Overzicht

Evaluatie van een radiotherapeutisch 3D surface scanner systeem voor patiënt positionering en intrafractie monitoring

12 februari 2018

(Laatst aangepast: 13-02-2018)

Evaluatie van een radiotherapeutisch 3D surface scanner systeem voor patiënt positionering en intrafractie monitoring

Artikelen

Bij radiotherapeutische bestralingen is het erg belangrijk dat de patiënt stil blijft liggen. Normaal gesproken wordt dit alleen visueel in de gaten gehouden waardoor kleine bewegingen niet ontdekt worden. Sinds enkele jaren zijn er ook systemen die de patiënt in de gaten houden (monitoren) tijdens een bestraling. Op deze manier kan op de millimeter nauwkeurig bepaald worden hoe de patiënt beweegt en kan er zo nodig worden ingegrepen. Nieuwsgierig naar hoe stil patiënten blijven liggen tijdens een bestraling? Lees dan verder!

Introductie

Binnen de radiotherapie is accurate patiënt positionering cruciaal voor een nauwkeurige en doelgerichte behandeling. Tegenwoordig worden de conebeam computed tomography (CBCT) en orthogonale X-rays klinisch gebruikt om de positie van de patiënt te corrigeren voordat er gestraald wordt. Deze technieken zijn helaas niet geschikt voor continue intra-fractie monitoring aangezien hierdoor een onacceptabele hoge verificatie dosis gegeven wordt. Optische 3D surface scanners bieden een oplossing voor dit probleem. Daarom kunnen de surface scanners zeker geschikt zijn voor intra-fractie patiënt monitoring.

 

Het doel van dit onderzoek was om de nauwkeurigheid van een 3D surface scanner systeem (AlignRT) te evalueren voor patiënt positionering en intra-fractie monitoring. Dit werd geëvalueerd tijdens diepe inspiratie breath-hold (BH) en vrije ademhaling (FB) radiotherapie behandelingen bij patiënten met tumoren in de borst, thorax of bekken.

Materialen en methode

De patiënten cohorten bestonden uit 18 borstkanker patiënten (12 BH, 6 FB), 7 thorax patiënten (FB) en 2 bekken patiënten (FB). De BH werd klinisch gereguleerd met de active breathing coordinator (ABC) van Elekta. Voor de BH patiënten werden alleen de BH periodes meegenomen in de analyse. Belangrijk om te vermelden is dat AlignRT alleen gebruikt werd om data te verzamelen, het systeem werd niet klinisch gebruikt om de BH te reguleren. Bij alle patiënten vond er online positieverificatie plaats door middel van een CBCT. Gedurende de CBCT acquisitie en gedurende de klinische behandeling was AlignRT de patiënt aan het monitoren. AlignRT monitorde het oppervlak van de patiënt dat dichtbij het doelgebied lag welke vergeleken werd met het oppervlak van de patiënt van de planning-CT. Deze vergelijking resulteerde in de AlignRT positioneringsfouten. Gemiddeld werden er 9 fracties per patiënt gemonitord. Positioneringsfouten van het oppervlak en het doelgebied van de patiënt met betrekking tot de planning-CT werden bepaald op basis van de CBCT. De positieafwijkingen gevonden met AlignRT werden vergeleken met die bepaald met de CBCT. De verschillen tussen de CBCT en AlignRT positioneringsfouten werden bepaald alsook de correlatie hiertussen. In totaal zijn 260 fracties meegenomen in de vergelijking tussen AlignRT en de CBCT.

 

Daarnaast werd AlignRT nog gebruikt om de gemaakte BHs te analyseren op intra-fractie reproduceerbaarheid en stabiliteit. De reproduceerbaarheid werd bepaald door de verschillende BH plateaugebieden te vergelijken en de stabiliteit door het verschil in start- en eindpositie van de BH te berekenen. In totaal zijn 1495 BHs geanalyseerd welke tijdens de behandeling gemaakt zijn.

