Cyberknife Radiochirurgie

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1 32 Cyberknife Radiochirurgie Eine neuartige Behandlungsmethode für bildgeführte und robotergestützte Präzisionsbestrahlungen Präzisionsbestrahlungen Cyberknife Radiochirurgie Übersicht Die neuartige Cyberknife Technologie beruht auf radiochirurgischen Prinzipien die seit 30 Jahren ihre klinische Anwendung finden. Unter Radiochirurgie versteht man die präzise Applikation einer hohen (tumorzerstörenden) Strahlendosis in einem genau definierten Zielvolumen (Konvergenzbestrahlung) unter Schonung der umliegenden, gesunden Strukturen. Bei der Konvergenzbestrahlung überschneiden sich schwache Strahlenbündel aus vielen verschiedenen Richtungen im Tumor, wo sie sich zur Gesamtdosis aufsummieren; das Normalgewebe wird nur mit einem Bruchteil der Strahlenmenge belastet und kann sich wieder erholen. Bisher galt im Bereich der Neurochirurgie das so genannte Gamma Knife System als Standardinstrument der Radiochirurgie. In den letzten Jahren kommen auch vermehrt Linearbeschleuniger (LINAC) für radiochirurgische Indikationen zur klinischen Anwendung. Diese, meist routinemäßig in der Strahlentherapie angewandten Linearbeschleuniger, müssen für eine Präzisionsbestrahlung umgebaut und vor jeder Behandlung physikalisch getestet werden, da für eine radiochirurgische Anwendung wesentlich höhere Qualitäts- und Genauigkeitsanforderungen bestehen, als für herkömmliche strahlentherapeutische Indikationen. Prinzipieller Nachteil, sowohl der Gamma Knife als auch der konventionellen LINAC Systeme, ist die Notwendigkeit einen invasiven stereotaktischen Abb. 1: Beispiel einer CT gestützten Behandlungplanung mit dem Cyberknife System bei einem Patienten mit einem kleinen, im inneren Gehörgang liegenden Akustikusneurinom. Man erkennt die Darstellung der Strahlendosis (Isodosen) in axialer, sagittaler und coronarer Schnittführung. Der Tumor wurde im Maximum mit 25 Gy behandelt

2 Präzisionsbestrahlungen 33 Rahmen am Kopf des Patienten zu befestigen um die angestrebte Genauigkeit von +/- 1mm zu erreichen. Durch die Entwicklung der Cyberknife Technologie mit einer Kombination aus integrierter Bildführung und Robotersteuerung zeichnet sich nun ein Paradigmenwechsel innerhalb der Radiochirurgie ab (1). Ziel des vorliegenden Beitrages ist es, eine technische Beschreibung dieser Technologie zu geben und deren klinische Implikationen zu beschreiben. Vorteile der Cyberknife Radiochirurgie Mit Hilfe der Cyberknife Technologie besteht erstmals die Möglichkeit eine radiochirurgische Behandlungen im Bereich des Hirnes mit hoher Genauigkeit ohne eine invasive Kopffixierung (streotaktischer Rahmen) durchzuführen. Dies ermöglicht dem Patienten eine tatsächlich nichtinvasive, schmerzlose radiochirurgische Behandlung. Zusätzlich besteht die Möglichkeit die bisher einmalig applizierte Dosis in mehrere Sitzungen (2 5) aufzuteilen, falls dies klinisch erforderlich ist. Dadurch können Läsionen in sehr sensiblen Körperbereichen und auch grössere Tumore unter Schonung des umliegenden, gesunden Gewebes, effektiver behandelt werden (2,3,4,5). Abgesehen von den Standardindikationen innerhalb der Neurochirurgie (z.b. Akustikusneurinome, Meningeome, Metastasen) entwickelt sich aktuell ein zunehmender Trend zu einer Ausweitung der radiochirurgischen Techniken auf extrakranielle Indikationen. So können schon heute Tumore der Wirbelsäule, aber auch der Bauchspeicheldrüse, der Lunge oder der Leber, die gut vom umliegenden Gewebe abgegrenzt sind, mit Hilfe von radiochirurgischen Techniken hoch präzise und effektiv behandelt werden. In Einzelfällen lässt sich damit ein operativer Eingriff ersetzen. Aufgrund der physiologischen, atemabhängigen Organbewegung war es bisher nicht möglich, eine hohe Strahlendosis rein auf den Tumorbereich zu fokussieren. Seit Neuestem besteht die Möglichkeit einer atemgetriggerten Echtzeitbewegungskorrektur der Läsionen, die es dem Anwender ermöglicht, eine tumorzerstörende