О методе лечения

Научное исследование: Расчеты дневной дозы, основанные на конусно-лучевой компьютерной томографии и деформируемой регистрации для адаптивной протонной терапии.

Аннотация к исследованию

Целью данной работы является оценка применимости конусно-лучевой компьютерной томографии (КЛКТ) и основанных на деформируемой регистрации изображений (ДРИ) расчетов дневной дозы облучения для адаптивной протонной терапии.

  • Методы. Были разработаны планы лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности пучков (ЛТМИ) и протонной терапии для 3 пациентов с заболеваниями головы и шеи, которым требовалось повторное планирование лечения и, следовательно было необходимо заново провести планирующую КТ. Планы протонной терапии составлялись для различных вариантов расположения и оптимизации луча: протонной терапии с поперечной модуляцией интенсивности пучков и однопольной однородной дозы. Мы использовали штатное ДРИ-программное обеспечение, используемое в нашем учреждении чтобы сгенерировать деформированную КТ, наложив планирующую КТ на ежедневную КЛКТ. На этой КЛКТ геометрия тканей пациента была схожей с таковой на планирующей КТ. Распределение дозы на планирующей КТ было принято за золотой стандарт для расчета дневной дозы и сравнивалось с дозами на деформированной КТ (наш метод), калиброванной КЛКТ и жестко выровненной КТ (альтернативные методы). Мы выразили это как разницу дозы (РД), путем расчета количества вокселей, РД которых были меньше 2% от предписанной дозы (ПД) и меньше квадратного корня распределения РД.
  • Результаты. Заключение: Расчеты дозы протонов, основанные на ДРИ и КЛКТ показали многообещающие результаты. Тем не менее, расчеты протонной дозы были более чувствительны к ошибкам регистрации, нежели дозы ЛТМИ, в частности, в областях с высоким градиентом дозы.
  • В исследовании  принимали участие: 

1.      Группа радиофизики, департамент медицинской физики и биомедицинских технологий, Университетский колледж Лондона.
2.      Департамент радиотерапевтической физики, Госпиталь университетского колледжа Лондона.
3.      Команда ионизирующего излучения, Национальная физическая лаборатория, Теддингтон.
4.      Центр медицинской компьютерной визуализации, департамент медицинской физики и биомедицинских технологий, Университетский колледж Лондона.

Корреспондирующий автор: Catarina Veiga, MSc, департамент медицинской физики и биомедицинских технологий, Malet Place Engineering Building, Gower Street, Лондон, Великобритания

Введение

Получение объемных изображений доказанно является крайне важным инструментом в управлении положением пациента и ежедневном наблюдении за анатомическими изменениями в процессе протонной терапии, в частности, для пациентов со злокачественными новообразованиями головы и шеи. Как известно, в ходе лечения анатомия претерпевает изменения, что может сказываться на целях, изначально поставленных для исходного плана фотонной терапии. Адаптивные подходы к лучевой терапии, использующие доступные средства получения изображений лечебном кабинете, такие как компьютерная томография (КТ) и конусно-лучевая КТ (КЛКТ), становятся все популярнее в организации современной протонной терапии. Кроме того, КЛКТ обладает некоторыми преимуществами перед традиционными компьютерными томографами: нет необходимости перемещать пациента между сканирующей и лечебной аппаратурой, лучевая нагрузка ниже и оборудование для КЛКТ является более экономически выгодным. Тем не менее, качество получаемых при КЛКТ изображений недостаточно для прямого расчета дозы.
 В недавнее время стал заметен интерес к переносу технологий получения трехмерных изображений, в частности, КЛКТ, в протонную клинику. Развитие КЛКТ в системах протонной терапии требует решения инженерных проблем, связанных с геометрией протонного гентри. Seabra с соавт. описывают, что наибольшей проблемой является интеграция КЛКТ в протонное гентри, совмещенное с линейным ускорителем. К таким проблемам можно отнести необходимость повышения температурной емкости рентгеновских трубок , связанную с большей дистанцией между источником и изоцентром в протонном гентри. Некоторые группы исследователей в сотрудничестве с производителями оборудования уже рекомендуют системы с КЛКТ для использования в протонной терапии. Единственной подходящей альтернативой в получении трехмерного изображения до начала лечения является КТ в терапевтическом кабинете, которая не столь доступна.
Многочисленные опубликованные доклады описывают теоретические и клинические подтверждения тому, что протонная терапия имеет ряд преимуществ перед фотонной терапией в лечении злокачественных опухолей головы и шеи. Протонная терапия способна в меньшей степени воздействовать на зрительные нервы, слюнные железы и ротовую полость, что уменьшает необходимость использования зондового питания. Это снижение лучевого воздействия достигается без изменений индекса конформности, гомогенности дозы и покрытия целевого объема. Несмотря на то, что теоретически протоны обладают дозиметрическими преимуществами перед фотонами, для раскрытия всего потенциала протонной терапии и достижения клинического эффекта, необходимо так же, как и для фотонной терапии, контролировать анатомические изменения (такие как потеря веса и уменьшение опухоли).
Работа, проведенная нашей группой ранее, показала возможность использования деформируемой регистрации изображений (ДРИ) для обозначения чисел Хаусфильда, взятых с КТ, на ежедневном КЛКТ. Этот метод позволяет хорошо рассчитывать дневную дозу для лучевой терапии с поперечной модуляцией интенсивности пучков (ЛТМИ), что может быть использовано в рабочем процессе адаптивной лучевой терапии. Однако, трудности, с которыми с столкнулись в традиционной фотонной терапии, даже в большей степени относятся к протонной терапии и это приближение не может быть больше применимо к протонной терапии по двум причинам. Во-первых, потому что градиент распределения протонной дозы значительно выше,  точное положение пациента даже в большей степени играет решающую роль в минимизации риска «передозирования» критических органов и/или «недодозирования» целевого объема. Во-вторых, по причине того, что кривые доза-глубина для протонов более зависимы от физических свойств тканей, чем фотонов, изменения в размерах и расположении разнородных тканей, происходящие от фракции к фракции, негативно сказываются на распределении дозы протонов  в большей степени, чем фотонов. В области головы и шеи такие изменения могут быть сложными из-за того, что протон проходит через сложные анатомические структуры, составляемые воздухом, костью и мягкими тканями. Следовательно, ожидается, что расчёты протонной дозы будут более чувствительны к ошибкам регистрации, нежели в аналогичных случаях с ЛТМИ. Целью данной работы была оценка возможности применения расчетов дневной дозы, основанных на КЛКТ и ДРИ, для протонной терапии, которые раньше оценивались применительно к ЛТМИ.  В данном исследовании применялся более сложный и улучшенный алгоритм регистрации.

