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Cancer Research

Positron उत्सर्जन टोमोग्राफी-आधारित खुराक पेंटिंग विकिरण थेरेपी एक ग्लियोब्लास्टोमा चूहा मॉडल में छोटे पशु विकिरण अनुसंधान मंच का उपयोग कर

Published: March 24, 2022 doi: 10.3791/62560
Automatic Translation
1, 1, 2, 3, 3, 2, 1
1Department of Diagnostic Sciences, Ghent University, 2Department of Electronics and Information Systems, Ghent University, 3Department of Head and Skin, Ghent University

Summary

यहां हम सटीकता और दक्षता को अनुकूलित करने के लिए इन-हाउस विकसित एल्गोरिदम का उपयोग करके चूहे ग्लियोब्लास्टोमा मॉडल में प्रीक्लिनिकल पॉज़िट्रॉन उत्सर्जन टोमोग्राफी-आधारित रेडियोथेरेपी करने के लिए एक प्रोटोकॉल प्रस्तुत करते हैं।

Abstract

क्लिनिक में मानव ग्लियोब्लास्टोमा के कीमो-विकिरण उपचार की नकल करने के लिए एक चूहा ग्लियोब्लास्टोमा मॉडल पहले स्थापित किया गया था। नैदानिक उपचार के समान, उपचार-योजना प्रक्रिया के दौरान गणना टोमोग्राफी (सीटी) और चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग (एमआरआई) को जोड़ा गया था। पॉज़िट्रॉन एमिशन टोमोग्राफी (पीईटी) इमेजिंग को बाद में एक माइक्रो-विकिरण प्रणाली का उपयोग करके उप-वॉल्यूम बूस्टिंग को लागू करने के लिए जोड़ा गया था। हालांकि, माइक्रो-विकिरण प्रणाली का उपयोग करके तीन इमेजिंग तौर-तरीकों (सीटी, एमआरआई और पीईटी) का संयोजन श्रम-गहन साबित हुआ क्योंकि मल्टीमॉडल इमेजिंग, उपचार योजना और खुराक वितरण को प्रीक्लिनिकल सेटिंग में क्रमिक रूप से पूरा किया जाना है। यह भी एक वर्कफ़्लो में परिणाम है जो मानव त्रुटि के लिए अधिक प्रवण है। इसलिए, प्रीक्लिनिकल मल्टीमॉडल इमेजिंग-आधारित विकिरण उपचार योजना को और अनुकूलित करने के लिए एक उपयोगकर्ता के अनुकूल एल्गोरिथ्म लागू किया गया था। इस सॉफ्टवेयर उपकरण का उपयोग सिलिको अध्ययन डिजाइन में उपयोग करके सूक्ष्म विकिरण के साथ खुराक पेंटिंग विकिरण चिकित्सा की सटीकता और दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए किया गया था। खुराक पेंटिंग विकिरण चिकित्सा के लिए नई पद्धति सटीकता, समय दक्षता, और इंट्रा- और अंतर-उपयोगकर्ता परिवर्तनशीलता के मामले में पहले से वर्णित विधि से बेहतर है। यह माइक्रो-इरेडिएटर्स पर व्युत्क्रम उपचार योजना के कार्यान्वयन की दिशा में भी एक महत्वपूर्ण कदम है, जहां नैदानिक प्रणालियों के विपरीत, आगे की योजना अभी भी आमतौर पर उपयोग की जाती है।

Introduction

ग्लियोब्लास्टोमा (जीबी) एक घातक और बहुत आक्रामक प्राथमिक मस्तिष्क ट्यूमर है। जीबी एक ठोस विषम ट्यूमर है जो आमतौर पर घुसपैठ की सीमाओं, परमाणु एटिपिया और नेक्रोसिस 1 की विशेषता है। रक्त-मस्तिष्क-बाधा की उपस्थिति और एक प्रतिरक्षा-विशेषाधिकार प्राप्त साइट के रूप में मस्तिष्क की स्थिति केमो- और इम्यूनोथेरेपी के लिए उपन्यास लक्ष्यों की खोज को एक चुनौतीपूर्ण कार्य 2,3,4 बनाती है। यह उल्लेखनीय है कि जीबी रोगियों का उपचार मुश्किल से 2005 में, स्टुप प्रोटोकॉल के परिचय के बाद से बदल गया है, जो सहवर्ती टेमोज़ोलोमाइड के साथ बाहरी बीम विकिरण चिकित्सा (आरटी) को जोड़ता है, आमतौर पर सहायक टेमोज़ोलोमाइड 5 के बाद। आमतौर पर, Stupp प्रोटोकॉल अधिकतम सर्जिकल लकीर से पहले है। इसलिए, वैकल्पिक उपचार दृष्टिकोण निर्णायक महत्व के हैं।

ग्लियोब्लास्टोमा रोगियों के लिए वर्तमान विकिरण चिकित्सा परिभाषित ट्यूमर की मात्रा के लिए एक समान विकिरण खुराक प्रदान करती है। विकिरण ऑन्कोलॉजी में, बढ़ती खुराक के साथ ग्लियोब्लास्टोमा के लिए एक महत्वपूर्ण खुराक-प्रतिक्रिया सहसंबंध है, जो सामान्य मस्तिष्क 6,7 के लिए बढ़ी हुई विषाक्तता के कारण लगभग 60 Gy के आसपास कैप करने लगता है। हालांकि, ट्यूमर बहुत (रेडियोबायोलॉजिकल रूप से) विषम हो सकते हैं, ऑक्सीजन स्तर के ग्रेडिएंट और / या सेलुलर घनत्व में बड़े अंतर के साथ। मेटाबोलिक इमेजिंग तकनीक, जैसे पीईटी, इन जैविक विशेषताओं की कल्पना कर सकती है और खुराक के पर्चे को अनुकूलित करने के लिए उपयोग की जा सकती है। इस दृष्टिकोण को खुराक पेंटिंग आरटी के रूप में जाना जाता है। इस शब्द को 2000 में लिंग एट अल द्वारा पेश किया गया था। लेखकों ने खुराक पेंटिंग आरटी को "विकिरण प्रसार और तितर-बितर की बाधाओं के भीतर उत्कृष्ट रूप से अनुरूप खुराक वितरण" के उत्पादन के रूप में परिभाषित किया है।

दो प्रकार की खुराक पेंटिंग आरटी, समोच्च (DPBC) द्वारा खुराक पेंटिंग हैं, जिसके द्वारा नेस्टेड उप-वॉल्यूम के एक सेट के लिए एक खुराक निर्धारित की जाती है, और संख्याओं (DPBN) द्वारा खुराक पेंटिंग, जिससे वोक्सेल स्तर पर एक खुराक निर्धारित की जाती है। DPBN आरटी के लिए खुराक वितरण कार्यात्मक छवियों से निकाला जा सकता है। प्रत्येक voxel में खुराक छवि में इसी voxel की तीव्रता I द्वारा निर्धारित किया जाता है, एक कम और ऊपरी सीमा के साथ, यह सुनिश्चित करने के लिए कि, एक तरफ, ट्यूमर के हर हिस्से में पर्याप्त खुराक वितरित की जाती है। दूसरी ओर, खुराक जोखिम में अंगों की रक्षा करने और विषाक्तता से बचने के लिए एक ऊपरी सीमा से अधिक नहीं होती है। सबसे सरल विधि न्यूनतम खुराक Dmin और अधिकतम खुराक Dmax के बीच एक रैखिक इंटरपोलेशन (Eq. 1 देखें) है, आनुपातिक रूप से न्यूनतम तीव्रता Imax और लक्ष्य मात्रा के भीतर अधिकतम तीव्रता के बीच भिन्न 9,10

Equation 1Eq. 1

क्योंकि DPBN आरटी की गुणवत्ता आश्वासन के बारे में कुछ संदेह है, खुराक के जमाव को प्रीक्लिनिकल और नैदानिक अनुसंधान 10 के माध्यम से सत्यापित किया जाना चाहिए। हालांकि, नैदानिक परीक्षणों से केवल सीमित डेटा प्राप्त किया जा सकता है, और यह परिकल्पना की गई है कि प्रयोगशाला जानवरों 11,12 को डाउनस्केल करके अधिक अंतर्दृष्टि प्राप्त की जा सकती है। इसलिए, सटीक छवि-निर्देशित विकिरण अनुसंधान प्लेटफार्मों का उपयोग करने वाले प्रीक्लिनिकल अध्ययन जो कुछ बहुत ही विशिष्ट तकनीकों के साथ युग्मन की अनुमति देते हैं, जैसे कि ऑटोरेडियोग्राफी, खुले मुद्दों की जांच करने और व्यक्तिगत चिकित्सा और उपन्यास उपचार रणनीतियों की ओर मार्ग प्रशस्त करने के लिए उपयुक्त हैं, जैसे कि खुराक पेंटिंग RT13,14। हालांकि, प्रीक्लिनिकल डेटा की व्याख्या सावधानी के साथ की जानी चाहिए, और इन प्रीक्लिनिकल सेटअप की कमियों पर विचार किया जाना चाहिए14।

सूक्ष्म विकिरण प्रणालियां, जैसे कि छोटे पशु विकिरण अनुसंधान मंच (SARRP), अपने नैदानिक समकक्ष के समान प्रौद्योगिकियों से सुसज्जित हैं। वे ऑन-बोर्ड शंकु-बीम सीटी (सीबीसीटी) इमेजिंग, एक प्रीक्लिनिकल उपचार-योजना प्रणाली (पीसीटीपीएस) शामिल हैं, और उप-मिलीमीटर परिशुद्धता प्रदान करते हैं। नैदानिक खुराक की गणना व्युत्क्रम उपचार योजना द्वारा की जाती है, जिससे कोई पुनरावर्ती एल्गोरिथ्म के माध्यम से बीम को निर्धारित करने के लिए वांछित खुराक वितरण से शुरू होता है। प्रीक्लिनिकल इरेडिएटर्स अक्सर आगे की योजना का उपयोग करते हैं। आगे की योजना में, बीम की आवश्यक मात्रा और कोण का चयन किया जाता है, और PCTPS तब खुराक वितरण की गणना करता है। योजनाओं का अनुकूलन मैनुअल पुनरावृत्ति द्वारा किया जाता है, जो श्रम-गहन 15 है।

2009 के बाद, उपन्यास विकास ने इन शोध प्लेटफार्मों पर व्युत्क्रम योजना के कार्यान्वयन को संभव बना दिया है16,17,18। नैदानिक विधि के साथ समानता बढ़ाने के लिए, एक motorized चर आयताकार collimator (MVC) बहु पत्ती collimator के एक preclinical समकक्ष के रूप में विकसित किया गया था। एक चर collimator का उपयोग कर एक दो आयामी खुराक पेंटिंग विधि Cho et al.19 द्वारा प्रकाशित किया गया था। इस शोध समूह ने एक माइक्रो-इरेडिएटर पर एक त्रि-आयामी (3 डी) व्युत्क्रम उपचार-योजना प्रोटोकॉल लागू किया और लक्ष्य की मात्रा के लिए न्यूनतम और अधिकतम खुराक और जोखिम वाले अंगों के लिए अधिकतम खुराक निर्धारित की। इन तकनीकों का मूल्यांकन मुख्य रूप से सिलिको में किया गया है, और उनके प्रीक्लिनिकल अनुप्रयोगों का पता लगाने की आवश्यकता है।

यह पेपर [18F]-fluoro-ethyl-L-tyrosine ([18F]FET) के लिए दो तरीकों की तुलना करने के लिए एक सिलिको अध्ययन प्रस्तुत करता है पीईटी-आधारित खुराक पेंटिंग एक जीबी चूहा मॉडल 20,21,22 में एक छोटे से पशु विकिरण अनुसंधान मंच का उपयोग करके। ये दो तरीके हैं (1) पूर्वनिर्धारित बीम आकारों का उपयोग करके उप-मात्रा को बढ़ावा देना और (2) एक मोटरचालित चर कॉलिमेटर का उपयोग करके खुराक पेंटिंग जहां जबड़े के आयामों को ट्यूमर की मात्रा में पीईटी ट्रेसर अपटेक के आधार पर संशोधित किया जाता है। [18F] एफईटी एक पीईटी ट्रेसर है जिसका उपयोग अक्सर न्यूरो-ऑन्कोलॉजी में किया जाता है क्योंकि मस्तिष्क ट्यूमर का पता लगाने की क्षमता 23। [18F] एफईटी एक कृत्रिम अमीनो एसिड है जो ट्यूमरल कोशिकाओं में आंतरिक है लेकिन सेल प्रोटीन में शामिल नहीं है। [18F] एफईटी अपटेक सेल प्रसार दर, ट्यूमर सेल घनत्व और एंजियोजेनेसिस 24 के साथ मेल खाता है। चूंकि यह इन लेखकों के संस्थान में सबसे अधिक इस्तेमाल किया जाने वाला ऑन्कोलॉजिक मस्तिष्क पीईटी ट्रेसर है, इसलिए इस रेडियोट्रेसर को नए वर्कफ़्लो का मूल्यांकन करने के लिए चुना गया था।

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Protocol

अध्ययन को पशु प्रयोगों के लिए स्थानीय नैतिकता समिति (ईसीडी 18/21) द्वारा अनुमोदित किया गया था। संज्ञाहरण निगरानी एक सेंसर का उपयोग करके जानवरों की श्वसन दर प्राप्त करके की जाती है।

1. F98 जीबी चूहा सेल मॉडल

  1. Dulbecco के संशोधित ईगल माध्यम का उपयोग करके एक मोनोलेयर में F98 GB कोशिकाओं को संस्कृति करें, जो 10% बछड़े के सीरम, 1% पेनिसिलिन, 1% स्ट्रेप्टोमाइसिन और 1% एल-ग्लूटामाइन के साथ पूरक है, और उन्हें CO2 इनक्यूबेटर (5% CO2 और 37 °C) में रखें।
  2. महिला फिशर F344 चूहों (शरीर का वजन 170 ग्राम) के मस्तिष्क में ग्लियोमा कोशिकाओं को संक्रमित करें।
    नोट: बाँझ उपकरणों का उपयोग करें और हर समय बाँझ दस्ताने पहनें।
    1. एक नाक शंकु के माध्यम से ऑक्सीजन (0.3 मिलीलीटर / मिनट) के साथ मिश्रित आइसोफ्लुरेन (5% प्रेरण, 2% रखरखाव) के साँस लेने के माध्यम से चूहों को एनेस्थेटिक करें। अंग की वापसी पलटा की अनुपस्थिति से anesthetization की पुष्टि करें, और नाक और कान के लिए निर्धारण बिंदुओं का उपयोग कर एक stereotactic डिवाइस में चूहों को स्थिर। संज्ञाहरण के तहत सूखी आंखों को रोकने के लिए एक कार्बोमर आई जेल लागू करें। 37 डिग्री सेल्सियस पर एक थर्मोरेगुलेटेड हीटिंग पैड और रेक्टल प्रोब द्वारा शरीर के तापमान को बनाए रखें।
    2. चूहे को आंख के स्तर से खोपड़ी के पीछे तक शेव करें, और त्वचा को आइसोबेटाडाइन के साथ कीटाणुरहित करें। स्थानीय संज्ञाहरण के लिए चमड़े के नीचे xylocaine (एड्रेनालाईन 1: 200000, 0.1 मिलीलीटर के साथ) इंजेक्ट करें।
    3. एक मिडलाइन खोपड़ी चीरा के माध्यम से खोपड़ी को बेनकाब करें और एक ड्रिल उपकरण के साथ एक छोटा सा छेद करें 3 मिमी पीछे और दाएं गोलार्ध में ब्रेग्मा के लिए 3 मिमी पार्श्व।
    4. एक स्टीरियोटैक्टिकल रूप से निर्देशित इंसुलिन सुई (29 जी) डालें और एक माइक्रोसिरिंज पंप नियंत्रक का उपयोग करके 3 मिमी गहरी सेल निलंबन (20,000 F98 GB कोशिकाओं) के 5 μL इंजेक्ट करें। सुई को 5 मिनट के लिए जगह में छोड़ दें, जिससे सेल निलंबन को ऊतक में फैलाने का समय मिल जाए।
    5. सिरिंज को धीरे-धीरे वापस लें और हड्डी के मोम के साथ खोपड़ी में छेद को बंद कर दें। त्वचा को सीवन (polyamide 6, मोटाई 4-0) और meloxicam चमड़े के नीचे इंजेक्ट (1 मिलीग्राम / किग्रा, 2 मिलीग्राम / एमएल)। Xylocaine जेल लागू करें।
    6. एक लाल दीपक का उपयोग करके सर्जरी के बाद जानवर के शरीर के तापमान को स्थिर करें। चूहे की जागृति की निगरानी करें जब तक कि यह पर्याप्त चेतना प्राप्त न कर ले। पूरी तरह से ठीक होने तक जानवर को अन्य जानवरों की कंपनी में वापस न करें। भोजन और पानी के विज्ञापन लिबिटम के साथ पर्यावरण यी रूप से नियंत्रित परिस्थितियों (12 ज प्रकाश / अंधेरे चक्र, 20-24 डिग्री सेल्सियस, और 40-70% सापेक्ष आर्द्रता) के तहत सभी जानवरों को घर दें।
    7. जानवरों की दैनिक निगरानी करना सुनिश्चित करें और उनके शरीर के वजन, भोजन, पानी के सेवन और उनकी गतिविधि और व्यवहार की जांच करके दैनिक स्वास्थ्य स्थिति लॉग बनाए रखें। जानवरों (160 मिलीग्राम / किग्रा) को euthanize करने के लिए pentobarbital सोडियम की एक घातक खुराक का उपयोग करें यदि 20% शरीर के वजन में गिरावट देखी जाती है या जब सामान्य व्यवहार गंभीर रूप से बिगड़ जाता है (उदाहरण के लिए, सौंदर्य की कमी)।

2. ट्यूमर के विकास की पुष्टि

  1. ट्यूमर के विकास का मूल्यांकन करें 8 दिन बाद टीका लगाने के बाद। एक नाक शंकु के माध्यम से ऑक्सीजन (0.3 मिलीलीटर / मिनट) के साथ मिश्रित आइसोफ्लुरेन (5% प्रेरण, 2% रखरखाव) के साँस लेने के माध्यम से चूहों को एनेस्थेटिक करें। अंग की वापसी पलटा की अनुपस्थिति से anesthetization की पुष्टि करें।
  2. पार्श्व पूंछ नस में अंतःशिरा रूप से रखे गए ट्यूबिंग के माध्यम से एक गैडोलिनियम युक्त कंट्रास्ट एजेंट (0.4 एमएल / किग्रा) इंजेक्ट करें। एक गर्म पानी परिसंचारी हीटिंग कंबल के साथ जानवर को कवर करें और उन्हें एमआरआई बिस्तर में रखें। संज्ञाहरण के तहत सूखी आंखों को रोकने के लिए एक कार्बोमर आई जेल लागू करें। एक Tx / Rx चूहा मस्तिष्क मात्रा कुंडल के साथ धारक में एमआरआई बिस्तर रखें।
  3. ट्यूमर के विकास का आकलन करने के लिए एक T2-भारित स्पिन-इको स्कैन के बाद एक स्थानीयकरण स्कैन करें। इन T2-MRI अनुक्रम सेटिंग्स का उपयोग करें: पुनरावृत्ति समय (TR)/प्रतिध्वनि समय (TE) 3661/37.1 ms, 109 μm आइसोट्रोपिक इन-प्लेन रिज़ॉल्यूशन, स्लाइस मोटाई 600 μm, 4 औसत, 30 स्लाइस, कुल अधिग्रहण समय (टीए) 9 मिनट 45 s।
  4. यदि टी 2-भारित अधिग्रहण पर एक ट्यूमर की पुष्टि की जाती है, तो टी 1-भारित कंट्रास्ट-एन्हांस्ड स्पिन इको स्कैन करें। इन T1-एमआरआई अनुक्रम सेटिंग्स का उपयोग करें: TR / TE 1539 / 9.7 एमएस, 0.117 मिमी आइसोट्रोपिक इन-प्लेन रिज़ॉल्यूशन, स्लाइस मोटाई 600 μm, 3 औसत, 30 स्लाइस, टीए 4 मिनट 15 एस।
  5. एमआरआई के बाद, जानवर की लगातार निगरानी करें जब तक कि वह पूर्ण चेतना प्राप्त न कर ले।
  6. जब ट्यूमर 7 से 8 मिमी के व्यास तक पहुंच जाता है, तो आमतौर पर टीकाकरण के 12 दिनों के बाद मनाया जाता है, तो चिकित्सा के लिए जानवर का चयन करें।

3. लक्ष्य मात्रा चयन की multimodulity इमेजिंग

नोट: पीईटी / एमआरआई-निर्देशित विकिरण को एक मल्टीमॉडल डेटासेट के अनुक्रमिक अधिग्रहण की आवश्यकता होती है। रेडियोट्रेसर के अंतःशिरा प्रशासन के बाद, पीईटी इमेजिंग शुरू की जाती है, इसके बाद इसके विपरीत-संवर्धित टी 1-भारित एमआरआई और अंत में एक उपचार-योजना सीटी होती है।