Strahlendosis bei Tumoren im Bereich des gesamten Körpers unter Schonung des umliegenden, gesunden Gewebes zu applizieren (6,7). Das Cyberknife bewegt sich reine Behandlungszeit liegt je nach Lokalisation, Größe und behandeltem Organ im Mittel zwischen Minuten. Technische Systembeschreibung Bei der Cyberknife Technologie handelt es sich um die Verbindung zweier Komponenten: Die Bestrahlungseinheit besteht aus einem leichten und kompaktem Photonen-Strahler (6 MeV LINAC, Dosisrate 4 Gy/Minute) der an einen sechs-gelenkigen Roboterarm gekoppelt ist (Kuka GmbH, Abb. 2: Darstellung eines Cyberknife Systems mit den jeweiligen Komponenten Behandlungstisch, Röntgendetektoren (A-Si = amorphe Silitium Detektoren), an der Decke befestigten Röntgenroehren, Roboter und kompaktem Linearbeschleuniger (LINAC) mit dem Tumor: Kameras verfolgen die Atembewegungen und geben die Positionsdaten an den Roboterarm, der den kompakten Linearbeschleuniger bewegt. Eine Narkose oder spezielle Körper-Rahmensysteme, wie sie bei herkömmlichen Systemen zur Anwendung kommen, um die Atembewegung zu unterdrücken, sind nicht mehr erforderlich. Das Cyberknife System ist für eine ambulante Behandlung ausgelegt, was für die Lebensqualität der Patienten einen hohen Stellenwert hat. Ein stationärer Krankenhausaufenthalt, eine Anschlussheilbehandlung oder ein Rehabilitationsaufenthalt entfällt in den meisten Fällen. Die Augsburg). Damit können prinzipiell alle Körperregionen erreicht und behandeln werden (Abb. 2). Möglich sind bis zu 1200 Einstrahlrichtungen pro Behandlung. Das Robotersystem ist mit einem computergesteuerten Lokalisierungssystem verbunden. Es besteht aus zwei Standard Röntgenröhren die so an der Decke fixiert sind, dass zwei orthogonale Aufnahmen des Zielgebietes aquiriert werden können. Diese Aufnahmen werden über zwei amorphe Silikonröntgenschirme erfasst, welche hochauflösende digitale Bilder generieren. Entsprechend der anatomischen Gegebenheiten der Referenzierung, wird der

3 34 Präzisionsbestrahlungen vor der Behandlung in der Nähe der Läsion implantiert werden. Abb. 3: Schematische Darstellung der atemgetriggerten Körperbestrahlung. Die Signale der LED Dioden werden von einer Infrarotkamera (IR Detektor) aufgezeichnet und dienen zusammen mit den Röntgenkontrollen als Informationen für den Roboter, sich entsprechend der Tumorbewegung kontinuierlich zu bewegen Patient über eine Patientenliege, die sich automatisch in 5 Achsen ausrichtet, in die für die Bestrahlung exakte Position gebracht. Während der Behandlung korrigiert das System Bewegungen, die innerhalb einer Spannweite von 10 Millimetern liegen, mit einem Echtzeittracking automatisch. Ein spezieller Algorithmus prädiziert die Atmung und gleicht so die inhärente Systemlatenz aus. Im Falle einer zerebralen Indikation wird eine Co-Registrierung der Röntgenaufnahmen des knöchernen Schädels mit digital rekonstruierten Schädelaufnahmen des Planungs CTs durchgeführt. Während der Behandlung werden die digital rekonstruierten Röntgenbilder (DRRs) des Planungs CTs mit den projizierten Röntgenaufnahmen des Echtzeit Bildführungssystems kontinuierlich abgeglichen. Bei Indikationen ausserhalb des Kopfes, wo keine Skelettstrukturen als Landmarken zur Registrierung verwendet werden können, geschieht die Registrierung über kleine Metallmarker, die Dynamische Positionskorrektur Bei bewegten Zielvolumen kann seit Neuestem die Organbewegung gemessen und die Bestrahlung entsprechend dieser Bewegung dynamisch angepasst werden (6,10). Nach perkutaner Markerimplantation im Bereich des Zielvolumens wird die innere Organbewegung mit Hilfe des Bildführungssystems definiert. Gleichzeitig wird mit LED Dioden, die auf der Brustoberfläche des Patienten positioniert sind, die Atemexkursion gemessen. Die Software steuert mit Hilfe eines Korrelationsmodels, welches die innere und äussere Bewegung berücksichtigt, die kontinuierliche Bestrahlung des sich bewegenden Organs. Durch systematisch wiederholte Röntgenaufnahmen wird eine iterative Korrektur der Korrelationsfunktion ermöglicht. Rahmenlose Stereotaxie Genauigkeit: Wissenschaftliche Untersuchungen an den Universtäten Stanford und Los Angeles in den USA sowie am Krankenhaus San Bartolo in Vicenza, Italien, konnten zeigen, dass die rahmenlose Cyberknife Technologie eine Präzision ermöglicht, die vergleichbar Abb. 4: Beispiel eines Cyberknife-Systemtest. Gezeigt sind 2 Filmprojektionen im 90 Winkel zueinander. Ziel war es, das Bestrahlungsfeld (dunkelblaue Fläche) auf die Spitze des weissen Schlitzes zu fokussieren

