PLoS ONE: Respiratory gating under stereotaktisk Krop Stråleterapi for lungekræft Reducerer Tumor Position Variabilitet

Abstrakt

Formål

Vi evaluerede effekten af ​​respiratorisk gating på behandling nøjagtighed i lungekræftpatienter gennemgår lunge stereotaktisk krop strålebehandling ved hjælp af elektronisk portal imaging enhed (Epid) billeder.

Materialer og metoder

Vores undersøgelse bestod af 30 lungekræftpatienter i behandling med stereotaktisk krop strålebehandling (48 Gy /4 fraktioner /4 til 9 dage). Af disse blev 14 behandlet tilbagekaldes (gruppe A) og 16 uden gating (gruppe B); typisk de patienter, hvis tumorer viste tredimensionale respiratorisk bevægelse ≧ 5 mm blev udvalgt til gating. Tumor respiratorisk bevægelse blev estimeret ved anvendelse af fire-dimensionale computertomografi billeder optaget under behandling simulering. Tumor position variabilitet i alle behandlinger blev vurderet ved måling af standardafvigelsen (SD) og rækken af ​​tumor forskydning på Epid billeder. De to grupper blev sammenlignet for tumor respiratorisk bevægelse og position variabilitet ved anvendelse af Mann-Whitney U test.

Resultater Salg

Medianen tredimensionale tumor bevægelse under simuleringen var større i gruppe A end gruppe B (9 mm, rækkevidde 3-30 mm vs. 2 mm, rækkevidde 0-4 mm; p 0,001). I gruppe A og B medianen SD af tumoren position var 1,1 mm og 0,9 mm i craniocaudal- (p = 0,24) og 0,7 mm og 0,6 mm i mediolateral retning (p = 0,89), hhv. Midterfeltet af tumoren position var 4,0 mm og 3,0 mm i craniocaudal- (p = 0,21) og 2,0 mm og 1,5 mm i mediolateral retning (p = 0,20), henholdsvis.

Konklusioner Salg

Selvom patienter behandlet med respiratorisk gating udviste større respiratoriske tumor bevægelse under behandling simulation, tumor position variabilitet i epid billederne var lav og sammenlignelig med patienter behandlet uden gating. Dette viser fordelen ved respiratorisk gating

Henvisning:. Saito T, Matsuyama T, Toya R, Fukugawa Y, Toyofuku T, Semba A, et al. (2014) Respiratory gating under stereotaktisk Krop Stråleterapi for lungekræft Reducerer Tumor Position variabilitet. PLoS ONE 9 (11): e112824. doi: 10,1371 /journal.pone.0112824

Redaktør: Zhuoli Zhang, Northwestern University Feinberg School of Medicine, USA

Modtaget: 11. juli, 2014 Accepteret: Oktober 16, 2014; Udgivet: November 7, 2014

Copyright: © 2014 Saito et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Data Tilgængelighed:. Det forfattere bekræfter, at alle data, der ligger til grund resultaterne er fuldt tilgængelige uden restriktioner. Alle relevante data er inden for papir og dens Støtte Information filer

Finansiering:. Forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

Konkurrerende interesser:. Forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser.

Introduktion

fremkomsten af ​​fire-dimensional computertomografi (4D-CT) planlægning og metoder, afbøde virkningerne af tumor respiratorisk bevægelse under bestråling har potentiale til at forbedre den terapeutiske forhold af strålebehandling for lungekræft [1] – [4]. Respiratorisk gating er en non-invasiv teknik til at løse problemet med den respiratoriske bevægelse af tumorer, herunder lungekræft [5] – [10]. Baseret på resultaterne af vores tidligere Simuleringsundersøgelserne som sammenlignede respiratoriske gating teknikker [11], [12] anvendte vi fase-baserede gating hos patienter med lungecancer at indstille gating vinduet til at dække en 30% duty cycle omkring udgangen af ​​udløbet. Som vores tidligere undersøgelser var behandling simulation undersøgelser, vi satte os for at bekræfte nøjagtigheden af ​​leveringen behandling hos patienter, vi behandlet med respiratorisk gating og kontrolleret gyldigheden af ​​vores udvælgelseskriterier at identificere patienter er berettiget til respiratorisk gating [13]. Selvom andre [7], [8], der anvendes analyse af planlægning behandling foreslået, at respiratorisk gating tilbyder teoretiske fordele, dette spørgsmål forblev undersøges i kliniske omgivelser.

