Conformal stråleterapi & IMRT

R

http://www.nrpa.no/dokumentarkiv/StralevernRapport12_2003.pdf

Volumer og marginer

Volumer og marginer

Volumer og marginer

Volumer og marginer

Volumer og marginer

CRT &IMRTCRT &IMRT

Tidlig stråleterapi kjente ikke til begrepet konformal terapi, likevel var de tidligste klinikere opptatt av å begrense volumet som ble bestrålt.

CRT &IMRT

Område som ønskes bestrålt - d.v.s tumor (rødt), område som ikke ønsker bestrålt, d.v.s ryggmarg (blått).

Conformal terapi= ’skreddersydd’ terapi

CRT &IMRT

• “Conformity index” er et mål på hvor vel avgrenset dose-fordelingen er i forhold til svulstvevet:

CI=Vtarget/Vtreated

• Konvensjonell behandling gir relativt lav CI; en betydelig økning i denne faktor kan oppnås ved intensitetsmodulert stråleterapi – IMRT.

Vtarget

Vtreated

CRT &IMRT

The crucial question:

‘a little to a lot or a lot to a little’

Which DVH corresponds to the

lowest NTCP

?

dose

Rectal volume

conv.

IMRT

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

0 0.2 0.4 0.6 0.8

Damaged Organ Fraction

NT

CP

Rectal bleedinggrade 1-3 -Fenwick et al.

Hepatitis -Jackson et al.

Mean functional reserve = 0.28 for rectum

CRT &IMRT

Conformal terapi forutsetter en viss volumeffekt i det vev/organ hvor man ønsker redusert reponsFor en del organer er denne effekten til stede, men ikke alt vev (jfr. seriell vs. parallell vevs-arkitektur.

CRT &IMRT

• Volumeffekten i normalvevs-strålebiologi angir hvordan doseresponskurven påvirkes av bestrålt volum.

• Dose-responskurven for hud flyttes mot lavere dosenivå ved økt bestrålt areal.

CRT &IMRT

• Økende bestrålt volum gir redusert toleranse

• Toleransedose ved et gitt lungevolum er avhengig av hvor i lungen det bestrålte volum befinner seg.

Late toxicity in the rectum is dependent on the tissues functional architecture

Rectum

FSU

High-dose box

Prostate

FSU

High-dose box

Rectum

Prostate

Dale, Olsen & Fosså 1999

CRT &IMRT

CRT &IMRT

Hensikten med IMRT (intensitetsmodulert stråleterapi) er å oppnå en mer avgrenset stråledose til tumorvev, uten samtidig å gi høye stråledose til normalvev og kritiske organer.

Dersom enkelte deler av tumor trenger større stråledoser, for eksempel fordi disse områdene er dårlig oksygenert og dermed mindre stråle-følsomme, kan IMRT gi en tilsiktet heterogen fordeling av stråledose i tumorvevet.

CRT &IMRT

Invers planleggingVed invers planlegging spesifiseres krav til DVH som dose-beregningsprogrammet skal oppnå gjennom å regne ut den optimale kombinasjonen av felt og segmenter.

Eksempel på DVH av normalvev

CRT &IMRT

U=wiNTCP wo

(1-TCP)

orU=wi

DOAR wo(1-DTV)

where w are weight factors, D is any descriptive dose measure, NTCPi is the probability of a given toxicity (end-point) of an organ i, and TCP is the tumour control probability.wi is not always a fixed parameter but rather a function, e.g. may w= for the spinal cord, i.e. w=0 for d<50 Gy and w=1 for >50 Gt.

i

i

CRT &IMRT

Tumor (rødt) om-kranset av strålefelt (grønn).

Strålefelt oppbygd av ulikt antall segmenter og dose-nivåer

Røntgenfilm som viser tilsvarende dosefordelingen i strålefeltet

CRT &IMRT

Seg.1 Seg. 2 Seg.3 Seg.4 Seg.5 Seg.6 Seg.7

Et strålefelt bygges opp av ulike segmenter, hvert med en spesifikk dose

CRT &IMRT

Ulike segmenter oppnås ved å justere åpningen mot strålekilden under behandling

Total

stråledose

CRT &IMRT

En rekke strålefelt, bygd opp av mange segmenter rettes inn mot tumor for å gi tilsiktet dose til hele svulsten tumor er satt under kryssild.

CRT &IMRT

Ved IMRT fordeler stråle-dosen seg rundt tumor (rød), uten at kritiske organer som ryggmargen belastes for mye

• Jointer and others reported on an increased cell kill at doses per fraction of 0.25-0.75 Gy compared to conventional cell survival curves (HRS).

• This has been named ”hypersensitivity at low doses”.

Sur

vivi

ng f

ract

ion

- S

F

Dose (Gy)

M. Joiner at al. 2001

CRT &IMRT

• The biological effect, corresponding to a total dose of 50 or 70 Gy was calculated for different fraction sizes, taking into account the radiation hypersensitivity.

• An increased effect may be seen at dose per fraction lower than 0.6 Gy

70 Gy equivalent

50 Gy equivalent

CRT &IMRT

CRT &IMRT

The consequence

Normal tissue and organs at risk are usually spared by distributing the dose to a larger volume and to a dose level of 1/6-1/3 of the intended tumour dose.

