Bildgeführte Strahlentherapie - Image-guided radiation therapy

Die bildgeführte Strahlentherapie ist der Prozess der häufigen zwei- und dreidimensionalen Bildgebung während einer Strahlenbehandlung, der verwendet wird, um die Strahlentherapie unter Verwendung der Bildgebungskoordinaten des tatsächlichen Bestrahlungsplans zu leiten. Der Patient wird im Behandlungsraum an der gleichen Position lokalisiert, wie sie aus dem Referenzbilddatensatz geplant wurde. Ein Beispiel für IGRT würde die Lokalisierung eines Kegelstrahl-Computertomographie (CBCT)-Datensatzes mit dem Planungs -Computertomographie (CT)-Datensatz aus der Planung umfassen. Die IGRT würde auch den Abgleich von planaren Kilovolt-(kV)-Röntgenbildern oder Megavolt-(MV)-Bildern mit digital rekonstruierten Röntgenbildern (DRRs) aus dem Planungs-CT umfassen. Diese beiden Methoden machen den Großteil der IGRT-Strategien aus, die derzeit um 2013 verwendet werden.

Dieser Prozess unterscheidet sich von der Verwendung von Bildgebung zur Abgrenzung von Zielen und Organen im Planungsprozess der Strahlentherapie. Es besteht jedoch eindeutig ein Zusammenhang zwischen den bildgebenden Verfahren, da die IGRT direkt auf die bildgebenden Modalitäten aus der Planung als Referenzkoordinaten zur Lokalisierung des Patienten zurückgreift. Die Vielfalt der medizinischen Bildgebungstechnologien, die bei der Planung verwendet werden, umfasst unter anderem die Röntgen-Computertomographie (CT), die Magnetresonanztomographie (MRT) und die Positronen-Emissions-Tomographie (PET). Die Präzision der IGRT wird deutlich verbessert, wenn Technologien, die ursprünglich für die bildgeführte Chirurgie entwickelt wurden , wie der N-Localizer und der Sturm-Pastyr-Localizer, in Verbindung mit diesen medizinischen Bildgebungstechnologien verwendet werden. Durch Fortschritte in der Bildgebungstechnologie, kombiniert mit einem weiteren Verständnis der Humanbiologie auf molekularer Ebene, entwickelt sich der Einfluss der IGRT auf die Strahlentherapie weiter.

Ziele und klinischer Nutzen

Ziel des IGRT-Verfahrens ist es, die Genauigkeit der Bestrahlungsfeldplatzierung zu verbessern und die Belastung des gesunden Gewebes bei Bestrahlungen zu reduzieren. In den vergangenen Jahren wurden größere Planungszielvolumen (PTV)-Margen verwendet, um Lokalisierungsfehler während der Behandlung zu kompensieren. Dies führte dazu, dass gesundes menschliches Gewebe während der Behandlung unnötige Strahlendosen erhielt. PTV-Margen sind die am weitesten verbreitete Methode, um geometrische Unsicherheiten zu berücksichtigen. Durch die Verbesserung der Genauigkeit durch IGRT wird die Bestrahlung des umgebenden gesunden Gewebes verringert, was eine erhöhte Bestrahlung des Tumors zur Kontrolle ermöglicht.

Derzeit verwenden bestimmte Strahlentherapietechniken das Verfahren der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) . Bei dieser Form der Strahlenbehandlung werden Computer und Linearbeschleuniger verwendet, um eine dreidimensionale Strahlungsdosiskarte zu erstellen, die spezifisch für den Ort, die Form und die Bewegungseigenschaften des Ziels ist. Aufgrund der für die IMRT erforderlichen Präzision müssen detaillierte Daten über die Tumorlokalisation gesammelt werden. Der wichtigste Innovationsbereich in der klinischen Praxis ist die Reduzierung der Planungszielvolumenmargen rund um den Standort. Die Fähigkeit, mehr normales Gewebe zu vermeiden (und somit möglicherweise Dosiseskalationsstrategien anzuwenden) ist ein direktes Nebenprodukt der Fähigkeit, die Therapie mit der größtmöglichen Genauigkeit durchzuführen.