Методы

Данные пациента и получение изображений
Мы ретроспективно использовали данные о трех пациентах с опухолями головы и шеи, получавших лечение в нашем институте. Всем пациентам производилась КТ для планирования лечения (16-срезовая система GE Widebore, GE Healthcare, Little Чалфонт, Великобритания) и еженедельно – КЛКТ для уточнения (On-Board Imaging v1.4, Varian Medical Systems, Пало Альто, Калифорния). КЛКТ производилась в веерном режиме, с полным вращением, 110 kVp, 20 mA, 20 мс, с максимальным полем зрения 45 мм в диаметре и 16 мм в длину (4-6 мЗв на одно сканирование). Также пациентам в этом исследовании производилась повторная планирующая КТ, т.к. в процессе лечения наблюдались большие анатомические изменения, которые влияли на цели лечения. Таким образом, пациенты выбрали преимущества адаптивной лучевой терапии, и их случаи хорошо подошли для испытания ДРИ. Разрешение изображения составляло 0.977 × 0.977 × 2.5 мм для КТ, в то время как КЛКТ соответствовало 0.879 × 0.879 ×2 мм с максимальной длиной 16 мм. Для иммобилизации применялись усовершенствованные термопластичные маска и подголовник. Повторная планирующая КТ выполнялась с новой маской, с помощью которой мы пытались максимально похожим образом воспроизвести прошлую иммобилизацию.
Для того, чтобы пКТ и КЛКТ содержали схожую информацию, в идеале они должны быть получены в одно время и в одном положении пациента. На практике это едва осуществимо, т.к. не только нет смысла в проведении обоих исследований в один день, но и из-за неизбежного появления остаточных отличий изображения вследствие перемещения больного между сканирующими устройствами. Первую клиническую КЛКТ у больного, получавшего лучевую терапию в одном положении, мы получили на 5-7 день после регистрации пКТ. Для устранения существенных геометрических различий между пКТ и КЛКТ, мы сгенерировали симулированную КЛКТ путем искажения реальной КЛКТ для соответствия пКТ. Этот шаг тщательно проделывался для каждого пациента чтобы максимизировать сходство пКТ и КЛКТ и минимизировать ошибки в расчетах дозы вследствие таких разногласий.  Для ДРИ и прямых расчетов дозы мы использовали симулированные КЛКТ.