Resultaten

Figuur 1 laat de verschillen zien tussen de positioneringsfouten van AlignRT en de CBCT’s welke gematcht zijn op het doelgebied en het oppervlak van de patiënt in drie richtingen: links-rechts (LR), cranio-caudaal (CC) en anterior posterior (AP). De verschillen zijn het kleinste in de borstkanker BH groep waarbij de CBCT gematcht is op het oppervlak (maximale gemiddelde afwijking is 0.39±2.31 (1SD) mm in de LR en de CC richting). Ter vergelijking, de borstkanker BH groep waarbij de CBCT gematcht is op het doelgebied resulteerde in een maximaal gemiddelde afwijking van 1.77± 2.56 mm in de AP richting. Voor de thorax patiënten groep was de maximale gemiddelde afwijking -2.48 ± 2.39 mm (CC richting) gebaseerd op de oppervlak gematchte CBCT’s en was -1.83 ± 2.76 mm (CC richting) op de doelgebied gematchte CBCT’s. De standaard deviatie was in de CC richting voor de bekken groep twee keer zo groot als voor de andere patiëntengroepen.

 

Figuur 1: De gemiddelde afwijkingen in positioneringsfouten tussen AlignRT en de CBCT (oppervlakte en doelgebied gematcht) voor de verschillende patiëntengroepen. De afwijkingen worden weergeven in 3 richtingen: Rechts-Links (RL), Cranio-Caudal (CC) en Anterior-Posterior (AP). De foutenbalken zijn ±1SD.]

 

Figuur 2 laat de 95% betrouwbaarheidsintervallen zien voor de verschillende patiëntengroepen en per richting afzonderlijk. Hoe kleiner dit interval, hoe beter de CBCT en AlignRT met elkaar overeenkomen.  Het interval was minimaal voor de borstkanker patiënten, 0.3±3.8mm, en was groter voor de thorax patiënten, -0.3±4.2mm en was het grootste voor de bekken patiënten, 1.3±6.8mm. Het interval is ook voor de BH en FB borstkanker patiënten afzonderlijk bepaald waar er nauwelijks verschil zichtbaar was: 0.4±3.6mm voor de BH borstkanker patiënten en 0.1±3.9mm voor de FB borstkanker patiënten.

 

Figuur 2: Bland-Altman plots van het verschil tussen de CBCT match (oppervlakte gematcht) en de AlignRT match vs. het gemiddelde van deze waarden. De doorlopende lijn is het gemiddelde over alle datapunten in de grafiek, waar de onderbroken lijn de 95% betrouwbaarheidsinterval weergeeft. Deze is berekend als: gemiddelde ± 1.96xSD. Dit interval geeft aan waar binnen 95% van de CBCT-AlignRT verschillen liggen. Hoe kleiner dit interval, hoe beter de CBCT en AlignRT overeenkomen met elkaar. ]

 

 

In tabel 1 worden de correlatiecoëfficiënten gepresenteerd van scatterplots van de CBCT (oppervlak en doelgebied) versus de AlignRT positioneringsfouten. Gemiddeld gezien is de correlatie het hoogste voor de CBCT’s welke op het oppervlak gematcht zijn. Interessant is ook dat de correlatie het hoogste is in de thorax patiënten groep (gemiddelde R2 = 0.72 oppervlak gematcht en gemiddelde R2=0.54 doelgebied gematcht). De correlatie in de CC richting voor de bekken patiënten is 0 ongeacht hoe de CBCT gematcht is.

 

Tabel 1: De correlatiecoëfficiënten voor de verschillende vergelijkingssituaties. Voor de 3 verschillende patiënten groepen zijn de AlignRT positioneringsfouten vergeleken met de positioneringsfout van de CBCT, welke op het oppervlak en het doelgebied gematcht was.]

 

 

Tabel 2 laat de resultaten zien van de reproduceerbaarheid en de stabiliteit van de gemaakte BH. De intra-fractie BH reproduceerbaarheid was gemiddeld 2.3-2.9 mm en maximaal 12.4 mm. De stabiliteit varieerde tussen de -1.0-2.3 mm en was maximaal 14.1 mm.