Moderne, fortschrittliche Strahlentherapietechniken wie die Strahlentherapie mit Protonen und geladenen Teilchen ermöglichen eine überragende Präzision bei der Dosisabgabe und der räumlichen Verteilung der effektiven Dosis. Heute stellen diese Möglichkeiten neue Herausforderungen an IGRT in Bezug auf die erforderliche Genauigkeit und Zuverlässigkeit. Geeignete Ansätze sind daher Gegenstand intensiver Forschung.

Die IGRT erhöht die Datenmenge, die im Verlauf der Therapie erhoben wird. Im Laufe der Zeit werden diese Informationen sowohl für eine Einzelperson als auch für eine Patientenpopulation eine kontinuierliche Bewertung und Weiterentwicklung von Behandlungstechniken ermöglichen. Der klinische Nutzen für den Patienten besteht in der Fähigkeit, Veränderungen, die während der Strahlenbehandlung auftreten können, zu überwachen und sich daran anzupassen. Solche Veränderungen können eine Tumorschrumpfung oder -expansion oder Veränderungen der Form des Tumors und der umgebenden Anatomie umfassen.

Begründung

Die Strahlentherapie ist eine lokale Behandlung, die darauf abzielt, den definierten Tumor zu behandeln und das umgebende normale Gewebe von der Aufnahme von Dosen über den angegebenen Dosistoleranzen zu ersparen. Es gibt viele Faktoren, die zu Unterschieden zwischen der geplanten Dosisverteilung und der abgegebenen Dosisverteilung beitragen können. Ein solcher Faktor ist die Unsicherheit der Patientenposition auf der Behandlungseinheit. IGRT ist eine Komponente des Strahlentherapieprozesses, die Bildkoordinaten aus dem zu liefernden Behandlungsplan einbezieht, um sicherzustellen, dass der Patient im Behandlungsraum richtig ausgerichtet ist.

Die durch IGRT-Ansätze bereitgestellten Lokalisierungsinformationen können auch verwendet werden, um robuste Behandlungsplanungsstrategien zu erleichtern und eine Patientenmodellierung zu ermöglichen, was den Rahmen dieses Artikels sprengen würde.

Geschichte der "Anleitung" zur Behandlung

Oberflächen- und Hautflecken

Im Allgemeinen wird zum Zeitpunkt der 'Planung' (sei es ein klinischer Markup oder eine vollständige Simulation) der beabsichtigte Bereich für die Behandlung vom Radioonkologen umrissen. Sobald der Behandlungsbereich bestimmt war, wurden Markierungen auf der Haut angebracht. Der Zweck der Tintenmarkierungen bestand darin, den Patienten täglich für die Behandlung auszurichten und zu positionieren, um die Reproduzierbarkeit der Feldplatzierung zu verbessern. Durch das Ausrichten der Markierungen mit dem Bestrahlungsfeld (oder dessen Darstellung) im Bestrahlungsbehandlungsraum konnte die korrekte Platzierung des Behandlungsfeldes identifiziert werden.

Im Laufe der Zeit, mit der Verbesserung der Technologie – Lichtfelder mit Fadenkreuz, isozentrischen Lasern – und mit der Verlagerung zum „Tätowieren“ – einem Verfahren, bei dem Tintenmarkierungen durch eine dauerhafte Markierung ersetzt werden, indem Tinte direkt unter der ersten Schicht aufgetragen wird der Haut mit einer Nadel an dokumentierten Stellen - die Reproduzierbarkeit des Patientenaufbaus wurde verbessert.

Portal-Imaging

Portal-Bildgebung ist die Aufnahme von Bildern unter Verwendung eines Strahlenbündels, das zur Bestrahlung eines Patienten verwendet wird. Wenn nicht das gesamte Strahlenbündel im Patienten absorbiert oder gestreut wird, kann der durchtretende Teil gemessen und verwendet werden, um Bilder des Patienten zu erzeugen.

Es ist schwierig, die anfängliche Verwendung der Portal-Bildgebung zu bestimmen, um die Platzierung des Bestrahlungsfeldes zu definieren. Seit den Anfängen der Strahlentherapie wurden Röntgen- oder Gammastrahlen verwendet, um großformatige Röntgenfilme zur Inspektion zu entwickeln. Mit der Einführung von Kobalt-60- Geräten in den 1950er Jahren ging die Strahlung tiefer in das Körperinnere, jedoch mit geringerem Kontrast und schlechter subjektiver Sichtbarkeit. Heute hat sich die Verwendung der elektronischen Portal-Bildgebung unter Verwendung von Fortschritten bei digitalen Bildgebungsgeräten sowohl zu einem Werkzeug für die genaue Feldplatzierung als auch als Qualitätssicherungswerkzeug für die Überprüfung durch Strahlenonkologen während der Überprüfung von Filmen entwickelt.

