraksjon siden hver bjelke mål bare en del av målet. Derimot for SFO planer dekker hver bjelke hele målet. MFO ofte foretrukket for svulster nær en kritisk struktur (f.eks., hjernesvulst nær synsnerven) der en rekke strålen vinkler kan være fordelaktig å forme stråledose. MFO strategier også sørge for at alle de stråling bjelker/flekkene ikke "slutt utvalg" i det samme området hvor dose kan være uventet høy på grunn av Bragg Peak effekten. På den annen side, foretrukket SFO for mål nær områder av anatomiske usikkerhet, som prostata som kan flytte differensial blæren og endetarmen fylling. SFO gir forbedret robusthet mot dose endringer på grunn av anatomiske avvik.
Når de grunnleggende planlegging strategien er bestemt, innebærer den neste fasen av behandlingsplanlegging vanligvis matematiske optimalisering av feltene stråling. Den romlige fordelingen (romlig varierende flux) av innkommende stråling med energi og intensitet er vanligvis gratis parametere i optimalisering. Sammen med den store 3D matrix representasjonen av pasienten Anatomien av CT føre disse gratis variablene til en veldig stort problem størrelse og tilsvarende store optimalisering matriser (f.eksCT verdier og tusenvis av mulige strålen intensiteter må bli vurdert). Disse matriser er innrammet i en mål-funksjon, som er en matematiske formuleringen av "målet behandling planlegging". Som nevnt ovenfor, behandlingsmål prioritert for å oppnå først foreskrevet dosen til målet, og Dernest å oppnå så lite av en dose som er mulig på normalt vev. For å minimere målet funksjonen, høy datakraft er ønsket raskt beregne RT transport som fyller matriser og numeriske optimalisering metoder, for eksempel gradering-søkealgoritmer, brukes til å søke raskt etter lokale minima i funksjonen. Disse minima tilsvarer optimal behandling planer for hver unike pasient. Rollen til datamaskiner i behandlingsplanlegging kan ikke overvurderes. Moderne strålebehandling og diagnostisk radiologi ville ikke være mulig uten de datamaskinen fremskritt de siste tre tiårene.
Som en siste etappen, er optimalisert behandlingen planen gjennomgått av medisinske team (lege, dosimetrist og fysiker). I mange tilfeller kan planen være tilpasset videre eller nytt optimalisert med ulike mål å forbedre kvaliteten. Når planen er funnet for å være optimalt, er tekniske parameterne for planen gjennomgått av en fysiker og overført til behandling levering maskinen.
I mange tilfeller tilbake pasienten for flere behandling brøker (økter), ofte på hverdager i flere uker. Flere dager fraksjoneres kan forsterke akutt stråling-indusert bivirkninger, men kan redusere potensialet sent, mer alvorlige bivirkninger av RT sammenlignet med enkelt-fraksjon behandling12. Flere brøkdel tilnærminger er optimale for svulster som er raskt dele eller ikke reparere sublethal skade fra RT. Imidlertid avhenger dette nøyaktig behandling området og følsomheten til de nærliggende normalt vev. Siden stråling behandling levering mål er å administrere den samme behandlingen under hver fraksjon, kan med noen få millimeter bevegelse eller usikkerhet i pasienten posisjonen føre til nedbrytning av partikkel terapi behandlingen planen. Derfor innebygd bilde veiledning systemer er av overordnet betydning under multifraction RT. X-ray imagers, cone beam CT skanner eller optisk, laser-skanning overflaten imagers er tilgjengelig for dette formålet. Disse enhetene tillater bilde-guidede strålebehandling (IGRT) gjennom avbilding av anatomiske landemerker, svulst mål eller surrogat radio-ugjennomsiktig fiducial markører. IGRT bildene er i forhold til den opprinnelige simulering skanner og justert etter behov før hver fraksjon av stråling.
Fordelen med begrenset omfanget av proton terapi, som begrenser Avslutt dosen, er beregningspresisjonen utvalg prediksjon vanligvis sett i behandlingsplanlegging på noen millimeter. Akkurat energi tapet i forskjellige pasienten vev er først nøyaktig molekylær komponentene av vev er tvetydig, og dernest siden pasienten anatomien endres over tid, både over korte tidsskalaer (f.eks puste) og lengre tidsrammer (f.eks, vekttap, svulst krymping, normal anatomi endringer). For å håndtere denne usikkerheten, lagt en "distale margin" til målvolumet som en ekstra marg av normalt vev like utenfor maksimal svulst dybden. Slike en margin sikrer at selv med usikkerhet i området prediksjon, hele svulst dybden vil bli behandlet med høy visshet. Dessverre, normalt vev margen kan resultatet bli utsatt for full RT dose, som kan føre til betydelige RT bivirkninger i at vev. Derimot som fotoner ikke stoppe men heller avslutte målet, er ingen slike distale marg nødvendig å kompensere utvalg usikkerhet. En geometrisk margin brukes fortsatt i Foton terapi for å adresse posisjonelle usikkerhet av målet, men fotoner er mye mindre sensitive enn protoner nøyaktig status for pasienten vev oppstrøms av målet. Derfor kan nødvendig margin være mindre for fotoner enn protoner. Dette kan forstås av vurderer at protoner gjennomgår kontinuerlig energitap i vev som sterkt påvirke plasseringen av området, mens fotoner er uncharged og reise i tomrommet mellom atomene og deres orbitale, bortsett fra sjeldne kollisjoner med elektroner eller kjerner. Stor tetthet forskjeller i vev, f.eks., metallgjenstander eller luft hull, men fortsatt påvirke Foton dose og proton dose, men til et lavere omfang.