Den elektroniske portal imaging enhed (Epid) gør det muligt at fastslå, om gating reducerer variabiliteten i tumoren position og den kontinuerlige erhvervelse af portal billeder med epid i cine tilstand er blevet anvendt til behandling verifikation [14] – [16]. I den aktuelle undersøgelse anvendte vi Epid billeder at vurdere effekten af ​​respiratorisk gating på behandling nøjagtighed. Tidligere undersøgelser har rapporteret, at lungetumorer med større respiratorisk bevægelse under behandlingen simulation tendens til at udvise større position variabilitet under behandling end gjorde statiske tumorer [17] – [19]. Fordi vi havde en tendens til at vælge patienter med mobile tumorer for respiratorisk gating, kan disse tumorer viser stor position variabilitet uden gating. Hvis de mobile tumorer behandlet med gating show lav position variabilitet i de gatede faser, bør dette indikere gavn for respiratorisk gating. I denne undersøgelse, vi sammenlignet tumor respiratoriske bevægelse og position variabilitet mellem patientgrupperne behandlet med og uden respiratorisk gating.

Materialer og metoder

Patienter

Mellem oktober 2008 og maj 2013 behandlede vi 62 konsekutive patienter med 69 primære og metastatiske lungekræft med stereotaktisk krop strålebehandling. Den aktuelle undersøgelse befolkning består af 30 af disse patienter, hvis 30 tumorer var klart synlig på epiD billeder erhvervet under deres behandlinger. Vi udsatte 14 patienter til respiratorisk gating (gruppe A); den anden 16 blev behandlet uden gating (gruppe B). At identificere patienter er berettiget til gating vi primært betragtet tumor bevægelse under 4D-CT simulation behandlinger. Typisk vi valgte patienter, hvis tumorer viste tredimensionelle respiratorisk bevægelse ≧ 5 mm [13]. Vi bestemt ikke at bruge åndedrætsværn gating til patienter med uregelmæssig vejrtrækning (frekvens og /eller amplitude) ved at vurdere de respiratoriske kurver indspillet i 4D-CT dataopsamling. Lung bestråling volumen var en anden faktor, vi overvejes i udvælgelse af patienter til gating. Den gennemsnitlige tumordiameter var 20 mm (interval 9-40 mm) i gruppe A og 21 mm (interval 10-36 mm) i gruppe B. Af de 14 tumorer i gruppe A, 2 blev placeret i den øverste lap, en i midterste lap, og 11 i den nedre lap; 15 gruppe B-tumorer var i den øverste lap og en var i den nederste lap. Alle patienter gav deres skriftlige informerede samtykke til brug af deres data til forskningsformål før behandling. Tumor kendetegn er angivet i tabel S1. Den retrospektive dataanalyse i denne undersøgelse blev godkendt af den institutionelle gennemgang bord på Kumamoto University (nr 790).