4 Präzisionsbestrahlungen 35 Abb. 5: Darstellung der Metallmarker die als Landmarken zur Referenzierung für Körperbehandlungen zur Anwendung kommen zu den herkömmlichen rahmenbasierten Radiochirurgiesystemen ist (8). So werden an Phantomen Gesamtgenauigkeiten (eingeschlossen Bildgebung, Planung, Behandlung) von 0.42 ± 0.4 mm erreicht. Behandlungsablauf Im Falle einer Hirnbehandlung wird eine individuelle Kopfmaske angefertigt. Diese Maske hilft den Kopf des Patienten zu stützen und die Kopfbewegung während der Behandlung möglichst gering zu halten. Prinzipiell ist bei sehr kooperativen Patienten auch eine Kopfbehandlung ohne Maske möglich. Für Wirbelsäulentumore wird eine Vakuumlagerungshilfe individuell angefertigt die den Körper während der Behandlung stabilisiert. Zusätzlich werden für Behandlung von beweglichen Organen wie beispielsweise Lunge, Leber oder Bauchspeicheldrüse, kleine (ca. 5mm) Metallmarker ambulant, perkutan im Bereich des Tumors fixiert (Abb. 5). Sie dienen als Landmarken für die Steuerung des Roboters, und werden vom Stereoröntgenkamerasystem automatisch detektiert. Bei Hirnbehandlungen sind keine Marker erforderlich. Hier wir über die Knochenstrukturen der Schädelkalotte referenziert (Abb. 6). Für jede Behandlung wird eine Computertomographie (CT) und ggf. Kernspintomograpie (MRT) durchgeführt. Entsprechend der individuellen Krankheitskonstellation kann diese Untersuchung unmittelbar vor oder schon Tage vor der eigentlichen Behandlung durchgeführt werden. Zu beachten ist, dass die zeitliche Entkoppelung von Bildgebung und Behandlung erst durch die rahmenlose Bildführung ermöglicht wird. Auf der Basis der prätherapeutischen Bildgebung wird die Grösse, Form und Lokalisation der zu behandelnde Region in Zusammenhang mit dem umliegenden gesunden Gewebe exakt beurteilt. Die Behandlungsplanung ist auf eine inverse Dosisplanung ausgelegt, wobei die Dosis im Zielvolumen über die Toleranzdosis der benachbarten Risikostrukturen definiert wird. Der Arzt gibt dem Computer die Konturen des Tumors und der Risikoorgane, die Solldosis im Tumor und die Toleranzdosen der Risikoorgane vor, und der errechnet die notwendigen Bestrahlungsfelder, die zu einer bestmöglichen Dosisverteilung im Tumor führen (9). Der Patient ist während der gesamten Behandlung wach und wird mit Videokameras überwacht. Insgesamt wird ein Zeitaufwand von etwa Minuten für die gesamte Behandlung benötigt. Während der Behandlung fährt der Roboter etwa 100 definierte Knotenpunkte an, die homogen um das Zielgebiet verteilt sind und als virtueller Helm um den Patienten verstanden werden können. Von jedem dieser Knotenpunkt aus kann der Strahl in jede Richtung innerhalb des Behandlungvolumens gerichtet werden (non-isozentrische Bestrahlung). Über komplexe Optimierungstechniken kann die Gewichtung der einzelnen Strahlen so festgelegt werden, dass eine hohe Dosis im Bereich der Läsion unter Beachtung der spezifischen Limitationen der umliegenden Risikoorgane erzielt wird. Das computergesteuerte Lokalisierungssystem nimmt neue Röntgenbilder auf und vergleicht diese mit den generierten DRRs des Planungs- Cts um die höchst mögliche Präzision während der gesamten Behandlung zu gewährleisten. Indikationen Das Münchner Cyberknife Zentrum (Eröffnung am ) ist in eine Kooperationsstruktur mit dem Klinikum der Ludwig- Abb. 6: Darstellung der Generierung eines DRRs (digital reconstructed radiograph). Aus den einzelnen Schichten eines CTs wird eine seitliche Röntgenaufnahme des Schädels rekonstruiert, die als Referenz für die Röntgenkontrollen während der Behandlung dient