Elektronische Portal-Bildgebung

Elektronische Portal-Bildgebung ist der Prozess der Verwendung digitaler Bildgebung, wie einer CCD-Videokamera, einer Flüssigionenkammer und amorphen Silizium-Flachbildschirmdetektoren, um ein digitales Bild mit verbesserter Qualität und verbessertem Kontrast gegenüber der herkömmlichen Portal-Bildgebung zu erzeugen. Der Vorteil des Systems ist die Möglichkeit, Bilder zur Überprüfung und Anleitung digital zu erfassen. Diese Systeme sind in der gesamten klinischen Praxis im Einsatz. Aktuelle Überprüfungen von Electronic Portal Imaging Devices (EPID) zeigen akzeptable Ergebnisse bei bildgebenden Bestrahlungen und bieten in der meisten klinischen Praxis ausreichend große Sichtfelder. kV ist keine Portal-Bildgebungsfunktion.

Bildgebung zur Behandlungsberatung

Durchleuchtung

Fluoroskopie ist eine Bildgebungstechnik, bei der ein Fluoroskop in Abstimmung mit einem Bildschirm oder einem Bilderfassungsgerät verwendet wird, um Echtzeitbilder der inneren Strukturen des Patienten zu erstellen.

Digitales Röntgen

Digitale Röntgengeräte, die im Bestrahlungsgerät montiert sind, werden häufig verwendet, um die innere Anatomie des Patienten vor oder während der Behandlung abzubilden, die dann mit der ursprünglichen Planungs-CT-Serie verglichen werden kann. Die Verwendung eines orthogonalen Aufbaus von zwei Röntgenachsen ist üblich, um Mittel zur hochgenauen Verifizierung der Patientenposition bereitzustellen.

Computertomographie (CT)

Ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das eine Tomographie verwendet, bei der digitale Geometrieverarbeitung verwendet wird, um ein dreidimensionales Bild der inneren Strukturen eines Objekts aus einer großen Serie von zweidimensionalen Röntgenbildern zu erzeugen, die um eine einzelne Drehachse aufgenommen wurden. Die CT erzeugt ein Datenvolumen, das durch einen als Fensterung bekannten Prozess manipuliert werden kann, um verschiedene Strukturen basierend auf ihrer Fähigkeit, den einfallenden Röntgenstrahl zu dämpfen und zu verhindern, zu demonstrieren.

Konventionelle CT

Mit der zunehmenden Anerkennung des Nutzens der CT-Bildgebung bei der Verwendung von Führungsstrategien zur Anpassung der Position des Behandlungsvolumens und der Platzierung des Behandlungsfelds wurden mehrere Systeme entwickelt, die ein echtes konventionelles 2D-CT-Gerät im Behandlungsraum neben dem Behandlungslinearbeschleuniger platzieren. Der Vorteil besteht darin, dass die konventionelle CT eine genaue Messung der Gewebeschwächung liefert, die für die Dosisberechnung wichtig ist (zB CT auf Schienen).

Kegelstrahl

Auf der Konusstrahl -Computertomographie (CBCT) basierende bildgeführte Systeme wurden mit großem Erfolg in medizinische Linearbeschleuniger integriert. Dank der Verbesserungen in der Flachbildschirmtechnologie ist die DVT in der Lage, volumetrische Bildgebung bereitzustellen und ermöglicht eine radiologische oder fluoroskopische Überwachung während des gesamten Behandlungsprozesses. Cone Beam CT erfasst in jeder Projektion viele Projektionen über das gesamte interessierende Volumen. Mit Hilfe von Feldkamp-Rekonstruktionsstrategien werden die 2D-Projektionen analog zum CT-Planungsdatensatz in ein 3D-Volumen rekonstruiert.