En siste og viktige usikkerhet gjelder av radiobiological effektiviteten (RBE) av ulike former for stråling. RBE er forholdet mellom doser, fra en referansetype for stråling og stråling testtypen, under forutsetning av at begge stråling typene produserer samme biologisk effekt. Jo høyere RBE, jo mer skade stråling per enhet energi program i vev. RBE forholdet er definert i referanse til Foton stråling. Denne enkel beskrivelse er det faktisk stor usikkerhet om RBE verdiene for ladede partikler i motsetning til fotoner. Forskjeller i romlig dose distribusjoner mellom fotoner og ladede partikler i mikrometer og nanometer skala føre til forskjeller i biologisk effekt, selv når makroskopisk doser er identiske. Dette kan forstås ved å undersøke romlige mønstre for DNA skade etter eksponering for ladede partikler i ulike doser og ulike kinetiske energien. Forskjellige kinetiske energien og ulike kostnader av protoner (+ 1) og karbon ioner (+ 6) føre til forskjellene i energi-overføring på ulike dybder i pasienten, mens fotoner, energi-overføring er relativt lavere og også mer homogen gjennom pasienten. Mens teoretisk forstått, er det betydelig debatt i stråling onkologi samfunnet om evnen til å nøyaktig forutsi slike biologiske effekter. For karbon ion terapi er det mangel på konsensus om hvordan best å modellere disse biologiske effekter, skjønt det er enighet om at slike effekter må være modellert for å gi terapi. Protoner, de fleste kliniske sentre for tiden planlegger terapi uten eksplisitt modellering av RBE effekter, bortsett fra bruker en konstant korrigeringsfaktoren 1.1, men dette er sannsynlig å endre i fremtiden som nye kommersielle behandling planlegging systemer begynner å inkluderer biologiske modellering programvareverktøy modell RBE av proton therapy.
Med ferdigstillelsen av randomiserte studier, inkludert RADCOMP, PARTIQoL og RTOG 1308, bør vi ha mer konkret svar om hvilke typer stråling kan være overlegen for bryst og prostata lungekreft, henholdsvis. Lignende studier er planlagt for andre sykdom som kan bidra til å forbedre det beste behandling modalitet for disse svulst. Men er det allerede nok data til å foreslå overlegenhet protoner i bestemte innstillinger, spesielt i pediatric befolkningen, hvor betydelig normalt vev sparsom kan sterkt redusere sykelighet fra toksisitet, inkludert sekundære malignancies.
Disclosures
A.H. har honoraria fra Astrazeneca Bayer og Novartis. A.H. har konsultert med Bristol-Myers Squibb og Astrazeneca, og Bayer og var en høyttaler for Frankrike Foundation.
Acknowledgments
Løping erkjenner gi finansiering fra NIH lån nedbetaling programmet. A.H. har mottatt finansiering fra Bayer, Clovis, Constellation, 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 |
References
- Siegel, R. L., Miller, K. D., Jemal, A.
- 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).
- 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).
- Reed, A. B. The history of radiation use in medicine. Journal of Vascular Surgery. 53 (1 Suppl), (2011).
- T Landsberg, P. Nobel Lectures in Physics, 1901-1921. 18, (1967).
- Non-small cell lung cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/nscl.pdf (2018).
- Pancreatic Adenocarcinoma. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/pancreatic.pdf (2017).
- Breast cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/breast.pdf (2017).
- Prostate Cancer. , Available from: https://www.nccn.org/professionals/physician_gls/pdf/prostate.pdf (2017).
- 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).
- 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).
- Hall, E. J., Giaccia, A. J. Radiobiology for the radiologist. , Wolters Kluwer Health/Lippincott Williams & Wilkins. (2012).
- Lomax, A. J. Charged particle therapy: the physics of interaction. The Cancer Journal. 15 (4), 285-291 (2009).
- Rossi, B., Greisen, K.
- Blakely, E. A., Chang, P. Y.
- Schardt, D., Elsässer, T., Schulz-Ertner, D. Heavy-ion tumor therapy: Physical and radiobiological benefits. Reviews of Modern Physics. 82 (1), 383-425 (2010).
- 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).
- 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).
- 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).
- Glimelius, B., et al. Number of patients potentially eligible for proton therapy. Acta Oncologica. 44 (8), 836-849 (2005).
- 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).
- 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).
- Ng, M., et al. Fiducial markers and spacers in prostate radiotherapy: current applications. British Journal of Urology International. 113, 13-20 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- Shah, C., et al. Cardiac dose sparing and avoidance techniques in breast cancer radiotherapy. Radiotherapy and Oncology. 112 (1), 9-16 (2014).
- 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).
- 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).
- 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).
- 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).
- McMullen, K. P., Hanson, T., Bratton, J., Johnstone, P. A. Parameters of anesthesia/sedation in children receiving radiotherapy. Radiation Oncology. 10, 65 (2015).
- 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).
- Giebeler, A., et al. Standardized treatment planning methodology for passively scattered proton craniospinal irradiation. Radiation Oncology. 8, 32 (2013).
- 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).
- 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).