Планирование лечения
Тип пучка выбирался с таким расчетом, чтобы оптимизировать покрытие цели при минимизации дозы для ствола мозга, спинномозгового канала, ротовой полости, слюнных желез и гортани. Во всех лечебных циклах применялись одинаковые дозы и объемы: 65 Гр (относительная биологическая эффективность (ОБЭ)) для первичной опухоли и 54 Гр (ОБЭ) для вторичной опухоли. Дозу планировалось разделить на 30 фракций. Планируемые объемы облучения были определены как клинические целевые объемы, расширенные на 3 мм. Главной целью было достижение 95% предписанной дозы в планируемых объемах облучения с максимальной конформностью. Затем планы были оптимизированы с целью минимизации дозы для критических органов без ущерба для покрытия целевого объема. Толерантные дозы соответствовали рекомендациям госпиталя лондонского университетского колледжа для ЛТМИ: максимальные дозы для спинномозгового канала и ствола мозга 46 Гр (ОБЭ) и 55 Гр (ОБЭ) соответственно и средняя односторонняя доза 20 Гр (ОБЭ) и двусторонняя доза 25 Гр (ОБЭ) для околоушных слюнных желез.
Планирование лечения осуществлялось на планирующей КТ (пКТ) с использованием системы планирования Eclipse External Beam (версия 10.8, Varian Medical Systems, Пало Альто, Калифорния). Касаемо пациентов, получавших ЛТМИ, планирование производилось в рамках рабочего потока нашей клиники с использованием 7-полевого протокола, и они получали лечение по планам, описанным в данной работе. Планирование протонной терапии производилось ретроспективно, согласно планам, разработанным для каждого пациента, совмещающим 2 типа оптимизации: протонную терапию с поперечной модуляцией интенсивности пучков (ПТМИ) и однопольную  однородную дозу (ООД), а также 2 различных вида расположения пучков: 3 пучка с вращением гентри на 60°, 180° и 300°, и 5 пучков с вращением гентри на 45°, 135°, 180°, 225° и 315°. Всего было разработано 3 плана: ПТМИ с 3 и 5 пучками (ПТМИ3B и ПТМИ5В) и ООД с 3 пучками (ООД3В). ПТМИ3B представляет собой стандартный лечебный подход с максимальными потенциальными выгодами от протонной терапии (т.е., сниженная интегральная доза, минимизированная доза для критических органов и более высокая гомогенность в планируемых объемах облучения). Тем не менее, эти планы могут быть чувствительны к неправильному положению пациента и анатомическим изменениям. Напротив, ПТМИ5В и ООД3В являются более надежными стратегиями планирования, однако за это приходится расплачиваться меньшими дозиметрическими результатами. В частности, ПТМИ3B имеет меньшую возможность минимизации максимальной дозы для спинномозгового канала, т.к. все поля обладают практически одинаковой силой, в то время как ПТМИ5В обладает более высокой интегральной дозой. Таблица 1 показывает статистику и свойства доз для планов, такие как средние и максимальные дозы для критических органов, индекс конформности, индекс гомогенности и внецелевая интегральная доза. Планирование лечения не является объектом данного исследования. Следовательно, планы протонной терапии разрабатывались с целью клинического применения и демонстрации преимуществ протонной терапии, и они не обязательно должны быть оптимальными. (График 1).

График 1. Гистограмма доза-объем, сравнивающая ЛТМИ и протонные планы для одного из пациентов, участвовавших в исследовании. Правая околоушная слюнная железа не учтена для большей наглядности.

Таблица 1. Средние значения дозовых статистик и свойств планов, использованных в этой работе.

Регистрация изображений
Мы произвели регистрацию пКТ на симулированной КЛКТ с использованием NiftyReg, программного пакета с открытым исходным кодом, применяемого в нашем институте. NiftyReg включает в себя несколько алгоритмов свободного деформирования. Мы выбрали реализацию, основанную на модели трансформации стационарных скоростных полей. Это симметричный обратно устойчивый алгоритм, который предоставляет возможность как прямых, так и обратных трансформаций. Мерой подобия была выбрана локализованная нормализованная кросс-корреляция, потому что она хорошо подходит для расчета различий в интенсивности изображений, полученных с КТ и КЛКТ. Локализованная нормализованная кросс-корреляция рассчитывает сходство в большей степени между локальными окнами, чем в полном объеме, поэтому она может лучше рассчитывать пространственно варьирующие значения интенсивности на КЛКТ, чем глобальные меры подобия, такие как нормализованная кросс-корреляция суммы квадратов разницы. Больше деталей по оптимизации регистрации можно найти в других источниках.
Малая длина КЛКТ в верхне-нижнем направлении зачастую делает изображения непригодными для расчета доз. В нашей предыдущей работе мы предлагали метод, позволявший преодолеть данное ограничение. Он оценивает деформацию, а следовательно, и объем вне поля зрения КЛКТ, создавая плавный переход от исходного жесткого выравнивания к деформациям, оптимизированным в ходе ДРИ. Мы сочли этот подход применимым к ЛТМИ, но, в большей степени, в верхнем направлении, в котором анатомия более стабильна. В то же время ожидается, что ограниченное поле зрения вызовет больше проблем в протонной терапии, поэтому такой подход будет также рассмотрен в этой работе.
 

Сравнение доз
Мы использовали ДРИ для переноса единиц Хаунсфильда с пКТ на КЛКТ, которая имеет сходство с ппКТ (симулированная КЛКТ, описанная в разделе «Данные пациента и получение изображений»). На выходе мы получили деформированную КТ (дКТ), которая содержит геометрическую информацию с КЛКТ, а единицы Хаунсфилда – с пКТ. При этом, она может быть использована для точного расчета доз.
Мы произвели дозиметрическую оценку с целью оценки влияния ошибок регистрации на расчет дневной дозы. На графике 2 можно видеть диаграмму изображений, использованных в данной работе и, соответственно, проделанные расчеты доз. Распределения доз, рассчитанные на ппКТ, были приняты в качестве золотого стандарта и сравнивались с дозами на дКТ (наш метод) и напрямую с калиброванной КЛКТ и жестко выровненной пКТ (альтернативные методы). Калиброванная КЛКТ соотносится с симулированной КЛКТ после того, как ее HU были скорректированы с использованием квадратичного отношения между КТ и КЛКТ, измеренного на аппарате Catphan-504 (Phantom Laboratory, Гринвич, Нью Йорк). Затем калиброванная КЛКТ была расширена в верхне-нижнем направлении с использованием соответствующих срезов жестко выровненной пКТ. Следовательно, распределения доз для одинаковых протонных и ЛТМИ планов были рассчитаны на пКТ, ппКТ, дКТ и калиброванной КЛКТ (ДПКТ, ДппКТ, ДДКТ, и ДКЛКТ соответственно). В обоих случаях изоцентр был расположен в одной и той же точке на основании жесткого выравниваия позвонков. Все дозы рассчитывались с разрешением 2 мм.