5 36 Präzisionsbestrahlungen Maximilians Universität München eingebunden. Klinisch ist es momentan im Wesentlichen auf die Behandlung von Hirn- und Wirbelsäulen bzw. Rückenmarkstumore ausgelegt. Hier sind in erster Linie gutartige Tumoren der Schädelbasis und des Spinalkanals wie Meningeome und Akustikusneurinome zu nennen sowie zerebrale und spinale Metastasen. Prinzipiell können alle Tumore im Körper (z.b. in der Lunge, Leber, Pankreas) mit einer guten Abgrenzung zum gesunden Gewebe hin und einer bestimmten Grössenbegrenzung für eine radiochirurgische Therapie mit dem Cyberknife vorgesehen werden. Die zukünftige Entwicklung wird zeigen, inwiefern es medizinisch sinnvoll ist, die für die Behandlung von Hirntumoren entwickelten radiochirurgischen Prinzipien, auch in andere Körperbereiche auszudehnen. Zukünftige Entwicklungen Neue Forschungsaktivitäten richten sich auf die Erschließung des vollen Potenzials der Robotertechnik in der Strahlenchirurgie. Erstes Ziel ist es, die Echtzeitlageverfolgung für Tumore im Körperstammbereich (Weichgewebenavigation) ohne den Einsatz künstlicher Landmarken durchzuführen. Hierzu ist eine schnelle, automatische Analyse der Röntgenbilder erforderlich. Diese Technologie befindet sich zurzeit im Test (10,11). Ein weiteres Forschungsziel ist die Verbesserung der inversen Planung. Hier ist zu berücksichtigen, dass Organe sich unter Respiration nicht nur absolut bewegen, sondern auch eine Relativbewegung der Organe stattfindet. Literatur 1. Adler, John R. Jr., Martin J. Murphy, Steven D. Chang, and Steven L. Hancock Imageguided robotic radiosurgery. Neurosurgery 44 (6): Chang, Steven D., David P. Martin, and John R. Adler Treatment of spinal AVMs and vascular tumors with frameless imaged-based radiosurgery. Journal of Neurosurgery 88 (1):201A. 3. Chang, Steven D., Martin J. Murphy, James R. Doty, Steven L. Hancock, and John R. Adler Image-guided robotic radiosurgery: Clinical and radiographic results with the CyberKnife. In Radiosurgery, ed. D. Kondziolka. New York: Karger Medical and Scientific Publishers. 4. Chang, Steven D., Martin J. Murphy, Paul Geis, David P. Martin, Steven L. Hancock, James R. Doty, and John R. Adler Clinical experience with image-guided robotic radiosurgery (the CyberKnife) in the treatment of brain and spinal cord tumors. Neurologia Medico- Chirugica 38 (11): Chang, Steven D., Martin J. Murphy, James R. Doty, and John R. Adler, Jr Stereotactic Radiosurgery: New Innovations. Perspectives in Neurological Surgery 10 (1): Schweikard, Achim, Greg Glosser, Mohan Bodduluri, Martin J. Murphy and John R. Adler, Jr Robotic Motion Compensation for Respiratory Movement During Radiosurgery. Computer Aided Surgery (5): Murphy, Martin J., John R. Adler, Jr., Mohan Bodduluri, John Dooley, Kenneth Forster, Jenny Hai, Quynh Le, Gary Luxton, David Martin and Joseph Poen Image-Guided Radiosurgery for the Spine and Pancreas. Computer Aided Surgery (5): Murphy, Martin J., and Richard Cox The accuracy of dose localization for an image-guided frameless radiosurgery system. Medical Physics 23 (12): Schweikard, A., Bodduluri, M., Adler, J.R Planning for Camera-Guided Radiosurgery IEEE. Transactions on Robotics and Automation 13, Schweikard, A., Shiomi, H., Adler, J Respiration Tracking in Radiosurgery Medical Physics, American Association of Physicists in Medicine (31), Schweikard, A., Shiomi, H., Adler, J Respiration Tracking in Radiosurgery without Fiducials International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery (1), 19-27, Robotic Publications Ltd. ( Ilkley, UK. Kontakt: Dr. med. A. Muacevic PD Dr. B. Wowra Prof Dr. Ing A. Schweikard Direktor des Institutes für Robotik und Kognitive Systeme der Universität Lübeck Europäisches Cyberknife Zentrum München-Großhadern Max-Lebsche-Platz München Tel.: Fax.: