Entwicklung und Verifikation eines Systems zur atemgetriggerten Bestrahlung in der hochkonformalen Strahlentherapie

Abstract

Lungenkrebs ist seit 1950 die Krebsart mit den meisten Todesfolgen und verursacht mehr Krebstote als die in der Häufigkeit nächsten drei Krebsarten zusammen. Eines der Hauptprobleme bei der strahlentherapeutischen Behandlung von Lungenkrebs stellt die große Beweglichkeit von Lungentumoren aufgrund von Atmung und Herzschlag dar. Die Tumorbewegung aufgrund der Atmung kann in cranio-caudaler Richtung bis zu 2,5 cm betragen. Bislang bestehen während der Behandlung nur unzureichende Möglichkeiten zur Anpassung an die Tumorbewegung. Aufgrund dessen verwendet man einen größeren Strahlquerschnitt, um zu garantieren, dass der Tumor trotz der Atembewegung mit der geplanten Minimaldosis bestrahlt wird. Als Folge des vergrößerten Strahlquerschnitts wird jedoch auch ein großer Anteil Normalgewebes bestrahlt, wodurch es besonders im Lungenbereich zu erhöhten Komplikationen kommen kann. Konventionelle Bestrahlungsplanungssysteme sowie Linearbeschleuniger sind bis dato nicht in der Lage, diese fundamentale Problematik zu lösen. Auf Basis der röntgen- und infrarotbasierenden Positionierungstechnologie des Novalis Linearbeschleunigers wurde ein System zur atemgetriggerten Behandlung von Tumoren entwickelt und zur klinischen Einsatzreife gebracht. Dieses System ist für alle, einer Atembewegung unterliegenden Indikationen einsetzbar, mit besonderem Fokus auf Lungen- und Lebertumore. Zwei Röntgenquellen sowie zugehörige Detektoren ermöglichen es, Patientenstrukturen sowie implantierte Marker zur Patientenpositionierung zu nutzen. Die Detektion der Atembewegung über externe Marker und die Korrelation zu implantierten Markern lässt eine Vorhersage der Tumorbewegung bzw. –position auf der Basis der Bewegung der externen Marker zu. Dieses Verfahren liefert nun die Möglichkeit, über die nahezu Echtzeitinformation der Patienten bzw. Tumorposition die Behandlung atemgetriggert durchzuführen. Die entwickelten Konzepte und Methoden wurden in einem ersten Schritt an speziell dafür konstruierten Messphantomen verifiziert. Im zweiten Schritt wurde das Verfahren bei Patientenbehandlungen eingesetzt und Praktikabilität, erreichte Behandlungsgenauigkeit sowie der dadurch potentiell zu erlangende klinische Nutzen evaluiert. Die dabei erzielten Ergebnisse stellen eindrucksvoll das Potential des Systems dar. So liegt die Gesamtsystemgenauigkeit für die Positionierung eines beweglichen Zielvolumens im Bereich von 1 mm, und damit auf identisch hohem Niveau wie für den Fall der Behandlung eines statischen Zielvolumens mit dem Novalis System. Wie sich in umfangreichen Messungen gezeigt hat, ermöglicht die gegatete Bestrahlung die Applikation selbst komplexester IMRT-Bestrahlungspläne auf ein bewegliches Zielvolumen bei nur minimalen Abweichungen der applizierten von der geplanten Dosisverteilung. Der bei nicht gegateter Bestrahlung totale Verlust der geplanten Dosisverteilung wird vermieden, mit dem Effekt einer Wiederherstellung einer homogenen Dosisabdeckung des Tumors sowie der bestmöglichen Schonung von Risikoorganen. Das entwickelte Gatingphantom erwies sich dabei als äußerst effektives und benutzerfreundliches Messequipment, dessen Potential weit über die Routinequalitätssicherung des Gatingsystems hinausgeht. Seine klinische Nutzbarkeit hat das Gatingsystem bis zum Ende der Arbeit bei über 20 behandelten Patienten mit mehr als 200 Fraktionen unter Beweis gestellt. Die klinische Validierung erfolgte an 19 Patienten (11 Lunge, 8 Leber) mit 23 behandelten Indikationen und 2649 ausgewerteten Verifikationsröntgenbildern. So zeigte sich beispielsweise, dass die konventionelle Positionierung gegenüber der gegateten Positionierung im Mittel einen Fehler von 13,3 mm bei Lungen- und 10,61 mm bei Leberpatienten lieferte. Die maximale Abweichung lag dabei bei 47,81 mm. Diese Fehler können bei der konventionellen Positionierung im Gegensatz zur gegateten Positionierung weder detektiert noch korrigiert werden. Bei den gegateten Bestrahlungen ergab sich beim betrachteten Patientenkollektiv eine mittlere Tumorpositionsvarianz von der Tumor-Soll-Position von 2,52 mm für die Lungen- und 2,31 mm für die Leberpatienten. Diese Tumorpositionsvarianz bei der gegateten Behandlung steht der freien Beweglichkeit des Tumors von im Mittel ca. 10 mm (Lunge), bei der konventionellen Behandlung gegenüber. Damit ergibt sich für die konventionelle Behandlung eine gesamte mittlere Ungewissheit der Tumorposition von 20 mm (gegenüber 2,5 mm für die gegatete Behandlung). Dementsprechend könnten die Sicherheitsmargen, die für die CTV zu PTV-Vergrößerung anzusetzen sind, signifikant reduziert werden. Dadurch wird bedeutend weniger Normalgewebe bestrahlt. Im Gegenzug wäre es dann möglich, die Tumordosis in der Lunge zu erhöhen, da das Ausmaß der Nebeneffekte in der Lunge von der mittleren Lungendosis abhängt. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass mit dem entwickelten Gatingsystem die Möglichkeit geschaffen wurde, Lungen- und Lebertumore, die der Atembewegung unterliegen, deutlich präziser und effektiver zu behandeln. Dies wird sich in neuen, gegenüber dem Tumor deutlich aggressiveren Behandlungsprotokollen niederschlagen, die jedoch aufgrund des reduzierten bestrahlten Volumens keine gestiegene Wahrscheinlichkeit von Komplikationen im Normalgewebe zur Folge haben sollten.