  1. एक नाक शंकु का उपयोग करके ऑक्सीजन (0.3 एल / मिनट) के साथ मिश्रित आइसोफ्लुरेन (5% प्रेरण, 2% रखरखाव) के साथ जानवर को एनेस्थेटिक करें। एनेस्थेटाइजेशन की पुष्टि करें जब चूहे अंग के किसी भी वापसी पलटा को प्रदर्शित नहीं करते हैं। संज्ञाहरण के तहत सूखी आंखों को रोकने के लिए कार्बोमर आई जेल लागू करें।
  2. पार्श्व पूंछ नस में अंतःशिरा रूप से टयूबिंग डालें, जिससे पीईटी रेडियोधर्मी अनुरेखक के 10-12 MBq के इंजेक्शन को 200 μL खारा में भंग कर दिया जा सके। इंजेक्ट [18F]-FET, पीईटी अधिग्रहण से पहले 1 ज. जानवर को होश में आने दें, जबकि अनुरेखक शरीर के माध्यम से वितरित किया जाता है।
  3. जानवर को फिर से एनेस्थेटिक करें, जैसा कि चरण 3.1 में वर्णित है। जानवर को एक मल्टीमोडलिटी बेड (यहां, इन-हाउस बनाया गया) पर रखें और इसे हुक-एंड-लूप फास्टनरों का उपयोग करके सुरक्षित करें, इमेजिंग और माइक्रो-विकिरण के दौरान एक निश्चित स्थिति बनाए रखें। आसान सह-पंजीकरण के लिए एमआरआई / पीईटी एजेंट ( सामग्री की तालिका देखें) से भरे केशिका को ठीक करें। मल्टीमोडलिटी इमेजिंग और थेरेपी के दौरान अपने शरीर के तापमान को संरक्षित करने के लिए जानवर को बबल रैप में लपेटें।
  4. पीईटी अनुरेखक के इंजेक्शन के बाद 1 घंटे का पीईटी स्कैन करें। 30 पुनरावृत्तियों का उपयोग करके अधिकतम-संभावना अपेक्षा-अधिकतमकरण (MLEM)-एल्गोरिथ्म लागू करके 0.4 मिमी voxel आकार के साथ 3D वॉल्यूम (192 x 192 x 384 मैट्रिक्स) में PET स्कैन का पुनर्निर्माण करें।
    नोट: प्रयोगशाला पशु इमेजिंग के लिए एक समर्पित पीईटी स्कैनर का उपयोग 130 मिमी के दृश्य के अक्षीय क्षेत्र और 72 मिमी के बोर व्यास के साथ किया गया था। यह प्रणाली उप-मिमी (0.85 मिमी) स्थानिक रिज़ॉल्यूशन प्रदान करती है।
  5. एक एमआरआई कंट्रास्ट एजेंट (0.4 एमएल / किग्रा) को पूंछ की नस में अंतःशिरा रूप से इंजेक्ट करें। चूहे को रखें, अभी भी मल्टीमॉडलिटी बिस्तर पर तय किया गया है, एमआरआई स्कैनर (सामग्री की तालिका) के पशु धारक में। एक विपरीत-एन्हांस्ड T1-भारित स्पिन-इको अनुक्रम के बाद एक स्थानीयकरण स्कैन करें, जो चरण 2.4 के अनुरूप है।
  6. जानवर को रखें, जो अभी भी मल्टीमोडलिटी बेड पर तय किया गया है, एक प्लास्टिक धारक पर माइक्रो-इरेडिएटर पर चार-अक्ष रोबोट पोजिशनिंग टेबल पर सुरक्षित है। 70 केवी की एक ट्यूब वोल्टेज, 0.4 mA की एक ट्यूब वर्तमान, एक 1 मिमी एल्यूमीनियम फ़िल्टर, और 20 x 20 सेमी (1024 x 1024 पिक्सेल) अनाकार सी फ्लैट पैनल डिटेक्टर का उपयोग करके एक उच्च-रिज़ॉल्यूशन उपचार-योजना शंकु-बीम सीटी करें। 360 डिग्री से अधिक 360 अनुमानों की कुल प्राप्त करें। 0.275 मिमी (411 x 411 x 251 मैट्रिक्स) के एक आइसोट्रोपिक वोक्सेल आकार के साथ सीटी छवियों का पुनर्निर्माण करें।

4. छवि सह पंजीकरण

नोट:: सह-पंजीकरण एक अर्ध-स्वचालित MATLAB कोड में विकसित इन-हाउस के साथ किया जाता है। कोड https://github.com/sdonche/DosePainting पर Github पर पाया जा सकता है। विभिन्न चरणों को नीचे वर्णित किया गया है।

  1. तीन छवि तौर-तरीकों ([18F]FET PET, कंट्रास्ट-एन्हांस्ड T1-भारित MRI, और शंकु-बीम CT) को एक फ़ोल्डर में रखें। Mricron छवि viewer24 से dcm2niix फ़ंक्शन का उपयोग कर NIfTI स्वरूप के लिए DICOM छवियों कनवर्ट करें।
  2. MATLAB में परिवर्तित छवियों को आयात करें और 1 मिमी के पूर्ण चौड़ाई आधे-अधिकतम (FWHM) का उपयोग करके गाऊसी फ़िल्टर के साथ PET छवि को फ़िल्टर करें।
  3. छवियों को फिर से तैयार करें ताकि सभी इमेजिंग तौर-तरीकों से कार्टेशियन अक्ष एक दूसरे के अनुरूप हों।
    नोट:: इस सेटअप के लिए, CT छवि Y-अक्ष के चारों ओर फ़्लिप किया गया था; एमआरआई एक्स-अक्ष के चारों ओर फ़्लिप किया गया था, और पीईटी को वाई-अक्ष के चारों ओर फ़्लिप किया गया था।
  4. स्वचालित सह-पंजीकरण को सरल बनाने के लिए पीईटी छवि को क्रॉप करें।
    नोट:: इस सेटअप के लिए, 40 पिक्सेल X-अक्ष (जानवर के बाएँ और दाएँ) के दोनों किनारों से शून्य करने के लिए सेट किए गए थे; जानवर (वाई-अक्ष) के पृष्ठीय और वेंट्रल पक्ष पर, क्रमशः 60 और 40 पिक्सेल को शून्य पर सेट किया गया था; अनुदैर्ध्य अक्ष (या Z-अक्ष) के साथ, 170 और 30 पिक्सेल क्रमशः अवर और बेहतर पक्ष के लिए शून्य पर सेट किए गए हैं।
  5. स्वचालित सह-पंजीकरण को सरल बनाने के लिए छवि केंद्रों को एक-दूसरे के करीब ले जाएँ.
  6. MATLAB26 में सांख्यिकीय पैरामीट्रिक मैपिंग (SPM) का उपयोग कर वास्तविक कठोर-शरीर सह-पंजीकरण निष्पादित करें। निम्न पंजीकरण पैरामीटर (डिफ़ॉल्ट पर अन्य) का उपयोग करें: उद्देश्य फ़ंक्शन: पारस्परिक जानकारी; अलगाव: [4 1 0.2]; सहनशीलता: [0.02 0.02 0.02 0.001 0.001 0.001 0.001 0.01 0.01 0.001 0.001 0.001]; हिस्टोग्राम चिकनाई: [1 1]; इंटरपोलेशन: त्रिरेखीय।

5. विकिरण उपचार योजना

नोट: विकिरण उपचार योजना के लिए एक MATLAB एप्लिकेशन और कई MATLAB स्क्रिप्ट लिखे गए थे। कोड https://github.com/sdonche/DosePainting पर Github पर पाया जा सकता है। विभिन्न चरणों को नीचे समझाया गया है।