 

Tabel 2: De gemiddelde en maximale afwijkingen van verschillende vergelijkingen bepaald door AlignRT in de 3 richtingen. ]

Verschil in set-up fouten tussen AlignRT en de CBCTFiguur 1: De gemiddelde afwijkingen in positioneringsfouten tussen AlignRT en de CBCT (oppervlakte en doelgebied gematcht) voor de verschillende patiëntengroepen. De afwijkingen worden weergeven in 3 richtingen: Rechts-Links (RL), Cranio-Caudal (CC) en Anterior-Posterior (AP). De foutenbalken zijn ±1SD.

Bland-Altman plots tussen de CBCT en AlignRT voor de verschillende patiëntengroepenFiguur 2: Bland-Altman plots van het verschil tussen de CBCT match (oppervlakte gematcht) en de AlignRT match vs. het gemiddelde van deze waarden. De doorlopende lijn is het gemiddelde over alle datapunten in de grafiek, waar de onderbroken lijn de 95% betrouwbaarheidsinterval weergeeft. Deze is berekend als: gemiddelde ± 1.96xSD. Dit interval geeft aan waar binnen 95% van de CBCT-AlignRT verschillen liggen. Hoe kleiner dit interval, hoe beter de CBCT en AlignRT overeenkomen met elkaar.

Correlatiecoëfficiënten tussen AlignRT en de CBCTTabel 1: De correlatiecoëfficiënten voor de verschillende vergelijkingssituaties. Voor de 3 verschillende patiënten groepen zijn de AlignRT positioneringsfouten vergeleken met de positioneringsfout van de CBCT, welke op het oppervlak en het doelgebied gematcht was.

Overzicht bewegingen breath-hold patiënt tijdens het maken van een CBCTTabel 2: De gemiddelde en maximale afwijkingen van verschillende vergelijkingen bepaald door AlignRT in de 3 richtingen gedurende het maken van de CBCT.

Discussie

Er werd verwacht dat de verschillen tussen AlignRT en de CBCT het kleinste zijn wanneer de CBCT gematcht is op het oppervlak, omdat dan beide systemen naar hetzelfde gebied van de patiënt kijken. De verschillen in Figuur 1 tussen de beide CBCT match methoden zijn daarom kleiner dan verwacht. Een duidelijk verschil is wel dat in het algemeen de afwijking in de AP richting groter is wanneer de CBCT gematcht is op het doelgebied. Dit kan ontstaan wanneer er een systematische fout zit tussen het oppervlak van de patiënt en het doelgebied in de patiënt. De verschillen zijn minimaal voor de borstkanker BH patiënten wanneer de CBCT gematcht is op het oppervlak. Dit komt hoogstwaarschijnlijk doordat gedurende de BH de borst nagenoeg stil ligt, zonder ademhalingsamplitude. Dit zorgt ervoor dat er weinig bewegingsonzekerheid ontstaat en het verschil hierdoor minimaal is. Ook is duidelijk te zien dat de standaard deviatie het grootste is voor de bekken patiënten, voornamelijk in de CC richting, ongeacht hoe de CBCT gematcht is. Dit kan mogelijk verklaard worden doordat het voor AlignRT lastiger is om dit gebied te monitoren aangezien het oppervlak van de patiënt hier erg vlak is. Daarnaast bestaat deze bekken groep nog maar uit 2 patiënten. Om er meer accurate data te presenteren moet de groep worden uitgebreid.

 

Zoals verwacht werd, zijn de 95% betrouwbaarheidsintervallen het kleinste voor de borstkanker patiënten. Dit betekent dat gemiddeld 95% van de CBCT vs. AlignRT verschillen binnen de 0.3±3.8mm ligt. Dit is nauwkeurig en daarom zou AlignRT ook gebruikt kunnen worden om patiënten mee te positioneren. De scatterplots laten zien dat over het algemeen de correlatie het hoogst is wanneer de CBCT gematcht is op het oppervlak, zoals ook verwacht werd. Interessant is om op te merken dat de correlatie het hoogste is voor de thorax patiënten: gemiddelde R2 van 0.58 voor borstkanker, 0.72 voor thorax patiënten en 0.29 voor de bekken patiënten. Dit zijn gemiddelde waardes wanneer de CBCT op het oppervlak gematcht is. Dit duidt er dus op dat gemiddeld gezien AlignRT het beste overeenkomt met het oppervlak van de thorax. De correlatie is aanzienlijk hoger wanneer de CBCT gematcht is op het doelgebied in het bekken in de LR richting. Dit verschil is lastig te verklaren, behalve door te noemen dat er maar twee patiënten zijn gebruikt voor deze data. Er moeten dus meer patiënten worden geïncludeerd, voornamelijk thorax en bekken patiënten, om de data te verbeteren en de nauwkeurigheid te verhogen. De correlatie in de CC richting in het bekkengebied is 0, zelfs ook wanneer de CBCT op het oppervlak gematcht is. Opnieuw kan dit komen doordat het voor AlignRT lastiger is om het bekkengebied te monitoren.