График 2. Диаграмма графических данных, использованных в соответствующих расчетах доз. пКТ была деформирована для приведения в соответствие с КЛКТ, которая имела близкое сходство с ппКТ. 

Это была симулированная КЛКТ, оказавшаяся результатом деформирования реальной КЛКТ для большей схожести с ппКТ. Распределения доз для одинаковых фотонных и протонных планов были рассчитаны на пКТ, ппКТ, дКТ и калиброванной КЛКТ (ДПКТ, ДппКТ, ДДКТ, и ДКЛКТ соответственно). Сокращения: КЛКТ (конусно-лучевая компьютерная томография), КТ (компьютерная томография), дКТ (деформированная компьютерная томография), пКТ (планирующая компьютерная томография), ппКТ (повторная планирующая компьютерная томография).
Неточность расчета доз была оценена путем вычисления повоксельных отличий между распределениями доз, известного, как тест разницы доз (ТРД). Результаты ТРД оценивались расчетом процента прохождения ТРД с допуском в 2% (т.е., процент пикселей, чей ТРД находился в пределах допуска – ТРД2%-пп) и среднеквадратическим распределения ТРД (ТРДск). В добавок, мы рассчитали гистограммы доза-объем и разности в расчете средних и максимальных доз (Дсред и Дмакс) для критических органов.

Результаты
В таблице 2 отображены результаты, полученные в результате ТРД2%-пп и ТРДск для различных методов и для ппКТ в разных областях. Вследствие анатомических изменений пКТ не дает возможности производить хорошие расчеты дневной дозы, в частности, для протонных планов. Расчеты доз по калиброванной КТ также дают плохие результаты расчета дневной дозы несмотря на то, что изображения достаточно точно отображают анатомию на текущий день. Визуальная проверка результатов ТРД выявила, что местами наибольшего несовпадения доз оказались области, в которых качество изображения на КЛКТ было снижено (к примеру, в области около плеч, где объем изображения больше). В таких больших объемах одна кривая калибровки не способна восстановить корректные HU, что проявляется в неточных расчетах доз. К тому же, протонные планы более чувствительны к анатомическим изменениям и неоднородности характеристик HU КЛКТ-сканов, нежели лучевые планы. Ошибки в расчете дневной дозы по дКТ также были больше для протонных планов, нежели для ЛТМИ, но, во всяком случае, были определенно ниже, чем в случае с калиброванной КЛКТ и жестко выровненной пКТ.

Таблица 2. Значения среднеквадратического отклонения ТРД2%-пп, ТРДск между дозами, рассчитанными с использованием жестко выровненной пКТ, калиброванной КЛКТ и деформированной КТ в сравнении с повторной планирующей КТ в различных областях.

КЛКТ и пустое поле зрения относятся к областям, получившим более 10% предписанной дозы и которые были или не были изображены соответственно. TV относится к объему, включающему 95% изодозовой поверхности, в то время как IV соответствует объему, включающему 50% изодозовой поверхности. Таким образом, IV-TV – это объем, в который планируется доставить от 50 до 95%  плановой дозы.
Некоторые области дозовой карты оказались более чувствительными к ошибкам регистрации. Различия в ТРД2%-пп между объемом, входящем в запланированные 95% изодозовой поверхности (терапевтический объем (TV)) и объемом, получающим от 50% до 95% предписанной дозы (облучаемый объем (IV) минус TV (IV-TV)), где наиболее желаем высокий градиент, показывают, что местные свойства дозовой карты влияют на точность расчета дневной дозы. Оказалось, что протонные планы более чувствительны к высоким градиентам доз, нежели лучевые планы. К примеру, для ПТМИ3B ТРДск составил 2,6% от ПД в пределах TV, и это значение возросло до 8,2%  от ПД в пределах IV-TV. Схожая картина наблюдалась и для остальных планов кроме ЛТМИ, где ТРДск был значительно ниже (0,5%  от ПД и 3,1% от ПД для TV и IV-TV соответственно. График 3 дает качественное представление об этом эффекте. Несмотря на то, что при ЛТМИ наибольшее число ошибок происходило вблизи кожи и дыхательных путей, в протонных планах большие различия наблюдались в областях с высокими дозой и дозовым градиентом.        Также в протонных планах, в отличие от ЛТМИ, значения ТРД2%-пп за пределами поля зрения (пКТ – прим. пер.) были ниже, чем в поле зрения КЛКТ.
Следует отметить, что благодаря применению пКТ в областях, не входящих в поле зрения КЛКТ, была возможность осуществить расчеты, достаточные для применения протонной терапии (в частности, в верхнем направлении). В случае возникновения высоких дозовых градиентов вне поля зрения требуется особая осторожность.

График 3. Цветное изображение дозовых градаций на ппКТ (верхний ряд) и дозовые различия между ппКТ и дКТ (нижний ряд) для А – ЛТМИ, В - ПТМИ3B, С – ООД3В, D – ПТМИ5В планов, примененных у одного из наших пациентов.