Since the 1950s lung cancer is the type cancer with the highest mortality rate and causes more deaths than the next three most frequent types of cancer together. One of the main problems of radiation treatments of lung cancer poses the high mobility of lung tumors due to breathing and heart beat. The tumor motion due to breathing can be as much as 2,5 cm in cranio-caudal direction. So far, methods to address this kind of tumor motion are very insufficient. Because of that large radiation fields are being used to guarantee that the tumor receives the minimal required radiation dose despite of the tumor motion. As a result a large amount of healthy tissue receives radiation, which is especially critical for the radiation sensitive lung tissue. Conventional radiation delivery systems and linear accelerators are up to now not able to solve this fundamental problem. Based on the x-ray and infrared based positioning technology of the Novalis linear accelerator a system for a respiration triggered tumor treatment was developed and brought to clinical routine use. The system is applicable for all indications, which are subject to breathing induced motion with a special focus on lung and liver tumors. Two x-ray tubes with two detectors make it possible to use bony anatomy or implanted markers for patient positioning. The detection of breathing motion by external markers and the correlation to an implanted marker make it possible to predict tumor position and motion based on the motion of the external markers. Using this method it is possible, via the close to real-time information of patient / tumor position, to perform a respiration triggered treatment. The developed concepts and methods were, in a first step, verified on an especially constructed gating phantom. In a second step the system was used for patient treatments to verify clinical usability, achieved accuracy as well potentially achieved clinical gain. The achieved results impressively show the potential of the system. The overall system accuracy to position a moving target is within 1 mm and therefore at an identically high level as the positioning accuracy of the Novalis system for non-moving targets. As shown in comprehensive measurements, gated treatments even allow the application of complex IMRT treatment on a moving target with only little deviation of the applied to the planned dose distribution. The total loss of the planned dose distribution when treating a moving target without gating can be prevented and a homogeneous dose coverage of the tumor as well as best possible protection of critical structures can be restored. The developed gating phantom did prove to be very effective and user friendly, offering functionalities that exceed the requirements for routine quality assurance by far. The clinical usability of the gating system was proven by the completion of this work on more than 20 treated patients with more than 200 treatment fractions. Clinical validation was performed on 19 patients (11 lung, 8 liver) with 23 treated indications and 2649 evaluated x-ray verification images. It was for example shown that conventional positioning resulted in an average error of 13,3 mm for lung and 10,61 mm for liver tumors compared to a gated positioning. The maximum deviation was at 47,81 mm. For a conventional positioning, in contrast to a gated positioning these errors cannot be detected nor corrected. For the gated treatments an average tumor position variance from the expected tumor position of 2,52 mm for lung and 2,31 mm for liver tumors was detected with in the patient collective. This value for the gated treatments must be compared to average tumor motion of app. 10 mm (lung) for the conventional treatment. Therefore, the total average uncertainty regarding the tumor location for conventional treatments results in 20 mm (compared to 2,5 mm for gated treatments). As a result, the safety margins for the CTV to PTV expansion could be significantly reduced and significantly less normal tissue would be irradiated. Therefore it would also be possible to increase the dose to the tumor, as the complication rate for the lung depends on the average lung dose. As a conclusion, the developed gating system offers the potential to treat lung and liver tumors, which are subject to motion much more precise and effectively. This will ultimately result in more aggressive treatment protocols, which will however not show increased complication rates due to the reduced amount of normal tissue irradiated.