 

Daarnaast is AlignRT nog gebruikt om de reproduceerbaarheid en stabiliteit van de BH te analyseren, waarbij de BH gereguleerd werd met behulp van het ABC-systeem. De resultaten van deze analyse zijn zichtbaar in tabel 2. Het gemiddelde verschil is negatief wat betekent dat de patiënten gemiddeld iets hoger komen met de borst dan nodig was volgens de referentie: de patiënt ademt gemiddeld iets te veel lucht in. Deze systematische afwijking is slechts  ongeveer 1 mm en dus erg klein. De BHs weken binnen een bestralingsfractie gemiddeld ongeveer 2.5 mm af en de stabiliteit varieerde tussen de -1 mm en 2.3 mm. Dit zijn allemaal kleine afwijkingen welke geaccepteerd worden. Incidenteel worden er toch grote afwijkingen gevonden:  de maximale BH positie afwijking binnen een fractie kon zo groot zijn als 12.4 mm en de maximale stabiliteitsvariatie 14.1 mm binnen een fractie. Wanneer deze afwijkingen klinisch voorkomen is het gewenst om de behandeling te onderbreken om actie te ondernemen: of de patiënt opnieuw instrueren of de patiënt opnieuw positioneren. Wanneer er geen 3D surface scanner systeem, zoals AlignRT, aanwezig is, worden dit soort fouten niet ontdekt.

 

Daarnaast kan AlignRT de behandeling automatisch stoppen wanneer een bepaalde fout groter wordt dan een tolerantie door een signaal uit te sturen naar het bestralingsapparaat. Een praktische beperking van het gebruik van AlignRT is dat het licht direct op de huid van de patiënt geprojecteerd moet worden. In sommige landen is het gebruikelijk dat patiënten grotendeels de kleren aanhouden, of de patiënt kan zich comfortabeler voelen met (meer) kleren aan. Het probleem hiervan is dat de kleding elke dag anders opgevouwen/gekreukt ligt. Hierdoor kan het zijn dat het gebied dat gemonitord kan worden erg beperkt is. Verder wordt bij sommige radiotherapiebehandelingen weefselequivalent materiaal (zg opbouw) op bijvoorbeeld een litteken gelegd. In die situaties bleek AlignRT niet bruikbaar. De redenen hiervoor zijn dat het erg moeilijk is om de opbouw elke dag exact op dezelfde manier te plaatsen en dat de opbouw door de ademhalingsbeweging steeds in en uit het door AlignRT gemonitorde  oppervlak beweegt. De resultaten voor deze patiënten lieten vreemde uitschieters in de meetwaardes zien en waren hierdoor niet betrouwbaar. Deze patiënten zijn om deze reden ook uitgesloten van dit onderzoek. Er zijn wel alternatieve materialen voor opbouw en workarounds bekend voor patiënten met opbouw om het monitoren met AlignRT toch mogelijk te maken, maar dit is niet meegenomen in dit onderzoek.

Conclusie

Met behulp van AlignRT kunnen borstkanker patiënten gepositioneerd en gemonitord worden met een nauwkeurigheid van 0.39 ± 2.31 (1SD) mm gebaseerd op vergelijkingen met de CBCT. Als de AlignRT resultaten vergeleken worden met CBCT resultaten voor het doelgebied zijn de verschillen iets groter, maar zijn nog steeds binnen de 1.83 ± 2.76 mm voor borst (BH en FB) en thorax patiënten.

Toon alle referenties

Auteur