Behandling

Vi brugte et vakuum-formet pude (ESFORM, Engineering System, Matsumoto, Japan) for krop immobilisering. Den CT-scanner, der anvendes til dataopsamling var en GE LightSpeed ​​RT (GE Medical Systems, Waukesha, WI, USA) instrument. Nærmere oplysninger om vores 4D-CT procedure er beskrevet andetsteds [11]. En ekstern respiratorisk skærm-system (Real-time holdning Management System, Varian Medical Systems, Palo Alto, CA, USA) indspillet respiratorisk bevægelse i tidsmæssig sammenhæng med CT-scanning erhvervelse. For mål afgrænsning og planlægning behandling brugte vi et planlægnings- behandlingssystem (Xio, Elekta, Stockholm, Sverige). Den kliniske target volumen (CTV) var kontureret til at omfatte grov tumor volumen og den mikroskopiske tumor forlængelse. Individuelle farvefjernsynsmodtagere i udvalgte faser blev kombineret til at danne sammensatte farvefjernsynsmodtagere og betragtes som den interne volumen mål (ITV). Planlægningen target volumen (PTV) blev defineret som en udvidelse af ITV med en 5 til 8 mm margin i craniocaudal (CC) retning og en 5-mm margin i de andre retninger. Den PTV margin i CC retning bestemmes individuelt efter tumoren respiratoriske bevægelse på 4D-CT-billeder. Typisk vi tilføjet en 5-mm blad margin til PTV

For strålebehandling brugte vi en Clinac iX instrument (Varian Medical Systems).; dosishastigheden var 600 MU /min. Stereotaktisk krop strålebehandling blev leveret via 6 coplanare og ikke-koplanare statiske bjælker ved hjælp af 6 MV fotoner. Den ordinerede dosis var 48 Gy afleveret til isocentret i 4 fraktioner i løbet af 4 til 9 dage (median 5 dage). Patienten setup blev korrigeret ved hjælp af en indbygget kilovoltage kegle-beam CT-scanner; billederne blev erhvervet under fri-vejrtrækning betingelser. I gruppe A brugte vi fase-baserede gating omkring ultimo udløb og angive en længde på 30% af en fuld respiratorisk cyklus som gating vinduet. Under gated behandling den eksterne respiratoriske monitor-system (Varian Medical Systems) synkroniseret behandlingen med patientens respiratoriske cyklus.

Tumor bevægelse under simulering

For at evaluere tre-dimensionelle tumor respiratorisk bevægelse vi brugte 4D- CT-billeder erhvervet under behandling simuleringer. En stråling onkolog (T. S.) afgrænset de farvefjernsynsmodtagere på CT-billeder af to ekstreme respiratoriske faser. Vi målte afstanden fra den endelige inspiration CTV tyngdepunkt til den endelige udløb CTV geometriske tyngdepunkt ved hjælp af et planlægnings- behandlingssystem (Xio, Elekta, Stockholm, Sverige).

erhvervelse Billede under behandlingen

For cine erhvervelse billede under behandling vi brugte en amorf silicium epiD (aS1000, Varian Medical Systems) monteret på Clinac iX. Den Epid havde et aktivt område på 40 × 30 cm, der indeholdt 1024 × 768 pixels. De Epid billeder blev erhvervet til 7,5 billeder pr sekund (20 frames per én Epid billede). Vi rutinemæssigt erhvervede Epid cine billeder af alle behandlingsgrupper porte i alle behandlinger. Hos patienter behandlet før september 2010, var vi ude af stand til at opnå Epid cine billeder af den samme port, som blev brugt til portalen erhvervelse billedet før behandling (paafyldningsanordningen vinkel var 180 ° i de fleste patienter), og derfor havde vi ikke Epid billeder af alle sessioner.