MVCT

Die Megavolt-Computertomographie (MVCT) ist ein medizinisches Bildgebungsverfahren, das den Megavolt-Bereich von Röntgenstrahlen verwendet, um ein Bild von Knochenstrukturen oder Ersatzstrukturen im Körper zu erstellen. Die ursprüngliche Begründung für die MVCT wurde durch die Notwendigkeit genauer Dichteschätzungen für die Behandlungsplanung angetrieben. Sowohl die Patienten- als auch die Zielstrukturlokalisierung waren sekundäre Verwendungszwecke. Auf der Linearbeschleuniger-Gantry wurde eine Testeinheit mit einem einzigen Lineardetektor, bestehend aus 75 Cadmiumwolframat-Kristallen, montiert. Die Testergebnisse zeigten bei dieser Methode eine räumliche Auflösung von 0,5 mm und eine Kontrastauflösung von 5 %. Während ein anderer Ansatz darin bestehen könnte, das System direkt in das MLA zu integrieren, würde dies die Anzahl der Umdrehungen auf eine Zahl beschränken, die für eine normale Verwendung unerschwinglich ist.

Optisches Tracking

Bei der optischen Verfolgung wird eine Kamera verwendet, um Positionsinformationen von Objekten innerhalb ihres inhärenten Koordinatensystems mittels einer Teilmenge des elektromagnetischen Spektrums von Wellenlängen, die ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht umspannen, weiterzugeben. Optische Navigation wird seit 10 Jahren in der bildgeführten Chirurgie (Neurochirurgie, HNO und Orthopädie) eingesetzt und hat in der Strahlentherapie immer häufiger zugenommen, um Echtzeit-Feedback durch visuelle Hinweise auf grafischen Benutzeroberflächen (GUIs) zu geben. Für letzteres wird ein Kalibrierungsverfahren verwendet, um das native Koordinatensystem der Kamera mit dem des isozentrischen Referenzrahmens des Bestrahlungs-Kreißsaals auszurichten. Optisch verfolgte Werkzeuge werden dann verwendet, um die Positionen von Patientenreferenz-Aufstellpunkten zu identifizieren und diese mit ihrer Position innerhalb des Planungs-CT-Koordinatensystems zu vergleichen. Eine auf der Methode der kleinsten Quadrate basierende Berechnung wird unter Verwendung dieser beiden Koordinatensätze durchgeführt, um eine Verschiebung der Behandlungsliege zu bestimmen, die zur Ausrichtung des geplanten Isozentrums des Patienten mit dem des Behandlungsraums führt. Diese Werkzeuge können auch für die fraktionsinterne Überwachung der Patientenposition verwendet werden, indem ein optisch verfolgtes Werkzeug auf einem interessierenden Bereich platziert wird, um entweder die Strahlungsabgabe (dh Gating-Regime) oder Aktion (dh Neupositionierung) einzuleiten. Alternativ ermöglichen Produkte wie AlignRT (von Vision RT) ein Echtzeit-Feedback, indem sie den Patienten direkt abbilden und die Hautoberfläche des Patienten verfolgen.

MRT

Das erste klinisch aktive MRT-geführte Strahlentherapiegerät, das ViewRay-Gerät, wurde in St. Louis, MO, am Alvin J. Siteman Cancer Center am Barnes-Jewish Hospital und an der Washington University School of Medicine installiert . Die Behandlung der ersten Patienten wurde im Februar 2014 angekündigt. Weitere Strahlentherapiegeräte mit Echtzeit-MRT-Tracking von Tumoren befinden sich derzeit in der Entwicklung. Die MRT-gesteuerte Strahlentherapie ermöglicht es Ärzten, die innere Anatomie eines Patienten in Echtzeit durch kontinuierliche Weichteilbildgebung zu sehen und die Strahlen am Ziel zu halten, wenn sich der Tumor während der Behandlung bewegt.

Ultraschall

Ultraschall wird für die tägliche Patienteneinstellung verwendet. Es ist nützlich für weiches Gewebe wie Brust und Prostata. Das BAT-System (Best Nomos) und das Clarity-System (Elekta) sind die beiden derzeit verwendeten Hauptsysteme. Das Clarity-System wurde weiterentwickelt, um eine intrafraktionelle Bewegungsverfolgung der Prostata mittels transperinealer Bildgebung zu ermöglichen.