Горизонтальные фиолетовые линии показывают длину поля зрения КЛКТ. Сокращения: КЛКТ (конусно-лучевая компьютерная томография), КТ (компьютерная томография), ПТМИ (протонная терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучков), ЛТМИ (лучевая терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучков), ООД (однопольная одноформная доза).
 
Применение различных видов оптимизации и техник доставки выразилось в различных результатах ТРД2%-пп ТРДск. ПТМИ3В оказалась более чувствительна к ошибкам при ДРИ, особенно в объеме IV-TV. ООД3В показала себя достаточно хорошо в TV благодаря тому, что все поля доставляли однофрмную дозу в области с высокой дозой, это сделало ее менее чувствительной к ошибкам при ДРИ. В целом, ПТМИ5В также показала себя лучше, чем ПТМИ3В за счет того, что каждый луч доставлял меньшую дозу за пределы мишени. Метод ДРИ оказался более применимым к фотонной терапии ввиду того, что оптимизация ООД и/или дополнительные лучи в случае с ПТМИ также способствуют повышению КПД системы.

Таблица 3. Значения среднеквадратического отклонения ТРД2%-пп, ТРДск, Дсред и Дмакс для критических органов(спинномозгового канала, ствола головного мозга и околоушных слюнных желез) при использовании деформированных КТ в расчетах дневной дозы (% от ПД).

В таблице 3 показаны результаты ДДКТ относительно критических органов. Здесь наблюдаются схожие тенденции, когда лучшие результаты достигаются с применением фотонных планов. Большее среднеквадратическое отклонение ТРД2%-пп для протонных планов вызвано особенностями относительного расположения критических органов на дозовой карте у различных пациентов. Для ПТМИ3В ТРД2%-пп составил 94% для ствола головного мозга и спинномозгового канала и 68%  для слюнных желез. Слюнные железы в целом имеют худшие показатели по причине их частичного расположения в TV. Вдобавок, они более восприимчивы к высоким дозам и высоким градиентам доз. Одним из преимуществ использования ДРИ для генерирования дКТ является возможность генерировать контуры изменений автоматически, что избавляет от необходимости выделения интересующих областей из чернового изображения. Когда для работы выбирались структуры, выделенные вручную, то при составлении графиков доза/объем различия между кривыми были малы. Если же для генерирования измененных контуров на дКТ использовались структуры, взятые из пКТ, то различия между кривыми становились более очевидными. (График 4). Это же относится и к ЛТМИ-планам. При решении вопроса о необходимости перепланирования ключевую роль играет вариабельность контуров критических органов, независимо от способа лечения. По этой причине для адаптивной лучевой терапии важно регулярное последовательное выделение структур.

График 4. График доза/объем для сравнения доз на ппКТ и дКТ для А – ЛТМИ  и В – ПТМИ3В с использованием структур, полученных способами дКТм и дКТд для одного из пациентов, участвовавших в исследовании. 

 

Правая околоушная слюнная железа не учтена для большей наглядности. Сокращения: КТ (компьютерная томография), ПТМИ (протонная терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучков), ЛТМИ (лучевая терапия с поперечной модуляцией интенсивности пучков), дКТм (деформированная компьютерная томография со структурами, выделенными вручную), дКТд (деформированная компьютерная томография с автоматически деформированными структурами), ппКТ (повторная планирующая компьютерная томография).

Обсуждение

Несмотря на то, что КЛКТ является распространенной технологией получения изображений для фотонной терапии, она все еще не доработана для применения в протонной терапии. В связи с растущей доступностью КЛКТ возникает необходимость понимания того, как ее использовать для адаптации лечения и  в чем заключаются связанные с ней сомнения. Мы оценили адаптивный рабочий процесс лучевой терапии, основанный на ДРИ, который использует дозы, рассчитанные в изменяющейся геометрии. Landry с соавт. Также оценивали расчеты протонной дозы, основанные на ДРИ и КЛКТ на деформируемом фантоме, но, в отличие от этой работы, те исследования были меньше сфокусированы на дозиметрии и эффектах от различных стратегий лечения. Расчет дневной дозы непосредственно по КЛКТ был широко изучен для фотонной терапии. Оба подхода могут эффективно использоваться после дальнейшей доработки, потому как протонная терапия требует большей осторожности. Мы выяснили, что использование дКТ дает более точные результаты, нежели использование калиброванной КЛКТ. Визуальная оценка полученных доз показала, что большим объемам изображений свойственна большая степень шума и меньшая контрастность и это является главным источником ошибок в перерасчете протонной дозы непосредственно по КЛКТ. Мы не достигли полной оптимизации получения изображений на КЛКТ, которая могла бы раскрыть ее полный потенциал. Поэтому расчеты доз были показательными, но недостаточно точными. Расчеты доз напрямую по КЛКТ скорее требуют более сложных методов, учитывающих вариабельность размеров пациента и графических артефактов, чем единственная калибровочная кривая, полученная при исследовании простого фантома. Однако, это не входило в планы данного исследования.
 
Результаты исследования сходства доз между дКТ и ппКТ оказались многообещающими для протонной терапии, даже несмотря на то, что для ЛТМИ они существенно ниже. Оценка дозы для ПТМИ3В была менее точной в областях с высоким дозовым градиентом, но при этом была достаточно точна в клинически наиболее важных областях (TV и критические органы). Мы пришли к выводу, что главным ограничением в нашей работе оказалось отсутствие идеального золотого стандарта. Мы считаем, что не было необходимости подвергать пациента дополнительному ненужному (с точки зрения клинических перспектив) облучению, проводя дополнительную КЛКТ в тот же день, когда требовалось производить ппКТ, т.к. в любом случае неизбежны различия в позиционировании больного на КЛКТ и пКТ, т.к. сканеры расположены в разных кабинетах. Мы считаем, что применение несовершенного золотого стандарта отразилось на результатах нашего исследования скорее негативно, чем позитивно. Это заключается в том, что любое несоответствие между пКТ и симулированной КЛКТ мешает нашему методу показать лучший результат. Конечно, такая ситуация может возникнуть случайно, если ошибки при регистрации пКТ окажутся прямо противоположными ошибкам при генерировании симулированной КЛКТ, но, на наш взгляд, такая ситуация нежелательна. К тому же, мы оценили эффект от использования несовершенного золотого стандарта, дополнительно производя такой же анализ на деформированной КТ, получаемой путем искажения пКТ таким образом, чтобы она соответствовала ппКТ (дКТппКТ). В данном случае геометрические данные оказываются верными. Исходя из этого, неточности, вызванные применением несовершенного золотого стандарта, должны крыться в между значениями, упомянутыми в этом докладе, и теми, что мы получили на основании дКТппКТ. Мы рассчитали эту дополнительную погрешность в поле зрения КЛКТ для протонных планов, и она составила примерно 5% и 1,5% от ПД для ТРД2%-пп и ТРДск соответственно. Дополнительным ограничением стала малая выборка пациентов. В то же время, такая выборка является достаточной для доказательства концепции, что и сделано в настоящем исследовании. Для полного охарактеризования неточностей в расчетах дневной дозы, основанных на КЛКТ и ДРИ, потребуются исследования с большими выборками.
 
Предложенный метод потенциально полезен для применения в адаптивной протонной терапии, но для того, чтобы повысить его надежность в областях с высокими градиентами доз, требуется дальнейшая работа. Мы определили 3 главных направления в рабочем процессе адаптивной протонной терапии, основанном на КЛКТ и ДРИ, которые в дальнейшем следует проработать: 1 – алгоритм записи, 2 – захват изображений с помощью КЛКТ для адаптивной лучевой терапии и 3- робастность лечебного плана:
 
1 – Протонные планы более чувствительны к неточностям при записи. И это при том, что мы использовали современный алгоритм записи, имеющийся в NiftyReg, который является многоцелевым алгоритмом, разработанным для применения с разнообразными медицинскими изображениями, полученными разными способами в разных анатомических областях. Многоцелевые алгоритмы можно сделать более реалистичными путем включения дополнительных ограничений (например, чтобы избежать деформации костей). В то же время, можно использовать алгоритмы, специально разработанные для специфической зоны, такие как алгоритмы, основанные на биомеханике, которые моделируют физические свойства тканей. Также требуется работа над устранением ослабляющего эффекта иммобилизирующих приспособлений. В целях упрощения мы исключили маску и кушетку из расчетов доз, но фактически маска способна значительно повлиять на ослабление протонных пучков.
 
2 – Информация, полученная при КЛКТ должна быть адекватной в плане потерь важных геометрических данных из-за ограниченного поля зрения. В частности, это касается ее применения в адаптивной протонной терапии. В связи с тем, что длина скана, получаемого на КЛКТ ограничена геометрией системы, наиболее подходящим решением для больших терапевтических объемов является получение 2 последовательных изображений. Дальнейшее улучшение качества изображений также упростит их запись.
 
3 – Распределение доз при ООД3В и ПТМИ5В было менее чувствительно к ошибкам записи, чем при ПТМИ3В, что может быть связано с робастностью плана. В процессе робастной оптимизации лечебного плана можно выработать планы, которые сохраняют покрытие мишени и при этом щадят нормальные ткани несмотря на ошибки позиционирования и различные неточности. Робастное планирование будет играть важную роль в минимизации и учитывании проблем, вызванных анатомическими изменениями и сможет использоваться при создании планов, менее чувствительных к ошибкам записи.
 
Уровень точности, необходимый для расчета доз будет определяться конечной целью. К примеру, если целью является использование дневной дозы для определения, какие пациенты получат выгоду от повторного планирования, то требования к точности не обязательно должны быть высокими, т.к. решение о повторном планировании выносится клинически и индивидуально для каждого пациента. Крайне важно для клинического внедрения метода охарактеризовать ошибки и неточности, свойственные расчетам доз и разработать методы, которые их строго учитывают.
 
Это исследование подтолкнуло нас к выводу, что качество изображений на КЛКТ было бы таким же, если бы система была монтирована на голову линейного ускорителя, но это требует проверки. Большее расстояние между источником и приемником и гибкость поддерживающей системы, усиливаемая гравитацией, повышают магнитуду геометрических искажений в сравнении с фотонными системами, и ухудшают процесс реконструкции изображений на КЛКТ. В ходе протонной терапии необходимо проверять наличие таких ухудшений сразу, как только становятся доступны данные КЛКТ. Худшее качество изображений с большей вероятностью скажется на расчетах доз напрямую по КЛКТ, чем по дКТ.
 
