Summary
Grunderna i strålning planering och leverans för protonterapi med prostatacancer som modell presenteras. Tillämpningen av dessa principer till andra valda sjukdom webbplatser belyser hur proton strålbehandling kan förbättra kliniska resultat för cancerpatienter.
Abstract
Strålbehandling är en ofta använd modalitet för behandling av solida cancersjukdomar. Även mekanismerna i cellen döda är liknande för alla former av strålning, egenskaperna i vivo av fotonen och proton strålar skiljer sig kraftigt och kanske exploaterade att optimera kliniska resultat. I synnerhet förlorar proton partiklar energi på ett förutsägbart sätt när de passerar genom kroppen. Den här egenskapen används kliniskt att styra djupet på vilket proton balken avslutas, och att begränsa stråldosen bortom målregionen. Denna strategi kan medge betydande minskningar i stråldosen till normala vävnader ligger precis utanför måltavla tumör. Nedbrytningen av proton energi i kroppen är dock fortfarande mycket känslig för vävnad densitet. Ändringar i vävnad densitet under behandlingens gång kan följaktligen avsevärt förändra proton dosimetri. Sådana förändringar kan uppstå genom förändringar i kroppsvikt, andning eller tarm fyllning/gas och kan resultera i unfavorable dos nedfall. I detta manuskript ger vi en detaljerad metod för leverans av protonterapi som använder både passiv scatter och pencil beam scanning tekniker för prostatacancer. Även om det beskrivna förfarandet avser direkt prostatacancerpatienter, kan metoden anpassas och tillämpas för behandling av praktiskt taget alla solida tumörer. Vårt mål är att utrusta läsarna med en bättre förståelse av proton therapy leverans och resultat för att underlätta en lämplig integration av denna stödform under cancerbehandling.
Introduction
Det uppskattas att 1,7 miljoner personer i USA kommer att diagnostiseras med cancer 2018, med över 600,000 duka under till sjukdom1. Aktuella behandlingsalternativ omfattar mono - eller multi - modality terapi med kirurgi, strålbehandling (RT) och systemiska behandlingar. Med avseende på RT får en fjärdedel av nydiagnostiserade patienter det som en del av deras ursprungliga cancerbehandling och nästan hälften i slutändan kräver det under sin sjukdom kurs2,3.
Tillkomsten av RT går tillbaka till 1895 då William Conrad Roentgen upptäckte röntgen medan du arbetar med ett katodstrålerör i hans laboratorium vid Würzburgs universitet i Tyskland4. Inte långt efter fick patienter med omfattande sjukdomar som lupus och cancer behandlingar med radium strålar. Tidiga komplikationer var insåg snabbt och diskuterades även av Pierre Curie i hans Nobelpris föreläsning5. Eftersom strålningen påverkar både normal och tumör vävnader, måste noggrant kontrollerade doser av strålning utnyttjas för att maximera terapeutiska kvoten, definieras som sannolikheten för tumör kontroll kontra probabilityen av oacceptabel toxicitet. Med gradvisa framsteg inom teknik, samt bättre förståelse av radiobiologyen och fysik, har detta terapeutiskt förhållande förbättrats avsevärt med tid. Användning av RT har avsevärt förbättrat resultat för flera cancerformer, vilket avspeglas i dess införande i nationella riktlinjer för cancer behandling6,7,8,9. I vissa fall kan RT användas som enda modalitet för terapi10, medan i andra sjukdomar, det kan användas som en del av multimodalitet terapi för lokal sjukdomskontroll eller utrotning av mikroskopisk sjukdom11. Även om ofta används med en kurativ intention, är många RT patienter behandlade för palliation av smärta eller andra symtom som utvecklas från tumör-inducerad komprimering, invasion eller förstörelse av normal vävnad i inställningen av loco-regionalt eller utbredd, metastaserad sjukdom.
De grundläggande principerna bakom RT är okomplicerad. Med tillämpning av strålning deponeras energi i celler genom joniseringen av atomer. Denna energi, producerar även om det kan höja temperaturen i ett bestrålat område av endast några microkelvin, fria radikaler som kan direkt skada exponerad celler genom DNA skada12,13. Mycket av vår förståelse av high-energy partikelstrålning och dess växelverkan med materia kommer från teoretiska och experimentella studier av kosmisk strålning och deras samspel i den övre atmosfären utförs i tidig 20th talet14. High-Energy (MeV till GeV) laddade partiklar interagerar med frågan huvudsakligen via elektromagnetisk kraft: när dessa partiklar passerar genom materia eller vävnad, inelastiska kollisioner med orbital elektroner leda till jonisering och excitation av mål fråga, och elastiska kollisioner med atom-nuclei leda till scatter eller deformation av partikel sökvägen. Dessutom leda nukleära kollisioner och hårda kollisioner med elektroner till en kaskad av sekundär strålning som lägger till joniserande effekten av partikelstrålning. Högenergetiska partiklar traversera fråga således lämna bakom en vakna av joniserade atomer, molekyler och fria elektroner som är kemiskt reaktiva och kan eventuellt framkalla biologiska förändringar eller skada för organismer utsätts för dessa joniserande fält.
Ett större långsiktiga mål av strålbehandling har varit att lära sig hur man bäst att utnyttja dessa joniserande fält på ett sätt som kommer att effektivt behandla sjukdom hos människor. Kliniskt, bör idealisk form av strålning (till exempel fotonen, proton, elektron eller tunga ion) föranleda tillräckligt jonisering i sjukdom målet att ge terapeutiska anti-tumör effekt, medan på samma gång orsakar minimal joniseringen i omgivande normal vävnader för att minimera skadliga effekter. Vilken typ av strålning är markerad för RT beror delvis på vilken sjukdom som behandlas. Tumörer som ligger djupare i kroppen och kan också vara kirurgiskt inoperabel, anses megavolt fotoner, protoner och tunga joner optimal15,16. För ytliga cancerformer, såsom de som rör huden, vara electron terapi optimal och även att föredra framför operation för cosmesis. Däremot, ligger fördelen med megavolt fotoner i deras förmåga att tränga in djupt i vävnaden samtidigt begränsa skador på huden. När det gäller laddade partiklar, som elektroner, protoner eller tunga joner, ligger deras primära fördelen i deras 'stoppa' egenskaper; d.v.s. laddade partiklar förlorar energi kontinuerligt via de inelastiska kollisioner som beskrivs ovan, och denna energiförlust är mycket förutsägbar på millimetern skala. En laddad partikel balk kan därför levereras till en patient med precisa energier till önskat djup. Dessutom producerar laddade partiklar lite till ingen exit dos17. Oladdade partiklar som fotoner uppvisar däremot en exponentiell falloff (dämpning) med ökande djup, vilket ofta leder till en betydande exit dos som kan äventyra friska vävnader distala till målet. Dessa begrepp demonstreras i figur 1, som visar strålningen dos (jonisering) egenskaperna hos de olika typerna av strålning används kliniskt. En central motivation för använda protoner eller koljoner istället för fotoner för djupare tumör mål är att det finns minimal dos posten dos och nära noll exit dos bortom målvävnaderna. Tabell 1 sammanfattar några av de kliniskt relevanta egenskaperna av fotonen och proton strålar.