tumor position variabilitet under behandlingen

tumor position variabilitet blev evalueret af stråling onkolog (TS) for at identificere tumor position i forhold til en reference billede, vi brugte registrering software (offline anmeldelse, Varian Medical Systems). Den software giver et heltal forskydning værdi. Vi evaluerede kun epiD billeder opnået ved en gantry vinkel på 180 °. Figur 1 viser vores fremgangsmåden for måling af tumoren position. I alle behandlinger vi brugte den første Epid billedet erhvervet ved det første møde som reference for de efterfølgende målinger på alle andre epiD billeder. Vi først afgrænset tumoren på denne reference Epid billede og derefter brugt sin kontur til at måle tumor forskydning på de andre epiD billeder. Ved at matche konturen til tumoren billedet på hver Epid billede kunne vi måle forskydningen af ​​tumoren position i forhold til referencen Epid billede (figur 1). Tumor forskydning blev målt i CC og mediolateral (ML) retning. Epid billeder erhvervet under 2 til 4 (gennemsnit 3,4) behandlinger per patient blev brugt til variabilitet vurderinger. Vi analyserede i alt 1.168 Epid billeder erhvervet i løbet af 101 sessioner. I hver patient vurderede vi variabilitet i tumoren position ved at måle standardafvigelsen (SD) og den række af tumoren position under alle sessioner (figur 2).

epiD = elektronisk portal imaging enhed.

Variabilitet blev vurderet ved at bestemme standardafvigelsen (SD) og vifte af tumoren position under alle sessioner.

Inter-observatør variation

for at vurdere inter-observatør variationer i den målte tumor position vi brugte den anden og sidste epiD billeder fra hver session (202 billeder erhvervet i 101 sessioner). Tumoren position i forhold til den første Epid billede opnået ved den første session blev uafhængigt målt ved 2 stråling onkologer (T.S. og T.M.) og gennemsnittet og SD af forskellen mellem deres målinger blev beregnet. Inter-observatør variation blev vurderet i CC og ML retning.

Statistisk analyse

Vi brugte Mann-Whitney U test til at sammenligne tumor respiratoriske bevægelse og position variation i gruppe A og B. Wilcoxon-test blev anvendt til at sammenligne tumor positioner målt af de 2 stråling onkologer. Alle statistiske tests blev udført med GraphPad Prism 6 software (GraphPad Software Inc., San Diego, CA, USA). Forskelle i p. 0,05 blev betragtet som statistisk signifikant

Resultater

Inter-observatør variation

Inter-observatør variationer i tumoren lokalisering blev vurderet ved at måle forskellen i tumoren holdning indføres af de to observatører. For i alt 202 observationer, den gennemsnitlige (SD) forskellen mellem dem var 0,3 mm (0,8 mm) i CC retning og 0,3 mm (0,8 mm) i ML retning (tabel S2). Tumor positioner målt af de 2 stråling onkologer var statistisk signifikant forskellige i CC retning (p 0,001) og i ML retning (p 0,001).

Tumor bevægelse under behandling simulering

Figur 3 viser den tredimensionale tumor respiratorisk bevægelse målt under behandling simulering ved hjælp 4D planlægning CT. Den mediane tumor bevægelse var større i gruppe A end B (9 mm, rækkevidde 3-30 mm vs. 2 mm, rækkevidde 0-4 mm) (p 0,001). (Tabel S1)

Tumor position variabilitet under behandlingen

For variabilitet vurderinger vi brugte epid billeder erhvervet under behandlingen. SD og området for tumoren position under alle behandlinger blev beregnet for hver patient (figur 2) (tabel S3, tabel S4). Figur 4 og 5 viser SDS og intervaller af tumorens position henholdsvis i de to patientgrupper. I gruppe A og gruppe B medianen SD af tumoren position var 1,1 mm og 0,9 mm i CC (p = 0,24) og 0,7 mm og 0,6 mm i ML retning (p = 0,89), hhv. Midterfeltet af tumoren position var 4,0 mm og 3,0 mm i CC (p = 0,21) og 2,0 mm og 1,5 mm i ML retning (p = 0,20), i gruppe A og B, hhv. Forskellen i variabiliteten mellem de to grupper var ikke statistisk signifikant. Rækken af ​​tumor forskydning i CC retning ikke overstige 6 mm i nogen, men en patient, der blev udsat for respiratorisk gating og manifesteret en række 8 mm. Rækken af ​​tumor forskydning i ML retning var ikke mere end 6 mm i nogen af ​​de 30 patienter.

Hvert punkt repræsenterer en enkelt patients SD af tumoren position under alle behandlinger. CC = craniocaudal; ML = mediolateral.

Hvert punkt repræsenterer en enkelt patient sortiment af tumor position under alle behandlinger. CC = craniocaudal; ML = mediolateral.

Diskussion

Brug Epid billeder, vi fandt, at tumor position variation i vore patienter behandlet med og uden respiratorisk gating var lav og sammenlignelig med den rapporteret i tidligere undersøgelser [17 ], [20] – [22] (tabel 1). Patienter underkastet gating manifesteret større respiratorisk bevægelse under simulering imidlertid tumor position variabilitet under behandlingen var sammenlignelig med patienter behandlet uden gating. Vores resultater, baseret på data indhentet under behandlingen af ​​patienter med lungecancer, bekræftede, at respiratorisk gating var gavnligt at reducere tumor position variabilitet.

Vores resultater bekræfter også, at udvælgelseskriterierne vi bruges til at identificere patienter, der kan drage fordel af respiratorisk gating var passende. For at opnå lav variabilitet, bør patienter med meget mobile tumorer udelukkes fra gruppen behandlet uden gating. Havde vores kriterier været overdrevent konservativ (dvs. ingen respiratorisk gating hos nogle patienter med mobile tumorer), ville vi forvente at finde en stor variation i tumoren position under behandling uden gating. Derfor den lave variabilitet hos patienter behandlet uden gating antyder, at vores udvælgelseskriterier passende udelukket patienter med meget mobile tumorer. Baseret på vores tidligere rapporteret behandlingsplanlægning analyse [13] vi anser tumorer med tredimensionelle respiratorisk bevægelse ≧ 5 mm på simulation 4D-CT-billeder er berettiget til respiratorisk gating. Regelmæssighed af vejrtrækning og den forventede lunge bestråling volumen er yderligere faktorer, der skal overvejes i udvælgelsen af ​​patienter udsat for respiratorisk gating. Vejrtrækning uregelmæssighed kan føre til unøjagtige afgrænsning af gating vindue ITV [23], at kompromittere gyldigheden af ​​planlægning behandling i luftvejene-gated strålebehandling. Når tumoren er stor og /eller placeret i den nederste lap, lunge bestråling volumen tendens til at være stor, og risiko for pulmonal toksicitet bør øge nødvendigheden af ​​respiratorisk gating.

Den inter-observatør forskel med hensyn til tumorlokalisering var lille og validerer den kvantitative vurdering af vores undersøgelse. Inter-observatør forskelle i vurderingen af ​​Epid billeder af patienter med lungecancer er blevet evalueret af andre [22], [24], [25], som ikke brugte referencemærker markører. Spoelstra et al. [22], som undersøgte inter-observatør variationer i identifikationen af ​​interne strukturer på tid-integreret elektronisk portal billeder fandt, at SD af variationen mellem to observatører, for i alt 57 observationer, var 0,7 og 0,8 mm i ML og CC retning, henholdsvis. Muirhead et al. [24] analyserede megavolt cine-billeder fra patienter med lokalt fremskreden lungekræft; de rapporterede, at to observatører den gennemsnitlige forskel i bevægelse af tumor, hilar struktur og carina var 0,41 mm, 0,63 mm, og 0,33 mm. De inter-observatør forskelle i vores undersøgelse var sammenlignelige med disse tidligere undersøgelser. Vi observerede, at tumoren position målt med de 2 stråling onkologer var statistisk signifikant forskellig i denne relativt stor prøve (n = 202). Imidlertid ville denne forskel ikke er klinisk relevant fordi den absolutte værdi af forskellen mellem de to observatører var væsentligt mindre.

intra- og interfractional variabilitet i tumoren position er blevet undersøgt [17], [20] – [22] (tabel 1). Omfanget af intrafractional variabilitet kan afspejle faktorer såsom krop immobilisering og tumor respiratorisk bevægelse. Desuden interfractional variation afspejler fejl i billedet vejledning og interfractional variationer i respiration; det kan være større end intrafractional variabilitet [26]. For nøjagtig behandling, bør respiratorisk gating kontrollere ikke kun respiratorisk tumor bevægelse under en brøkdel, men også variationer i respiration mellem fraktioner. Vores omfattende analyse af alle Epid billeder erhvervet under alle behandlinger tyder på, at respiratorisk gating reducerer både intra- og interfractional variabilitet i den situation lunge tumorer.

Lunge tumorer nær membranen har tendens til at vise stor respiratorisk bevægelse [2 ], [13]. I vores patienter, af de 14 tumorer udsat for respiratorisk gating (gruppe A), blev 11 placeret i den nederste lap mens 15 af de 16 tumorer behandlet uden gating (gruppe B) var i den øverste lap. Dette kan forklare forskellen i tumor respiratorisk bevægelse mellem de to grupper og deres tilsvarende tumor position variabilitet indikerer, at respiratorisk gating kompenserer for tumor mobilitet.

Som en begrænsning af vores undersøgelse blev det består af 30 ud af 69 (43 %) efter hinanden behandlede lunge tumorer og medtaget kun tumorer, der var klart synlig på epiD billeder. Richter et al. [18], der analyserede mulighederne for markerless sporing af lungetumorer rapporterede, at tumor synlighed i 47% af deres Epid film var tilstrækkelig. I undersøgelsen af ​​Ueda et al. [17], 38% af Epid billeder blev anvendt til analyse af lunge tumor bevægelse uden referencemærker markører.

I tidligere undersøgelser, rapporterede potentielle fordel ved respiratorisk gating var primært baseret på planlægning -baserede analyser [7], [8], [27]. Få studier evaluerede gavn for respiratorisk gating baseret på data erhvervet under strålebehandling. Vi undersøgte variabiliteten i placeringen af ​​lungetumorer på Epid billeder fra et relativt stort antal patienter. Så vidt vi ved, er dette den første sammenligning af lungecancerpatienter udsat for strålebehandling med og uden respiratorisk gating. I tidligere undersøgelser blev tumor position variabilitet evalueret hovedsageligt i en enkelt gruppe af patienter. Derfor kan effekten af ​​gating ikke vurderes separat fra andre kilder til variabilitet [17], [20] – [22]. For bedre at forstå virkningen af ​​respiratorisk gating, fortsætter vi med at indsamle data opnået i patienter med lungecancer behandlet tilbagekaldes og uden respiratorisk gating.

Konklusioner

Brug Epid billede-baseret analyse vurderet, virkning af respiratorisk gating på behandling nøjagtighed. Tumor position variabilitet under behandlingen var sammenlignelig hos patienter behandlet without- og patienter behandlet med respiratorisk gating, trods større respiratoriske bevægelse under simulering i sidstnævnte gruppe. Denne observation bekræfter fordelen ved respiratorisk gating. Baseret på vores resultater foreslår vi, at ordentlig patient udvælgelse og hensigtsmæssig brug af respiratorisk gating lette præcis levering af behandling af patienter med lungekræft.

Støtte Information

Tabel S1. Salg Tumor egenskaber og respiratorisk bevægelse

Doi:. 10,1371 /journal.pone.0112824.s001

(XLS)

tabel S2.

Inter-observatør variation i tumorlokalisering

doi:. 10,1371 /journal.pone.0112824.s002

(XLS)

tabel S3.

Tumor position variabilitet under behandling i gruppe A.

doi: 10,1371 /journal.pone.0112824.s003

(XLS)

Tabel S4.

Tumor position variabilitet under behandling i gruppe B.

doi: 10,1371 /journal.pone.0112824.s004

(XLS)