• The dose to these tissues may then vary from 0.3-0.7 Gy.

• Radiation hypersensitivity may cause a substantially larger biological effect than expected due to the low dose hypersensitivity.

D. Dearnaley at al. Lancet 1999

Conformal stråleterapi

• Dearnaley et al. har publisert den eneste randomiserte studie mellom konvensjonell teknikk og konformal stråleterapi.

• Studien demonstrerer redusert senskade hos prostata-pts. som behandles med konformal teknikk.

• Det finnes radioaktive forbindelser som søker seg fram til svulsten, bl. annet merkede monoklonale antistoffer mot molekyler på tumorcellenes overflate.

• Fra disse radioisotopene sendes det ut stråling som kan drepe kreftcellene

• Slik behandling må ofte kombineres med ekstern strålebehandling.

RIT

Normal og destruert trabekelnettverk i bein

-partikkel-track i tumorvev

RIT

Eksempel på opptak av en målsøkende radioaktiv for-bindelse, vist ovenpå et CT-bilde

RIT

RITRadioisotopes (Samarium-EDTMP) may be used both for therapy and imaging, as in this sarcoma patient.

Up-take of samarium indicate tumour activity and may be used for guiding external boost.

”Hadrons for health”

R

Protons are superior to photon-therapy, because:

• Decreased normal tissue toxicity

• Escalation of dose

• Possibility of increased cure rates?

• The ability to re-treat tumors after recurrences

• Re-evaluation of the treatment of some benign diseases

PROTONS

• Protoner gir maksimal doseavsetning i et gitt dyp svarende til Bragg-peak, i motsetning til fotoner hvor dosemaks. ligger nær overflaten.

• Ved å benytte ulike energier kan området som Bragg-peaken dekker gis ønsket dybde.

Dybdedosefordeling, d.v.s. Doseavsetning som funksjon av dyp i pasienten, for fotonstråling og singel-energi proton-stråling.

PROTONS

Elektroner og Bragg-peak

Sum av et knippe med protonstråler med ulik energi gir et dose-platå; dette kan tilpasses tumor-utstrekning og dermed gi en vel avgrenset dosefordeling

PROTONS

Protonterapi gir en C.I. nærmere 1 enn andre kjente behandlings-teknikker

PROTONS

Proton

Spread-out Proton Peak

22 MV X-rays

22 MeV electrons

Co-y rays

200 kV X-rays

0 10 20 30

Depth in Tissue (cm)

3

2

1

4R

elat

ive

Dos

e

Bragg Peak

PROTONS

Depth dose distribution of protons vs. photons

PROTONS

Normal tissue doses following photon vs.

proton irradiation.

PROTONS

Proton facility at Paul Sherer Institute, Switzerland.

PROTONS

PROTONS

Metz JM, Stipp D, Hahn SM, Masters HM, Levin WP, McDonough J.

University of Pennsylvania

Comparison between proton and photons for pancreatic cancer

PROTONS

Dose-volume histogram for the CTV

PROTONS

Dose-volume histogram for the spinal cord

PROTONS

Dose-volume histogram for the liver

PROTONS

Dose-volume histogram for the liver

PROTONS

Dose-volume histogram for the kidey

Mean dose to organs at risk for 50% of the organ volume

Structure Photon Dose (Gy) Proton Dose (Gy) Dose Reduction p-valueSpinal Cord 27 6 78% .003

Liver 22 10 55% .061Right Kidney 14 8 43% .059Left Kidney 11 3 73% .025

PROTONS

X-RAYSX-RAYS PROTONSPROTONS

Medulla blastomaMedulla blastomairradiation in pediatric irradiation in pediatric cancercancer

100

60

10

Note greatly Note greatly decreased dose to decreased dose to the heartthe heart

PROTONS

X-RAYS

PROTONS

100

60

10

PROTONS

Medulla Medulla blastomablastomairradiation in irradiation in pediatric cancerpediatric cancer

ProtonsProtons X-raysX-rays

PROTONSIrradiation of the H&N-Irradiation of the H&N-regionregion

IMPT IMXTIMPT IMXTProtonsProtons XraysXrays

PROTONSIrradiation the lung Irradiation the lung tumourstumours

BNCT er en behandling der pasienten bestråles med termisk nøytroner Nøytronene har lav energi og avsetter liten dose i pasienten. Bestrålingen kombineres imidlertid med injeksjon av bor-atomer i forkant av behandling.

Pasient plassert foran en nøytron-kanon

BNCT

Disse tas opp i tumor. Der nøytroner treffer bor-atomer, fanges disse inn i kjernen. Bor-atomer blir radioaktivt og sender ut kraftig partikkel-stråling.

Kombinasjon av nøytronbestråling og opptak av bor-atomer i tumor, gir meget lokalisert bestråling slik som illustrert for denne pasienten med hjerne-svulst.

Dosefordeling etter BNCT; rød linje representerer høyest dose.

BNCT

Lokalisert bestråling gjør det mulig å gi store stråledoser til tumorvev, samtidig som belastningen til normalt vev og organer holdes på et lavt, akseptabelt nivå.

BNCT konsentrerer dosen til tumor, mens stråle-belastningen til normalt hjernevev blir lav.

BNCT