Framsteg inom området för strålbehandling, inklusive protonterapi, har skett på två stora fronter: 1) byggnaden av effektiv partikelacceleratorer kan producera (MeV) högenergistrålning såsom synkrotron och cyklotron acceleratorer, och 2) utvecklingen av avancerade beräkningsmetoder som kombinerar sjukdom imaging data och strålning transport beräkningar att tillåta datorsimulerad ”dosplanering”. För dosplanering genomgå patienter vanligtvis datortomografi (CT) imaging. De CT-bilderna innehåller 3-dimensionell anatomiska information om patienten samt exakt kvantifiering av den vävnad täthet. CT bilder och densitet kartor används sedan i datorsimuleringar för att planera strålbehandling: både energi och intensitet av strålfältet är matematiskt optimerade för varje patient. En magnetisk resonanstomografi (MRT) scan eller en positron-emission tomography (PET) scan kan också användas som komplement till CT data.
Vi beskriver nedan, en stegvis beskrivning av hur patienter är navigerat genom sin strålning behandling kurs, följt av exempel på vissa tumörtyper som behandlats med protonterapi.
Protocol
Exakta strålning terapi planering och leverans protokoll varierar sjukdomen webbplats och kan även kräva individualisering för varje patient. Förfarandet kan dessutom också kräva ändringar att rymma institutionella inställningar och utrustning tillgänglighet. I syfte att denna diskussion kommer vi beskriva de åtgärder som används för proton planering i en typisk prostatacancer fall eftersom detta är den vanligaste cancerformen som behandlats med protonterapi US centers18. Detta protokoll beskriver standard-of-care kliniska rutiner och så kräver inte institutionella godkännande av mänskliga forskningsetisk kommitté.
1. datortomografi simulering för strålbehandling
- Infoga utökade bordsskiva i tabellen behandling och se till att den är låst.
- Placera en uppblåst immobilisering kudde över bordsskivan och indexering bar för benet mögel på nivån av patientens knä.
- Placera en solid huvudet vila överst i tabellen. Börja med F storlek huvud, som rymmer de flesta patienter.
- Bekräfta att patienten har avslutat hela urinblåsan genom att dricka 16-24 uns av vätska 45 min innan schemalagd genomsökning. Detta steg måste slutföras innan steg 1.12.
- Registrera patienten in CT patienten registreringssystem.
- Välj prostata skanning protokoll med slice tjocklek 3 mm.
- Bekräfta att behandling samtycke, kontrast samtycke och simulering beställer har fullgjorts av den behandlande läkaren.
- Be patienten att ändra till en klänning och ta bort alla kläder från midjan och ner.
- Bekräfta patienten identifiering av verbalt verifiering av patientens namn, födelsedatum- och förfarande webbplats.
- Ta ett ansikte foto av patienten.
- Be patienten att sitta på bordet och sedan assistera patienten in i en liggande, huvudet först position.
- Placera patientens ben i den uppblåsta immobilisering kudden och patientens armarna på bröstet genom sammanflätning sina fingrar, vilket ger dem en blå ring eller tillämpa remmar runt armarna.
- Bekräfta patienten justeringen med lasersystem.
- Anslut den dubbla vakuumpumpen till munstycket på immobilisering dynan.
- Placera benen i immobilisering dynan för att mögel ska omsluta sidan av benen och även skapa en barriär mellan benen. Se till att dynan immobilisering under bäckenet och sträcker sig förbi fötterna.
- Infoga och blåsa ab endorectal ballong om kliniskt indicerat per behandlande läkare.
- Utföra anterior-posterior (AP) och laterala (LAT) scout kilovoltage röntgenbilder (topograms) att bekräfta att patienten justering är optimerad. Detta innefattar kontroll av rakhet på AP bilden och roterande justering på laterala bilden. Använd båda bilderna så att tarm gas är minimal. Placering bör alla korrigerade och bekräftade med ny avbildning. Om tarm gas är närvarande och överdriven, ursäkta patienten till toaletten och starta om processen från steg 1.15.
- När patienten är i önskad position, ta bort luften från immobilisering dynan använder Q-fix dubbla vakuumpumpen för att bilda en fast mögel runt deras ben och fötter.
- Manuellt justera tabellen behandling så att laser hårkorset är på samma nivå som patienten höfterna och vid mittlinjen av höfter och buk i nivå med höftleden. Ange hårkors platser på patienten med hjälp av en märkning penna. Placera de lokalisering markörerna på hårkorset att utse en utgångspunkt för verifiering simulering under strålning leverans.
- Uppsättning CT scanning parametrar om du vill inkludera bäckenregionen från L3 ryggraden till mitten av lårbenet.
- Skanna patienten använda protokollet prostata skanning.
- Bekräfta att genomsökningen är acceptabelt för dosplanering. Urinblåsan ska vara full och ändtarmen bör ha minimal luft eller avföring.
- Exportera filen digitalt scan till behandling planering programvara och meddela dosimetri.
- Märka patientens immobilisering dynan med patient-ID, behandlande läkare namn och setup instruktioner före lagring för efterföljande användning under terapi.
- Fortsätt till steg 2.1 om patienten genomgår pencil beam protonterapi. Hoppa till steg 3.1 om patienten får passiv scatter protonterapi.
2. strålbehandling som planerar använda Pencil Beam terapi
- Dataimport CT simulering in i behandlingen planerar programvara (TPS).
- Använda behandling planeringssystemet contouring verktyg för att definiera alla relevanta geometriska volymer baserat på förvärvade CT-bilder. Dessa strukturer omfattar den urinblåsan, ändtarmen, tjocktarmen, tunntarmen, femurhuvuden, yttre karossyta, fiducials, rektal spacer eller endorectal ballong.
- Skapa en ytterligare yttre kontur, vilket inkluderar kroppen, behandlingsbänk och immobilisering enheter. Stråldos beräknas endast inom denna kontur.
- Contour första kliniska målvolymen (CTV1) för att inkludera den prostata och sädesblåsorna involverade lymfknutor. CTV1 ordineras 45,0 Gy (RBE). CTV1 volymen har utseendet på en U-formad struktur på axiella bilder. Liten tarm, ändtarmen och urinblåsan normala vävnader kommer att uppehålla sig inom U-formade målvolymen.
- Contour andra kliniska målvolymen (CTV2) till att omfatta prostata och sädesblåsorna. CTV2 ordineras en total dos på 34,2 Gy (RBE).
- Välj tre balkar i gantry vinkel 90, 180 och 270 grader för behandling av CTV1 volymen. Välj endast 90 och 270 graders spridningsvinkel vinklar för CTV2 behandling.
- Design två geometriska blockerande strukturer (undvikande volymer).
- Skapa en ”mitten av block” undvikande volym omfattar normala vävnader inom U-formade CTV1 volymen.
- Blockera sämre aspekt av posterior-anterior (180 grader) balken under nivån för toppen av prostata med hjälp av en ”ändtarmen-block”.
- Skapa en isotrop 7-mm expansion av CTV1 att bilda en proton planering målvolymen, heter pPTV1. Använda pPTV1 för att definiera en plats placering volym så att protonen Bragg toppar (också kallad proton ”spots”) är placerade genom planering optimeringsfunktionen att täcka CTV1.
- Liksom i steg 2.6, skapa en liknande expansion av den CTV2 volymen att bilda pPTV2, men använder 8-mm expansion i vänster-höger-riktning och 5-mm expansioner i båda främre-bakre och superior-inferior riktning.
- För att aktivera robust optimering, skapa en funktion som kan redovisa setup osäkerheter, utbud osäkerheter och variabel gas fyllning av tarmen, två konstgjorda (”åsidosatta”) CT dataset: först har hela tunntarmen, tjocktarmen, och rektum skrivas över till densiteten för luft, och andra har dessa volymer skrivas över till tätheten av muskel.
- Före optimering, skapa en ny behandlingsplan för CTV1. Utse proton behandling maskinen användas för planering, tilldela den ordinerade dosen och fraktionering av 45 Gy (RBE) 25 fraktioner och definiera det primära målet att vara CTV1. Tilldela 100% av den föreskrivna dosen att täcka minst 98% av CTV1 volymen med alla 3 balkar (höger sido, vänster laterala och posterior-anterior).
- Skapa en annan behandlingsplan för CTV2 med 2 beam uppsättningar. Först tilldela 18 Gy (RBE) levereras i 10 fraktioner till CTV2 använder endast den vänstra laterala strålen och tilldela 16,2 Gy (RBE) levereras i 9 fraktioner till CTV2 med hjälp av bara rätt laterala balken. Tilldela 100% av den föreskrivna dosen att täcka 100% av CTV2 volym.
- Förbereda för optimering av CTV1 planen
- Tilldela mitten av blocket strukturen som en rad marginal för de laterala balkarna och ändtarmen-blocket strukturen som en rad marginal för posterior-anterior balken.
- Starta optimering med automatiskt (standard) inställningarna för energi lager avstånd, spot avstånd och målet marginal.
- Ange ett maximalt antal iterationer av 40, ett maximalt antal optimeringar innan â plats Filtering†10 och en minsta plats vikt 1,5 övervaka enheter. Spot filtrering avlägsnar proton ställen med mindre än 1,5 övervaka enheter, eftersom det finns en teknisk minsta gräns för antalet protoner som kan levereras av maskinens behandling.
- Den första omgången av optimering för CTV1, utse målet som pPTV1 att upprätta rutnätet av proton spot positioner. De angivna målen är 45,5 Gy (RBE) (vikt = 100) till pPTV1 och en dos falloff på 45 till 0 Gy (RBE) inom ett avstånd av 1 cm (vikt = 2).
- Börja en andra runda optimering för CTV1, genom att ta bort de pPTV1 målen ovan. Sedan återuppta optimering med nya mål och objektiva vikter. Ange dessa parametrar som följer för att utveckla en intensitet modulerade plan, även känd som flera fält optimering (MA).
- För den yttre volymen, ställa in en dos falloff på 45 till 0 Gy (RBE) inom ett avstånd av 1 cm och med en vikt på 2.
- Ange en minsta dos på 45 Gy (RBE) med en vikt av 100 för volymen CTV1.
- För CTV1 volymen, ange en jämn dos av 45,5 Gy (RBE) och en vikt på 100. Ange detta mål som robusta.
- För den pPTV1 volymen, ange den maximala dosen på 46 Gy (RBE) med en vikt på 100 och ange detta mål robust.
- Ange en maximal dos på 45,8 Gy (RBE) med en vikt av 50 för volymen ändtarmen. Ange detta mål som robusta.
- Ange en maximal dos på 45,8 Gy (RBE) med en vikt av 50 för volymen urinblåsan. Ange detta mål som robusta.
- För tunntarmen, ställa in en maximal dos på 45,8 Gy (RBE) med en vikt av 50. Ange detta mål som robusta.
- För tjocktarmen, ställa in en maximal dos på 45,8 Gy (RBE) med en vikt av 50. Ange detta mål som robusta.
- Utöver de särskilda målen, tilldela robusthet inställningar att mildra 5-mm positionella Skift, 3,5% utbud osäkerhet, och införliva den konstgjorda (”åsidosatta”) CT-data ovannämnda adress tarm gas variabilitet. Dessa robusthet inställningar gäller endast för de mål som anges ovan som ”robust”.
- Slutföra optimeringen för CTV1 planen och granska resulterande optimerad planen att se till att recept mål har uppnåtts.
- Förbereda för optimering av CTV2 planen
- Slutföra den första optimeringen för CTV2 planen med pPTV2 för att uppnå ett spot placering rutnät som CTV1 planen.
- Ta bort de pPTV2 målen och återuppta optimering med nya mål (procentsatser är med avseende på recept för CTV2). För den CTV2 planen, att optimera dessa mål för vänster och höger balken individuellt. Detta är känt som enda fältet optimering (SFO) och målen för varje bom är följande.
- För den yttre volymen, ställa in en dos falloff av 34,2 Gy (RBE) till 0 Gy (RBE) inom ett avstånd av 5 mm och en vikt på 2.
- Ange en minsta dos av 34.37 Gy (RBE) med en vikt av 120 för volymen CTV2.
- För den CTV2 volymen, ange en jämn dos av 34.54 Gy (RBE) med en vikt av 100. Ange detta mål som robusta.
- För den pPTV2 volymen, ställa in en maximal dos av 34,88 Gy (RBE) med en vikt av 100. Ange detta mål som robusta.
- Använd samma robusthet inställningar för optimering.
- Slutföra optimeringen separat för vänster och höger lateral balkar att skapa 2 plan helljus uppsättningar. Detta kommer att möjliggöra leverans av strålning till CTV2 använder antingen vänster eller höger lateral balkar. Detta är i motsats till CTV1 dos levereras, vilket kräver alla 3 balkar (RL LL och PA) som ska användas för varje behandling.
- Granska de CTV1 och CTV2 behandlingsplanerna självständigt och i summeringen att säkerställa att de uppfyller dosrestriktioner för prostatacancer bestrålning fastställts av RTOG 0126 rättegång19.
- För urinblåsan volymen, se till att andelen av vävnad som fick 80 Gy är under 15%, procentsatsen får 75 Gy är under 25%, andelen som fick 70 Gy är under 35% och andelen som får 65 Gy är mindre än 50%.
- För rektal volym, se till att andelen av vävnad som fick 75 Gy är under 15%, andelen som fick 70 Gy är under 25%, andelen som får 65 Gy är mindre än 35% och procentsatsen som fick 60 Gy är under 50%.
- För penis glödlampa volymen, se till att den genomsnittliga dosen under 52,5 Gy.
- För CTV1 och CTV2 målet volymer, säkerställa att minst 95% av båda volymer får den ordinerade dosen.
- Om planer och dos distributioner uppfyller accepterade dos constraint riktlinjer och robusthet, få läkare godkännande och exportera planerna till behandling leveranssystem.
- Åtgärd för att bekräfta riktigheten av den planera dosen med hjälp av jonisering kammare matriser, en typ av strålning detektor.
- Kontrollera riktigheten av ska dosen beräknas med en sekundär, oberoende dos beräkning programvara.
- Granska mätresultaten, beräkningsresultat och tekniska egenskaper av planen med en medicinsk fysiker att säkerställa kvalitetskontroll.
- Generera behandling planeringsdokumenten och godkänna dem av planering dosimetristen, fysiker och övervakande läkare.
- Exportera alla data till behandling leverans systemet för patientbehandling för dosplanering och hoppar till steg 4.1 för proton therapy leverans.