Как показали различия в дозах между пКТ и ппКТ, несмотря на то, что предложенный метод все еще не является оптимальным и определенно требует доработок, неоспорим тот факт, что адаптация лечения в протонной терапии очень важна. Для каждого пациента необходимо прогнозировать область действия протонных пучков настолько точно, насколько это возможно не только на этапе планирования, но и в процессе лечения. Благодаря внедрению КЛКТ стало возможным узнавать, как доставляется протонная доза в процессе лечения и адаптировать терапию в режиме реального времени. Также это позволяет с большей уверенностью подходить к лечению протонами, не опасаясь выйти за безопасные пределы и полностью использовать потенциал данного способа лечения. Представленная схема не привязана только к областям головы и шеи, и может быть в дальнейшем адаптирована для других областей. Однако, потребуется специфическая проверка для каждой области, потому что важно, чтобы алгоритм ДРИ был адаптирован к специфике сканируемой области и к качеству изображений, получаемых в заданных объемах.
 

Заключение

Мы представили работу, рассматривающую использование КЛКТ и ДРИ в адаптивной протонной терапии. Несмотря на то, что этот метод показал себя в протонной терапии хуже, чем в ЛТМИ, учет анатомических изменений для протонной терапии не менее важен, поэтому и полученные результаты оказались многообещающими. Улучшения записи, получения изображений и стратегий планирования позволят применять ежедневную КЛКТ в адаптивной протонной терапии.
  
Награды: 

  • Catarina Veiga получила грант Фонда науки и технологии (SFRH/BD/76169/2011), финансируемого Европейским социальным фондом, Оперативной программой человеческого потенциала, Национальным стратегическим справочником и Европейским Союзом.
  • Jailan Alshaikhi был награжден Бюро культуры королевского посольства Саудовской Аравии в Соединенном Королевстве и Ирландии и Министерством высшего образования Саудовской Аравии.
  • Marc Modat и Sebastien Ourselin получили поддержку от Национального института исследования здоровья (NIHR), Комплексного медико-биоло
Авторы:
перевод - Николай Лубяной, адаптация - Анна Кучмий
Источник:
Поделиться:

Статьи по теме

О методе лечения
Предварительные результаты протонной терапии немелкоклеточного рака легкого III стадии

Во всем мире продолжает расти заболеваемость раком легких, и данное заболевание остается одной из наиболее распространенных причин смертности онкологических пациентов 1. Рак легких составляет около 20% смертей, связанных с онкологическими заболеваниями, что составило примерно 70000 смертей за один год 2. Клинические исходы рака легких улучшились с введением химиолучевой терапии, но прогноз неоперабельного НМРЛ III стадии остается неблагоприятным. Для пациентов с III стадией немелкоклеточного рака легкого ПТ может оказаться вариантом эффективного и безопасного лечения. 

О методе лечения
Подготовка педиатрических пациентов перед проведением протонной терапии

Анестезия часто используется в протонной терапии (ПТ) для педиатрических пациентов, что может продлить время процедуры. Целью исследования было изучение подготовки педиатрических пациентов для обеспечения бесперебойную работу ПТ.

О методе лечения
Каковы преимущества протонной терапии для больных раком молочной железы?

Точность и низкое воздействие излучения при протонной лучевой терапии являются неинвазивными, и этот малоопасный метод для лечения рака молочной железы используется для уничтожения раковых клеток или тканей.

О методе лечения
Клиническое исследование о применении протонотерапии в лечении рака анального канала

ЦИНЦИННАТИ — Клиническое исследование, проходившее в медицинском центре детской больницы Цинциннати /центре протонной терапии УЦ, изучает особенности данного вида излучения, чтобы улучшить исходы и качество жизни пациентов с раком анального канала.

О методе лечения
Лечение глиобластомы с помощью протонной терапии

Сейчас многие из наших пациентов, имеющих глиобластому, живут гораздо дольше, чем это было в прошлом. Снижая объём здоровых участков головного мозга, подвергающихся облучению при лучевой терапии, мы надеемся, что пациенты будут иметь лучшие когнитивные функции, лучшее качество жизни, и это имеет значение не только для пациентов, но также и для их семей и лиц, осуществляющих уход за ними.

О методе лечения
ОБЭ протонов: 1,1 — это просто миф?

Раде Мохан продемонстрировал результаты опытов, во время которых ОБЭ была исследована на разной глубине сканирующих протонных лучей и по множественным клеточным линиям.

О методе лечения
Тематический обзор: Значения относительной биологической эффективности (ОБЭ) для протонной лучевой терапии. Вариации в зависимости от биологических параметров, дозы и линейной передачи энергии

Основанный на доступных в опубликованной литературе экспериментальных данных, данный обзор содержит анализ взаимосвязи ОБЭ с дозой, биологической системой и физическими свойствами протонных лучей. 

О методе лечения
Повторное Облучение с помощью Протонной Терапии при Рецидивных Глиомах

Повторное протонное облучение рецидивных глиом, в целом, переносится хорошо и связано с благоприятной долгосрочной выживаемостью у пациентов с НСГ и глиомами III степени. Коэффициент возникновения лучевого некроза составил 10%, что является незначительным показателем, учитывая высокую суммарную дозу облучения у этих пациентов.

О методе лечения
Задержка дыхания безопасна при проведении протонной терапии с PBS

Протонная терапия с использованием PBS (сканирования карандашным пучком) передает к опухоли более точную дозу облучения по сравнению с пассивно рассеянными протонами или протонной терапией. Тем не менее, при лечении опухолей в движущихся органах, например, в легких, могут возникнуть сложности, вызванные несовпадением между движением опухоли и движением протонного луча. 

О методе лечения
Трудности использования протонов для лечения детей

Благодаря своей способности передавать высокодозное конформное облучение при минимальном воздействии на ткани, не подлежащие облучению, протонная терапия идеально подходит для пациентов детского возраста. Но, как пояснила Анита Махаян на собрании  PTCOG 52 в г. Эссен (Германия), при лечении детей врачи сталкиваются со специфическими трудностями и ограничениями.

О методе лечения
7-летняя девочка из Индианы с опухолью мозга проходит специальное лечение протонами

У Линли доброкачественная опухоль мозга величиной с грецкий орех, которая называется краниофарингиома. Она окружает железу, регулирующую выработку жизненно важных гормонов и может вызвать нарушения зрения.

О методе лечения
Протонная терапия «так же эффективна и менее токсична»

Протонная терапия так же эффективна для лечения медуллобластомы — опухоли мозга у детей, — как и традиционная лучевая терапия; более того, она имеет меньше отдаленных побочных эффектов, таких как потеря слуха и когнитивные расстройства. К такому выводу пришли эксперты Массачусеттской многопрофильной больницы (MGH) в результате проведенного исследования.

О методе лечения
Протонная терапия рака анального канала с применением технологии сканирования тонким карандашным пучком

Представлено исследование, сопоставляющее планы лечения фотонной лучевой терапии (IMRT) и сканирующей протонной лучевой терапии (PBT) плоскоклеточного рака анального канала. Планы PBT предлагают значительное снижение (>50%, P=0.008) доз облучения тонкого кишечника, костного мозга в тазовых костях, тем самым предлагая потенциальную возможность снижения облучения кишечника и гематоксичности.

О методе лечения
Семья на седьмом небе от счастья – рак Дестини в стадии ремиссии

Маленькая девочка, сражавшаяся за свою жизнь, наконец начала побеждать, и рак отступает.

О методе лечения
Перспективы и препятствия радиотерапии тяжелыми частицами. Часть I

Протонная терапия как наиболее распространенная форма радиационной терапии с использованием тяжелых частиц не является новым изобретением, но она получила большую огласку в связи с высокой ценой установки оборудования и эксплуатации в быстро возрастающем количестве лечебных центров

О методе лечения
Перспективы и препятствия радиотерапии тяжелыми частицами. Часть II

Протонная терапия как наиболее распространенная форма радиационной терапии с использованием тяжелых частиц не является новым изобретением, но она получила большую огласку в связи с высокой ценой установки оборудования и эксплуатации в быстро возрастающем количестве лечебных центров

О методе лечения
Протонная терапия и химиотерапия для лечения мелкоклеточного рака легких

Флоридский институт протонной терапии представил результаты лечения одновременной химиотерапией и протонной терапией первых шестерых больных мелкоклеточным раком.

О методе лечения
А знали ли вы?

О методе лечения
Протонная терапия оказалась единственной надеждой для женщины из Нью-Йорка которая испытала на себе последствия традиционной лучевой терапии

В течение 13 лет Мэри Ланути жила здоровой женщиной, любящей свой дом и семью. Но побочный эффект традиционной радиотерапии, использовавшейся для лечения рака прямой кишки 13 лет назад, проявился. Мэри была шокирована обнаружив что она снова больна раком.

 

О методе лечения
Случай для протонной терапии

Из разговора на встрече Американского Сообщества Клинической Онкологии: Анита Махаджан, глав-врач из Техасского Университета M.D. Anderson Cancer Center в Хьюстоне.

О методе лечения
О режиме активного сканирования карандашным пучком (PBS)

Как известно, протонная терапия является наиболее безопасным и совершенным методом, с точки зрения снижения побочных эффектов. Но при этом технология подведения пучка к опухоли не стоит на месте и продолжает развиваться.

О методе лечения
Протонная терапия: достижения и значимые преимущества

Мы являемся свидетелями новой эры протонной терапии. В течение трех последних десятилетий исследования были сфокусированы в основном на случаях при опухолях головного мозга, простаты и случаях в педиатрии. Теперь исследователи обратили внимание на клинически значимые преимущества метода в случаях с высоким уровнем заболеваемости. Особенно это относится к раку легкого и раку молочной железы. Начальные результаты доказывают перспективность работ, особенно для рака легких, который остается опасностью №1.

О методе лечения
Пациенты, получавшие лечение рака предстательной железы (РПЖ) на системах протонной терапии, довольны результатами

Исследования, относящиеся к раку предстательной железы у пациентов, получавших протонную терапию, показали хороший результат и общую удовлетворенность лечением.В докладе, опубликованном на прошлой неделе на Национальной Конференции Протонной Терапии в Вашингтоне, округ Колумбия, включил 2,000 пациентов, с 1991 по 2010 год прошедших курс протонной терапии в ходе лечения рака простаты.

О методе лечения
Протонная терапия: неизведанные границы и доказанные клинические результаты

Эффективность протонной терапии при лечении рака была успешно доказана на опыте лечения более 83 000 пациентов.