Elektromagnetische Transponder

Obwohl sie nicht IGRT an sich sind, versuchen elektromagnetische Transpondersysteme, genau die gleiche klinische Funktion wie CBCT oder kV-Röntgen zu erfüllen, bieten jedoch eine zeitlich kontinuierlichere Analyse des Setup-Fehlers analog zu der der optischen Tracking-Strategien. Daher wird diese Technologie (obwohl keine "Bilder" verwendet werden) normalerweise als IGRT-Ansatz klassifiziert.

Korrekturstrategien für die Patientenlagerung während der IGRT

Es gibt zwei grundlegende Korrekturstrategien, die bei der Bestimmung der günstigsten Patientenposition und Strahlstruktur verwendet werden: Online- und Offline-Korrektur. Beide erfüllen ihren Zweck im klinischen Umfeld und haben ihre eigenen Vorzüge. Im Allgemeinen wird eine Kombination beider Strategien verwendet. Häufig erhält ein Patient während seiner ersten Bestrahlungssitzung Korrekturen seiner Behandlung über Online-Strategien, und Ärzte nehmen spätere Anpassungen offline während der Kontrollfilmrunden vor.

Online

Die Online-Strategie passt die Patienten- und Strahlposition während des Behandlungsprozesses an, basierend auf ständig aktualisierten Informationen während des gesamten Verfahrens. Der Online-Ansatz erfordert ein hohes Maß an Integration von Software und Hardware. Der Vorteil dieser Strategie ist eine Reduzierung sowohl systematischer als auch zufälliger Fehler. Ein Beispiel ist der Einsatz eines Marker-basierten Programms zur Behandlung von Prostatakrebs im Princess Margaret Hospital. Goldmarker werden in die Prostata implantiert, um eine Ersatzposition der Drüse bereitzustellen. Vor der täglichen Behandlung werden die Ergebnisse des Portal-Bildgebungssystems zurückgegeben. Hat sich der Massenmittelpunkt um mehr als 3 mm verschoben, wird die Liege neu justiert und ein nachfolgendes Referenzbild erstellt. Andere Kliniken korrigieren Positionsfehler und berücksichtigen niemals Fehler von >1 mm in gemessenen Achsen.

Offline

Die Offline-Strategie bestimmt die beste Patientenposition anhand der gesammelten Daten, die während der Behandlungssitzungen gesammelt wurden, fast immer bei Erstbehandlungen. Ärzte und Personal messen die Genauigkeit der Behandlung und erstellen Behandlungsrichtlinien, während sie die Informationen aus den Bildern verwenden. Die Strategie erfordert eine stärkere Koordination als Online-Strategien. Die Verwendung von Offline-Strategien verringert jedoch das Risiko systematischer Fehler. Das Risiko eines zufälligen Fehlers kann jedoch weiterhin bestehen.

Zukünftige Studienrichtungen

• Die Debatte zwischen den Vorteilen von Online- gegenüber Offline-Strategien wird weiterhin geführt.
• Ob weitere Erforschung biologischer Funktionen und Bewegungen zu einem besseren Verständnis der Tumorbewegung im Körper vor, zwischen und während der Behandlung führen kann.
• Wenn Regeln oder Algorithmen verwendet werden, können große Variationen der PTV-Margen reduziert werden. Margin-„Rezepte“ werden entwickelt, die lineare Gleichungen und Algorithmen erstellen, die „normale“ Variationen berücksichtigen. Diese Regeln werden aus einer normalen Population erstellt und offline auf den Behandlungsplan angewendet. Mögliche Nebenwirkungen sind zufällige Fehler aufgrund der Eindeutigkeit des Ziels
• Da immer mehr Daten erhoben werden, müssen Systeme zur Kategorisierung und Speicherung von Informationen eingerichtet werden.

Siehe auch

Verweise

Weiterlesen

• Cossmann, Peter H. Fortschritte in der bildgeführten Strahlentherapie - Die Zukunft ist in Bewegung. European Oncology Review 2005 - Juli (2005)
• Sharpe, MB; T. Craig; DJ Moseley (2007) [2007]. "Image Guidance: Behandlungsziellokalisierungssysteme in IMRT-IGRT-SBRT – Fortschritte in der Behandlungsplanung und Durchführung der Strahlentherapie.". Grenzen in der Strahlentherapie-Onkologie . 40 . Madison, WI: Karger. ISBN 978-3-8055-8199-8.