3. strålning dosplanering för passiv Scatter eller Uniform Scanning Proton Therapy:
- Importera CT simulering data till den strålning dosplaneringssystem.
- Contour alla relevanta geometriska volymer baserat på förvärvade CT-bilder. Dessa strukturer omfattar den urinblåsan, ändtarmen, tjocktarmen, tunntarmen, femurhuvuden, yttre karossyta, fiducials, rektal spacer eller endorectal ballong.
- Skapa en ytterligare yttre kontur. Använda verktyget boolesk Operation för att inkludera kroppen, behandlingsbänk och immobilisering enheter. Stråldos beräknas endast inom denna kontur.
- Kontur CTV1 att inkludera den prostata och sädesblåsorna involverade lymfknutor. CTV1 ordineras 45,0 Gy (RBE).
- Contour CTV2 att inkludera prostata och sädesblåsorna. CTV2 ordineras en total dos på 34,2 Gy (RBE).
- Expandera CTV1 av 7 mm och skapa pPTV1 som du kan skapa pPTV2 genom att utöka CTV2 genom 7 mm i alla riktningar utom 5 mm posteriort.
- Skapa balkar på det dosplaneringssystem för att rikta pPTV1 och pPTV2. pPTV1 kommer att riktas med en enda 180° PA stråle medan pPTV2 kommer att riktas med 90° och 270° lateral balkar.
- Lägga till block för varje balk med en enhetlig marginal på 0,5 cm i pPTV1 och pPTV2 volymer.
- Använda block storlek Välj minsta beam bländare storlek möjliga baserat på storleken på varje pPTV volym. Beam bländaren är mässing anpassad utskärningen som kommer att knytas till gantry nosen till formen laterala kanter på varje proton bom.
- Modell lämplig vax kompensator krävs att forma varje proton strålar distala och proximala marginaler genom att välja lämpliga beam parametrarna enligt följande.
- Ange ett intervall osäkerhet värde 3,5% plus en ytterligare 1-2 mm.
- Mata in lämpliga air gap avståndet mellan aperture och patient.
- Släta och smeta formen kompensator på önskad dos övertoningen.
- Ange isocenters för pPTV1 och pPTV2 på samma plats med målet att minimera patientens förändringar krävs för proton strålar leverans.
- Beräkna dosen med hjälp av parametrar som anges i steg 3.10.1-3.10.4 för både pPTV1 och pPTV2 mål planer.
- Granska pPTV1 och pPTV2 behandling planerar självständigt och i summeringen att säkerställa att de uppfyller dosrestriktioner för prostatacancer bestrålning fastställts av RTOG 0126 rättegång19 och beskrivs i steg 2.17.1-2.17.4.
- Om så önskas OAR och mål mål för dos täckning inte uppnås, sedan justera block och kompensator parametrar i TPS som visas i steg 3.8 3.10 tills målen uppnås. När målen ska nås, få läkare godkännande och fortsätt till steg 3,14.
- Kontrollera riktigheten av ska dosen beräknas i den godkända planen med en sekundär, oberoende dos beräkning programpaket.
- Granska mätresultaten, beräkningsresultat och tekniska egenskaper av planen med en medicinsk fysiker att säkerställa kvalitetskontroll.
- Beställ de block och kompensatorer från respektive leverantör.
- QA de block och kompensatorer inlevereras från leverantören.
- Generera behandling planering dokument och godkänner dem via digitala signaturer av planering dosimetristen, fysiker och övervakande läkare.
- Exportera alla data till behandling leverans systemet för patientbehandling för dosplanering och fortsätt till steg 4.1.
4. strålning behandling leverans
- Den första dagen av behandling, kontrollera att strålning planen matchar parametrarna plan i behandlingssystemet.
- Ordna behandlingsrummet för att återge patienten installationen används under CT simulering. Se till att patienten överensstämmer med immobilisering kudde etiketten ID och placera på behandlingsbänk med rätta indexering. Placera nackstödet utnyttjas vid simulering i toppen av tabellen.
- Bekräfta med patienten att de har avslutat full blåsa och bytte till en behandling klänning.
- Eskortera patienten in i behandlingsrummet och placera honom i ryggläge på behandlingsbänk med händerna knäppta över bröstet och benen i immobilisering dynan.
- Infoga och blåsa endorectal ballong om används under simulering.
- Elektroniskt flytta tabellen behandling från den belastning positionen mot isocenter att anpassa patienten med märkena som placeras under simulering. Justera tabellen för att korrigera eventuella grova fel i patienten positionering såsom tonhöjd, rotation och yaw.
- När patienten är korrekt anpassad till markeringarna simulering, slutför skiftar från startpositionen till dem som fastställts under de dosimetriska dosplanering processen att anpassa patienten att den önskad behandling isocenter.
- Utföra ortogonala KV imaging för att säkerställa korrekt inre patientens anpassning till bäckenbenet och relaterat markörer som tidigare placerats av urologi inom prostatacancer.
- Avgöra om positionella justeringar krävs baserat på överliggande förvärvade KV bilderna på digitalt rekonstruerade röntgenbilder från den planering datortomografi för simulering. Tillämpa nödvändiga förändringar för att säkerställa justering.
- Om KV bilder Visa överdriven tarm gas, be patienten att utvisa luften liggande på tabellen behandling om möjligt, och sedan justera och re-bild.
- Om patienten inte kan släppa på behandlingsbänk, avbryta behandlingen och har patienten gå till toaletten. När patienten återvänder från toaletten, starta om proton leveransprocessen från steg 4,3.
- När acceptabel KV bilder förvärvas och bekräftade, slutförs en cone beam CT (CBCT) scan för att bedöma blåsan/rektal fyllning. Applicera ytterligare patient positioning justeringar baserat på CBCT Skanna. Som med KV imaging-baserad positionering rättelser skickas ändringar med CBCT data direkt från imaging konsolen till behandlingsbänk för automatiserade program.
- Kontrollera alla positionella korrigeringar med behandlande läkare innan du inleder behandlingen på den första dagen av protonterapi.
- Initiera behandling leverans med hörbara verifiering mellan två terapeuter för gantry vinkel, övervaka enheter, antalet skanning ställen och lager, och nosen position för varje behandling vinkel. Dessa parametrar visas på konsolen behandling och i planering dokument undertecknas av dosimetri, fysik, och behandlande läkare.
- Efter behandlingen, markera den behandling isocenter för daglig justering och ta bort markeringarna.
- Upprepa steg 4,2-4,9 för alla efterföljande behandling fraktioner.
Representative Results
Tillgängliga data tyder på en betydande fördel med protonterapi för vissa cancerformer20,21. PT kan vara gynnade för Välj pediatric tumörer, återkommande cancer i tidigare bestrålat regioner eller andra cancerformer där normal vävnad skaderisken är hög med photon behandling. Nedan diskuterar vi ansökan och fördelen med protonterapi för prostata-, bröst- och medulloblastom. Vårt mål är att ge läsarna med en bättre förståelse för tillämpningen av protonterapi för tumörer som är vanligt hos män, kvinnor och barn.
I USA är prostatacancer mest vanligen diagnostiseras malignitet hos män och den näst vanligaste orsaken till cancerrelaterad död bland män. Uppskattningsvis 164,690 nya fall kommer att diagnostiseras i 2018, och över 29.000 män kommer att dö av sjukdomen. Patienter med icke-metastaserande prostatacancer är berättigade till behandlingsalternativ, inklusive aktiv övervakning, Radikal prostatektomi, brachyterapi och externa balk strålning med fotoner eller protoner22. Exakta behandling fattas beroende på patientens anatomi, samsjuklighet, tumörstadium, läkare dom och patientens preferenser.
Strålning leverans för tidigt skede prostatacancer är begränsad till prostatakörteln. Vid intermediär risk prostatacancer, är de proximala sädesblåsorna riktade också. Även partiell prostata terapier utforskas, fortfarande hela körteln terapi standardbehandling. Obturatorn, pre sakrala, interna iliaca och externa iliaca noder ingår ofta för patienter med unfavorable mellanliggande och högrisk sjukdom.
Före strålbehandling planering, relaterat markörer kan placeras för att tillåta bild-guidad behandling med förbehandling kilovoltage imaging (dvs., standard röntgen)23. Dessutom infogas en hydrogel spacer också före CT simulering för att skapa en klyfta mellan ändtarmen och prostatan att ytterligare begränsa dosen till rektal vävnader24,25. Under behandling med planering bör patienter simuleras i ryggläge med bäckenet orörlig med en anpassad kudde enhet. En rektal ballong kan placeras på CT simulering för att begränsa både prostata rörelse och osäkerhet beträffande rektal volym och densitet26. Ett bekvämt full blåsa rekommenderas att begränsa dosen till tunntarmen och den främre delen av urinblåsan27. MRI simulering rekommenderas även att tillåta mer exakt mål volym avgränsning26.
Behandlingar bör utformas för att leverera doser av 75,6-79,2 Gy till prostatan, med doser av 45-50,4 Gy rekommenderas för elektiv täckning av nodal eller seminal vesikel regioner i riskzonen för mikroskopisk sjukdom sprida9. Alla fraktioner levereras en gång dagligen i 1,8-2 Gy per fraktion. För mellanliggande och högriskområden patienter en brachyterapi boost, bör yttre balk stråldosen begränsas till cirka 45 Gy. Brachyterapi doser av 110 Gy bör användas med I-125 låg dos kurs permanent implantat. Med hög dos rate brachyterapi levereras via katetrar, inkluderar vanliga boost regimer 13 till 15 Gy x 1 bråkdel, 8 till 11,5 Gy x 2 fraktioner, 5,5 till 6.5 Gy x 3 fraktioner och 4.0 till 6.0 Gy x 4 fraktioner9.
Dosplanering dosimetri är optimerad för att begränsa dosen till urinblåsan, ändtarmen och tarm. Dosimetriska jämförelser mellan photon-kontra proton - baserad terapi (dvs., IMRT kontra IMPT tekniker) har visat förbättrad sparing av doser till normala vävnader med den senare metod28.
Prostatacancer specifika dödligheten är under 2% på 10 år för män med tidigt stadium sjukdomen22 oavsett behandling valt. Dos-intensifierat RT visar hög risk patienter också en låg prostatacancer specifika dödlighet på 5% 9 år29. Dödligheten är fortfarande låg till stor del på grund av tillgängligheten av systemiska terapier som förblir effektiv i inställningen metastaserande. Resultat med både IMRT och proton therapy förblir utmärkta30,31. PARTIQoL (NCT01617161) studien är en pågående, randomiserad studie mellan proton strålbehandling (PBT) och IMRT för låg- och intermediär risk prostatacancer som förhoppningsvis kommer att avgöra om en modalitet är överlägsen den andra.
Bröstcancer är mest vanligen diagnostiseras malignitet hos kvinnor och den näst vanligaste orsaken till cancerrelaterad död bland amerikanska kvinnor. Uppskattningsvis 268,670 nya fall kommer att diagnostiseras i 2018 och 41,400 kvinnor kommer att dö av sjukdomen1. Till skillnad från i prostatacancer där de flesta patienter får strålning som monoterapi, får bröstcancerpatienter strålning postoperativt för att minska risken för cancer återkommer11. Beroende på omfattningen av kirurgi krävs, strålning kan riktas till resterande bröstet efter tumör lumpectomy eller bröstkorgsväggen efter mastektomi11,32. Regionala lymfkörtlar i axill, supraklavikulära och interna mjölkkörtlar områden kan riktas om de bedöms vara risk för tumör sprids.
Behandling scheman för patienter med bröstcancer medför vanligtvis behandling en gång dagligen, fem dagar per vecka. Tidigt skede patienter behandlas vanligtvis med konventionellt fractionated (1.8-2.0 Gy/fraktion; 50 Gy totalt) eller hypofraktionerad (2,67 Gy/fraktion; 40.05-42.56 Gy totalt) regimer till i hela bröstet11,33. Patienter med mer avancerade, men lokaliserad sjukdom behandlas med konventionell fraktionering till 50 Gy (1.8-2.0 Gy/fraktion) till hela bröstet eller bröstet vägg och regionala lymfkörtlar. Dessa doser är effektiva för subklinisk sjukdom som kan förekomma efter operationen.
CT simulering för bröstcancer cancer strålbehandling vanligtvis sker i ryggläge. I motsats till prostatacancer, är båda armarna bortförd overhead för att tillåta exponering av bröstet vägg eller bröst vävnad. Dessutom används en anpassad vagga enhet och bröst-board ofta för att immobilisera bröstkorgen i en upphöjd position så att manubrium är parallell till tabellen behandling. Detta säkerställer att bröstvävnaden inte faller fint till nacken.
Strålningsexponering för hjärtat under bröstcancer är associerat med en ökad risk för framtida ischemisk sjukdom34. Som ett resultat, är tekniker för att minimera hjärtat doser av största vikt. En metod är att använda djup-inspiratorisk andetag håll (DIBH) att öka intratorakalt utrymmet och avståndet mellan hjärtat och främre bröstet vägg/bröst. Som metoden antyder, kommer patienter som behandlats med DIBH avbryta sin andningscykeln och få behandling vid den högsta punkten av inspiration. Inte alla patienter är dock kunna tolerera andedräkt innehar tillräcklig löptid att tillåta denna teknik. Hos vissa patienter, en liggande position kan vara fördelaktiga och får tillåta bröstvävnaden att hänga från kritiska normala vävnader, inklusive hjärta35. En nackdel med detta tillvägagångssätt är begränsningen det förlägger på förmågan att målregionerna lymfkärlen. Protonterapi kan uppnå betydande hjärt dos sparande utan behov av DIBH och benägna tekniker36,37.
Protonterapi är anställd för patienter med bröstcancer och har visat sig vara överlägsen photon-baserade tekniker vad gäller dos kaliumsparande effekter på kritiska strukturer såsom lungor och hjärtat38. Ett enda fält pencil beam scanning (PBS) plan med en rad shifter kan användas för att administrera proton strålning till bröstväggen och regionala noder. Passiva scatter metoder kan också användas. Om flera fält krävs för att behandla hela bröstkorgen och regionala noder på grund av fältet begränsningar, måste sedan fältet matchande tekniker användas. En strategi är att anställa matchande supraklavikulära och bröstet vägg fält matchas med en hud-lucka 2-4 mm under den nyckelben huvud39. Fältgränsen flyttas över 1 cm avstånd vid olika tidpunkter under strålning att minimera varma och kalla ställen.
Kliniska resultat med bröst cancer strålning visar en överlevnad på 50% för tidigt skede sjukdom11 och 37% för lokalt avancerad patienter vid 20 års uppföljning32. Med tanke på den långa eftergift perioden, minimering av behandling relaterad toxicitet är av stor oro. Även om protonterapi väntas sänka hjärttoxicitet risker, behandlas denna fråga i den pågående RADCOMP konsortiet rättegången (NCT02603341), som randomisera kvinnor med bröstcancer att fotonen eller proton strålbehandling.
Cancer är fortfarande den näst vanligaste dödsorsaken för barn i åldern 1-14 i USA och är bara överträffas av olyckor. 2018, 10,590 barn kommer att diagnostiseras med cancer och 1 180 kommer att dö i deras malignitet1. Bland denna grupp kommer 250-500 patienter diagnostiseras med medulloblastom. Medianåldern vid diagnos av medulloblastom är 4-6 år. Med tanke på den höga risken för cerebrospinalvätska deltagande och spridning (30-40%), är kraniospinal bestrålning (CSI) standard för vård hos dessa patienter, med cirka 80% överleva med lämplig behandling.
Medulloblastom patienter är stratifierat i standard-risk eller högrisk grupper baserat på deras ålder, förekomst av anaplasia eller metastaser och mängden kvarstående tumör efter kirurgisk resektion. I båda fallen inkluderar behandling postoperativ strålning. RT för medulloblastom innebär inledande CSI till en dos på 23,4-36 Gy. Ytterligare en dos ges sedan till tumör sängen att uppnå en dos av 50,4-55,8 Gy till primärtumör plats40. Överväganden vid planering av behandling inkluderar begränsning av de maximala doserna till hjärnstammen och ryggmärgen till 54 Gy och 45 Gy, respektive. CSI kan levereras med photon eller proton therapy. CT simulering och behandling ofta kräver narkos att säkerställa att patienterna inte flyttar under behandling41.
På grund av de stora områden med strålning, photon-baserade RT tekniker resulterar i betydande bestrålning exponering för bröst- och bukhåla strukturer anterior ryggmärgen, inklusive lungor, hjärta, njurar tarm, och bröst. Dessa regioner kan vara förskonade från överflödig utstrålning med proton therapy (figur 3)42. PT baserat CSI kräver två något sned laterala fält att bestråla den övre halsryggen och hjärnan, samt en eller flera posterior-anterior balkar riktade till nedre cervikal, bröstkorg, lumbala och sakrala ryggraden regioner. Flera fält är obligatoriska eftersom målet CTV för CSI omfattar hela cerebrospinalvätska (CSF) rymden sträcker sig från hjärnan vertex till ryggradskanalen genom den cauda equina på nivån för S2/S3 vertebrala korsningen (figur 3). Ryggraden längden bestämmer det totala antalet spinal fält krävs för behandling. Den överlägsna gränsen i fältet översta spinal matchas till fälten kraniala sämre gränsen. Om fältet ryggraden inte kan täcka hela ryggraden, sedan matchas ett andra spinal fält till fältet övre spinal sämre gränsen. Denna process kan upprepas om ett tredje fält krävs för längre patienter. För patienter under 15 år utvidgas den främre gränsen av fälten ryggraden till att omfatta hela vertebrala organ för att säkerställa en homogen dos till ben för att undvika framtida tillväxt avvikelser i det växande skelettet. För personer över 15 år förlängs främre ryggraden fältgränsen 2-3 mm utanför ryggmärgskanalen i ryggraden.
Både passiv scatter och PBS tekniker har använts för CSI42,43. Specifika målen för CSI behandling inkluderar homogen stråldosen till cerebrospinalvätska (CSF) till den nedre änden av thecal sac (S2 eller S3), full dos till främre skallen bas och cribriform plattan, minimering av dosen till fiberoptisk strukturer, begränsning av sköldkörteln inte mer än 5% av receptbelagda dosen, och minimering av dosen till matstrupen43.
Passiva scatter dosplanering vanligtvis börjar med skapandet av kraniala fält. Utbud kompensatorer med manuell redigering krävs ofta att skapa en homogen dosfördelningen i hjärnan samtidigt begränsa dosen till ögon och snäckan. För spinal fält, är kompensatorer förtjockad på sköldkörtel nivå för att minimera dosen. Särskild uppmärksamhet ägnas sedan fältet korsningar mellan fälten kraniala och spinal och mellan flera spinal fält när det behövs. Korsningen området definieras som 1,25-1,5 cm längd där fälten gränsar. Korsningen skiftas i den kraniala eller kaudalt riktningen varje vecka att förhindra utveckling av varm eller kall dos områden. Idealiskt, hålls dosen variansen mellan 95-108% av receptbelagda dosen. Fält viktning, bländare redigeringar och kompensator redigeringar är alla anställda att uppnå detta mål43.
Forskare vid MD Anderson Cancer Center har utvecklat en stegvis strategi för CSI planering42. Denna metod innefattar utvecklingen av en MFO plan att behandla fälten kranial och lägre ryggraden följt av skapandet av en SFO plan för bröstkorgens ryggrad. Dosen övertoningar utnyttjas vid korsningen områden. SFO planen kopieras sedan till den ursprungliga MFO planen att utveckla en slutlig, sammansatta MFO plan. Ryggraden korsningar skiftas en gång av 2 cm över en 4-veckors kur. PBS baserat i jämförelse med passiva scatter CSI, CSI erbjuder betydande minskningar i stråldosen till linser, snäckan och parotideallymfknutorna körtlar men på bekostnad av ökad sköldkörtel dos42.
Medulloblastom patienter kan förvänta sig händelse gratis överlevnaden av 60-80% beroende på den risk strata44. Med tanke på det stora området av bestrålade vävnaden med CSI och den känsliga karaktären hos pediatriska patienter, långsiktig bieffekt risker är betydande och inkludera sekundära maligniteter, hörselnedsättning, hypofysen dysfunktion, neurokognitiva njurfunktion, hjärtsjukdom , infertilitet, hypotyreos, vaskulopati, torra ögon, Starr, synbortfall och strålning nekros/myelit. Proton-baserade CSI kan därför erbjuda en betydande nytta för många patienter.
Figur 1: djup dos kurvor för strålbehandling. Dos-distributioner som en funktion av djup i vatten som visas för olika kliniska strålning balkar. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: jämförelse av proton och photon bröst strålning. Procent dos distribution för en patient med lokalt avancerad bröstcancer som får strålbehandling med IMRT (A, B) eller protoner (C, D) och visar betydande strålning dosreduktion till hjärtat och lungor med protoner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: jämförelse av proton och photon kraniospinal strålning. Procent dos distribution för en patient med medulloblastom emot kraniospinal bestrålning med antingen protoner (A) eller IMRT (B) och visar betydande strålning dossänkning till regionerna inom bröstkorg och intraabdominella med protoner. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| Photon | Proton | |
| Partikel typ | Boson | Sammansatta Fermion |
| Kostnad [C] | 0 | +1.602 x 10-19 |
| Vikt [kg] | 0 | 1.672 x 10-27 |
| Snurra | 1 | 1/2 |
| Energy† [MeV] | 0,1 - 25 | 10 - 250 |
| Vanliga källor | Linjär Accelerator, Co-60 radioisotoper, röntgenrör | Cyklotron eller synkrotron Accelerator |
| Leveransmetoder | Parallell Solid balkar, Multileaf kollimatorer, intensitet modulering, bågar | Passiv spridning, magnetiska skanning |
| † Energi sortiment vanligtvis används för att behandla mänskliga cancerformer | ||
Tabell 1: Jämförelse av proton och photon strålning.
Discussion
Strålning dosplanering och leverans för cancer är en skräddarsydd process anpassad till varje enskild patient och dennes särskilt cancer. Moderna strålbehandling är en bild-guided intervention-baserade CT-bilder erhålls under en anpassad strålning planering simulering. CT-avbildning är obligatorisk eftersom den innehåller 3-dimensionell (3D) anatomisk information om patientens samt exakt kvantifiering av vävnad tätheterna på olika platser i kroppen som krävs för beräkning av dos. Under CT imaging, är patienten placerad på en motoriserad tabell. Flera mekaniska immobilisering enheter är vanligtvis anställda begränsa patientens rörlighet under imaging och under efterföljande RT leverans. Beroende på den krävs precisionen, dessa enheter varierar från enkel mögel-typ kuddar och plast maskor, som överensstämmer med patientens yta och sedan härda för att begränsa rörelse, till mer invasiva produkter såsom stela skalle enheter som borras på plats. Ofta styrs krävs precision av immobilisering enheten av närheten av tumörvävnad till närliggande kritiska strukturer. Som ett exempel, den mest invasiva immobilisering enheten, en huvud halo borras in i placera, används ibland när enstaka millimeter precision som behövs för att behandla en tumör nära ögonen eller synnerverna att minimera risken för blindhet som kan uppstå från patienten flyttar i en felaktig placering under behandling.
CT bildinformation används också för att optimera intern normal vävnad anatomi. Till exempel används urinblåsan dilatation ofta för att minimera urinblåsan och tunntarmen dos exponering från bestrålning av prostata som noterade i protokollet ovan. Likaså, om magen är särskilt utspänd med mat under simulering för övre buk bestrålning (exempelvis magsäcken, levern, distala matstrupen), då patienten är åter simulerade efter vilket gör att maten passerar genom magen och tarmkanalen . Detta kommer att krympa magen och minska risken för exponering för strålning under strålbehandling av övre buken tumörer. I fall där magsäcken eller urinblåsan själva är strålning mål, de kan vara avsiktligt utspänd eller tömmas för att optimera dosfördelningen.
I vissa fall kan en tumör är inte tillräckligt eller tillförlitligt visualiseras på CT men mer exakt kan identifieras genom en Mr eller PET-undersökning. I sådana fall används PET eller MRI skanningar att komplettera CT-data eftersom den senare är fortfarande krävs för beräkning av dos. Detta uppnås genom att registrera de MRI och PET bilderna till CT bilder för planering av behandling. Magnettomografi ger ofta mycket större visuell kontrast och högre upplösning än CT, vilket kan vara fördelaktigt att identifiera tunna, mjukvävnad gränserna för en tumör som i hjärnan eller levern. PET ger en funktionell syn på fördelningen av radioaktivt märkt tracer molekyler injiceras i patienten.
Vissa tumörer uppstår i områden av bröstkorgen eller buken där de kan gå betydligt med andning. För att beakta denna rörelse för att säkerställa strålning noggrannhet, kan en 4-dimensionell CT, en typ av ”film-mode” CT imaging, användas för att fånga 3D patientens anatomi som ändras över tid under respiration. För några bröst- och bukhåla mål, kan komprimering bälten eller annan motion begränsning användas under terapi att begränsa rörelse och begränsa osäkerheten kring tumören läge45.
När patienten är simuleras för behandling, är en personlig behandlingsplan utvecklad med övervägande av cancer histologi, tumör plats och anatomiska funktioner, som påverkar optimal konfiguration av strålning balkar, partikel typer, energier, och dosnivåer för varje enskild patient. För varje patient anses ett antal grundläggande frågor ursprungligen av kliniska team att utveckla en plan för optimal behandling. Som en utgångspunkt, måste den mest lämpliga formen av strålning väljas. Alternativ inkluderar fotoner, elektroner eller protoner. Detta följs vanligen av valet av beam angle(s) för strålning leverans. De flesta RT maskiner inkluderar en robotic patient positioning bord och en roterande gantry som tillåter RT balkar riktas in i patienten av praktiskt taget alla vinklar. Beslutet innebär att hitta den väg som mest effektivt slår målet med RT och bästa undviker icke-mål som kan vara i vägen för de valda balkarna. I vissa fall bestäms spridningsvinklar av planeringssystemet själv efter inmatning i strålning mål för tumörer och normal vävnad. Denna process kallas ”omvänd planering” och sker ofta vid IMRT, vilket innebär att modulera intensiteten av flera, inkommande strålning balkar i ett tidsberoende sätt som ger en enhetlig måldosen men kan leda till mycket icke-uniform dos utanför målet. Även om både fotonen eller proton terapi kan vara intensitet modulerade, omvänd planering utnyttjas i stor utsträckning i baserat photon IMRT endast. Om solid strålning balkar skall användas, kan anpassade metall kollimatorer vara fabricerade för att matcha formen av strålknippet med formen av tumören.
Om protonterapi väljs sedan måste ett beslut göras angående användning av passiv scatter eller PBS tekniker. När det gäller PBS krävs en ytterligare beslut angående användning av MFO eller enstaka fält optimering/fält uniform dos (SFO/SFUD) strategier. I MFO behandlingar är flera balkar skyldig att behandla en tumör under varje fraktion eftersom varje bom mål endast en del av målet. Däremot för SFO planer täcker varje balk hela målet. MFO gynnas ofta för tumörer nära en kritisk struktur (t.ex., hjärntumör nära synnerven) där en mängd olika spridningsvinklar kan vara fördelaktigt att skulptera stråldos. MFO strategier också se till att alla strålning balkar/fläckar inte ”utbud” i samma område där dosen kan vara oväntat höga Bragg Peak effekt. Däremot, gynnas SFO för mål nära områden av anatomiska osäkerhet, såsom prostata som kan flytta på grund av differentiell urinblåsan och rektal fyllning. SFO ger ökad robusthet mot dos förändringar på grund av anatomiska avvikelser.
När den grundläggande planering strategin är bestämt, oftast nästa fas av dosplanering matematisk optimering av fälten strålning. Den energi, intensitet och rumsliga fördelning (rumsligt varierande flux) av inkommande strålning är vanligtvis gratis parametrar i optimering. Tillsammans med den stora 3D matrix representationen av patientens anatomi av CT leda dessa fria variabler till ett mycket stort problem storlek och motsvarande stora optimering matriser (t.ex., CT-värden tusentals och tusentals möjliga beam intensitet måste övervägas). Dessa matriser är inramade i en mål-funktion, som är en matematisk formulering av ”målet för dosplanering”. Som nämnts ovan, Behandlingmål är prioriterade för att först uppnå den föreskrivna dosen till målet, och för det andra för att uppnå så låga av en dos som är möjligt att normal vävnad. För att minimera denna mål-funktion, hög datorkraft önskas att snabbt utföra RT transport beräkningar som befolkar matriserna och numerisk optimeringsmetoder, såsom gradient-sökalgoritmer, används för att snabbt söka efter lokala minima i funktionen. Dessa minima motsvarar optimal behandlingsplaner för varje unik patient. Datorer inom dosplanering roll kan inte överskattas. Moderna strålbehandling och Diagnostisk radiologi skulle inte vara möjligt utan de dator framstegen de senaste tre decennierna.
Som en sista etapp granskas optimerad behandlingsplanen av medicinska team (läkare, dosimetristen och fysiker). I många fall kan planen anpassas ytterligare eller åter optimerad med olika mål att förbättra kvaliteten. När planen finns för att vara optimalt, de tekniska parametrarna för planen granskas av en fysiker och överförs till behandling leverans maskinen.
I många fall returnerar patienten för flera behandling fraktioner (sessioner), ofta varje vardag i flera veckor. Flerdagars fraktionering kan intensifiera akut strålning-inducerad biverkningar men kan minska potentialen sent, mer allvarliga biverkningar av RT jämfört med single-fraktionen behandling12. Flera bråk strategier är optimal för tumörer som snabbt delande eller inte kan reparera subletal skada från RT. Detta beror emellertid på exakta behandlingsområdet och känsligheten hos de närliggande normal vävnaderna. Eftersom målet med strålning behandling leverans är att administrera samma behandling under respektive fraktion, kan även några millimetrar av rörelse eller osäkerhet i patientens position leda till nedbrytning av partikel terapi behandlingsplan. Av denna anledning ombord bild vägledning system är av yttersta vikt under multifraction RT. X-ray imagers, cone beam CT skanningar eller optisk, laserskanning surface imagers finns tillgängliga för detta ändamål. Dessa enheter tillåta bild-guidad strålbehandling (IGRT) genom avbildning av anatomiska landmärken, tumör mål eller relaterat surrogatmarkörer för radio-ogenomskinlig. IGRT bilderna jämfört med de ursprungliga simulering skanningar och justeras vid behov före varje bråkdel av strålning.
Trots fördelen av de ändliga protonterapi, som begränsar den exit dosen, är precisionen i intervallet förutsägelse typiskt sett inom dosplanering storleksordningen några millimeter. Den exakta energiförlusten i olika patienten vävnader är osäkert, för det första eftersom de exakta molekylära komponenterna i vävnaden är tvetydiga, och, för det andra, eftersom patientens anatomi förändras över tid, båda över korta tidsskalor (t.ex. andning) och längre tidsfrister (t.ex., viktminskning, tumör krympning, normal anatomi förändringar). För att hantera denna osäkerhet, läggs en ”distal marginal” till målvolymen som är en extra marginal på normal vävnad strax bortom det maximala tumör djupet. Sådant utrymme säkerställer att även med osäkerheterna i intervallet förutsägelse, hela tumören djupet kommer att behandlas med högt förtroende. Tyvärr kan normal vävnad marginalen därför utsättas för full RT dos, som kan potentiellt leda till betydande RT biverkningar i denna vävnad. Däremot som fotoner inte gör sluta men hellre avsluta målet, behövs ingen sådan distal marginal att kompensera utbud osäkerhet. En geometrisk marginal används fortfarande i photon terapi till adress positionella osäkerheter för mål, men fotoner är mycket mindre känsliga än protoner till exakt status av patient vävnader uppströms av målet. Den nödvändiga marginalen kan därför ibland vara mindre för fotoner än protoner. Detta kan förstås utifrån att protoner genomgår kontinuerlig energiförluster i vävnader som kraftigt påverkar placeringen av deras sortiment, medan fotoner är oladdade och resa fritt i det tomma utrymmet mellan atomer och deras orbitaler, med undantag för sällsynta kollisioner med elektroner eller kärnor. Stor täthet skillnader i vävnad, t.ex., metallföremål eller luft håligheter, dock fortfarande påverka photon dos samt proton dos, men till en lägre magnitud.
Ett sista och viktigt osäkerhet avser radiobiologiska effektivitet (RBE) av olika former av strålning. RBE är förhållandet mellan doser, från en referenstyp för strålning och strålning testtypen, under förutsättning att båda typerna av strålning producerar samma biologiska effekt. Ju högre RBE, desto mer skadar strålning per enhet av energi nedfall i vävnad. RBE förhållandet definieras med hänvisning till fotonstrålning. Trots detta enkel beskrivning finns det faktiskt stor osäkerhet angående RBE värdena för laddade partiklar i motsats till fotoner. Skillnader i rumsliga dos fördelningarna mellan fotoner och laddade partiklar i mikrometer och nanometer skala leda till skillnader i biologiska effekt, även när de makroskopiska doserna är identiska. Detta kan förstås genom att undersöka de rumsliga mönster av DNA-skador efter exponering för laddade partiklar vid olika doser och olika kinetiska energier. Olika kinetiska energier och olika avgifter av protoner (+ 1) och koljoner (+ 6) leda till skillnader i energiöverföringen på olika djup i patienten, medan för fotoner, energiöverföringen är comparably lägre och också mer homogen i hela patienten. Även teoretiskt förstås, finns det betydande debatt i strålning onkologi gemenskapen när det gäller förmågan att exakt förutsäga sådana biologiska effekter. För kol ion terapi finns det en brist på konsensus om hur man bäst modell dessa biologiska effekter, även om det finns avtal att sådana effekter måste modelleras för att ge terapi. För protoner, de flesta kliniska centra för närvarande planerar terapi utan explicit modellering av RBE effekter, utom med en konstant korrektionsfaktor på 1.1, men detta är sannolikt att förändras inom en snar framtid som nya kommersiella dosplaneringssystem börjar omfatta biologisk modellering programvaruverktyg för att modellera RBE för protonterapi.
Med slutförandet av randomiserade studier, inklusive RADCOMP, PARTIQoL och RTOG 1308, bör vi ha mer konkreta svar om vilka former av strålning kan vara överlägsen för bröstcancer, prostatacancer och lungcancer, respektive. Liknande studier planeras för andra sjukdom webbplatser som kan hjälpa bättre identifiera de bästa behandling modaliteten för dessa tumortyper. Det finns dock redan tillräckliga data som tyder på överlägsenheten av protoner i vissa inställningar, särskilt i den pediatriska populationen, där betydande normal vävnad skona kan kraftigt minska sjuklighet från toxicitet, inklusive sekundära maligniteter.
Disclosures
A.H. har arvode från Astrazeneca, Bayer och Novartis. A.H. har samrått med Astrazeneca, Bristol-Myers Squibb och Bayer och var en talare för stiftelsen Frankrike.
Acknowledgments
S.R. erkänner bidragsfinansiering från NIH lån återbetalning Program. A.H. har fått finansiering från Bayer, Clovis, konstellation, Agensys, Sotio, Cerulean och 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. Cancer statistics, 2018. CA A Cancer Journal for Clinicians. 68 (1), 7-30 (2018).
- 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. Cosmic-Ray Theory. Reviews of Modern Physics. 13 (4), 240-309 (1941).
- Blakely, E. A., Chang, P. Y. Biology of charged particles. The Cancer Journal. 15 (4), 271-284 (2009).
- 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).