  1. विधि 1
    1. MATLAB अनुप्रयोग में तीन अलग-अलग इमेजिंग तौर-तरीकों को लोड करें। T1-भारित एमआरआई स्कैन (चित्रा 1) पर कंट्रास्ट एन्हांसमेंट के चारों ओर एक उदार बाउंडिंग बॉक्स रखें। थ्रेशोल्ड (चित्र 2) का उपयोग करके कंट्रास्ट-एन्हांस्ड वॉल्यूम निर्धारित करें. यदि कई क्षेत्रों का चयन किया गया है, तो केवल सबसे बड़ी मात्रा का चयन करें, जिसके केंद्र को आरटी (चित्रा 3) के लिए निर्धारित खुराक देने के लिए पहले आइसोसेंटर के रूप में माना जाता है।
    2. प्रत्येक दिशा में 10 पिक्सेल द्वारा पहले से निर्धारित MRI कंट्रास्ट एन्हांसमेंट का विस्तार करें। यदि कई क्षेत्रों का पता लगाया जाता है, तो केवल सबसे बड़ी पीईटी मात्रा को बनाए रखें, जिसके केंद्र को आरटी के लिए निर्धारित खुराक देने के लिए दूसरा आइसोसेंटर माना जाता है।
      नोट:: इस PET वॉल्यूम में, PET बूस्ट वॉल्यूम इस वॉल्यूम में अधिकतम सिग्नल तीव्रता (बाउंडिंग बॉक्स में) 0.90 × से अधिक सिग्नल तीव्रता वाले पिक्सेल द्वारा परिभाषित किया गया है।
    3. परिकलित isocenters (चित्र4 और तालिका 1) के लिए निम्न विकिरण सेटिंग्स का उपयोग करें।
      1. पहले isocenter (एमआरआई) के लिए, 2000 cGy की एक निर्धारित खुराक 3 गैर-coplanar आर्क्स का उपयोग करके सोफे की स्थिति 0 °, -45 °, और -90° का उपयोग करके क्रमशः 120°, 120°, और 60° के गैंट्री रोटेशन के साथ दें। 10 x 10 मिमी के एक निश्चित कॉलिमेटर आकार का उपयोग करें, लेकिन एक उपयुक्त कॉलिमेटर (उदाहरण के लिए, एक 5 x 5 मिमी कॉलिमेटर) का उपयोग करें जब छोटे ट्यूमर के आकार को विकिरणित करने की आवश्यकता होती है। जानवर के कल्याण पर विचार करने में सावधान रहें जब ट्यूमर की मात्रा 10 मिमी से अधिक हो।
      2. दूसरे isocenter (पीईटी) के लिए, 800 cGy की एक निर्धारित खुराक 3 गैर-coplanar आर्क्स का उपयोग करके सोफे की स्थिति 0 °, -45 °, और -90° का उपयोग करके क्रमशः 120°, 120°, और 60° के गैंट्री रोटेशन के साथ दें। 3 x 3 मिमी के एक निश्चित कॉलिमेटर आकार का उपयोग करें।
    4. जानवर और बीम वितरण मापदंडों के भीतर खुराक वितरण की गणना करें।
  2. विधि 2
    1. MATLAB अनुप्रयोग में तीन अलग-अलग इमेजिंग तौर-तरीकों को लोड करें। [18F] FET PET छवि पर कंट्रास्ट-एन्हांसमेंट के चारों ओर एक उदार बाउंडिंग बॉक्स रखें, जो चरण 5.1.1 के अनुरूप है।
    2. पिक्सेल द्वारा परिभाषित वॉल्यूम निर्धारित करें जिसमें A × अधिकतम सिग्नल तीव्रता (उपर्युक्त बाउंडिंग बॉक्स में) से अधिक सिग्नल तीव्रता होती है, जिसमें A 0.50, 0.60, 0.70, 0.80, और 0.90 के बराबर होता है। इन खंडों का नाम क्रमशः V50, V60, V70, V80, और V90 है।
    3. MATLAB स्क्रिप्ट का उपयोग करके motorized चर collimator का मार्गदर्शन करने के लिए आवश्यक प्रत्येक बीम के लिए isocenters और जबड़े आयाम निर्धारित करें ( चित्रा 5 देखें)।
    4. परिकलित isocenters और जबड़े आयामों के लिए निम्न सेटिंग्स का उपयोग करें:
      1. V50 के लिए, 16 बीम (प्रत्येक 125 cGy; तालिका 2 में सोफे और गैंट्री पदों) पर वितरित 2000 cGy की एक निर्धारित खुराक दें। MVC के लिए परिकलित जबड़े आयामों का उपयोग करें।
        नोट: यहाँ, माइक्रोस्कोपिक ट्यूमर घुसपैठ के लिए खाते के लिए 1 मिमी का एक अतिरिक्त मार्जिन शामिल किया गया है।
      2. V60-V90 के लिए, 40 बीम (प्रत्येक 20 cGy; तालिका 2 में सोफे और गैंट्री पदों) पर वितरित 800 cGy की एक निर्धारित खुराक दें। MVC के लिए परिकलित जबड़े आयामों का उपयोग करें।
    5. जानवर और बीम वितरण मापदंडों के भीतर खुराक वितरण की गणना करें।

6. योजना मूल्यांकन

नोट:: दो विधियों की तुलना करने के लिए, V50 PET वॉल्यूम में खुराक-वॉल्यूम हिस्टोग्राम (DVH) और Q-वॉल्यूम हिस्टोग्राम (QVH) की गणना करें। यहां, एक MATLAB स्क्रिप्ट, इन-हाउस विकसित की गई थी, का उपयोग किया गया था। कोड https://github.com/sdonche/DosePainting पर Github पर पाया जा सकता है।

  1. खुराक-आयतन हिस्टोग्राम
    1. खुराक वितरण है कि SARRP से प्राप्त किया गया था से DVH जनरेट करें।
    2. D10, D50, और D90 की गणना करके DVH से अधिकतम, माध्य और न्यूनतम खुराक निर्धारित करें, जहां Dx मात्रा के x% द्वारा प्राप्त खुराक के लिए खड़ा है।
  2. क्यू-वॉल्यूम हिस्टोग्राम
    1. Eq. 1 का उपयोग करके प्रत्येक पिक्सेल के लिए एक आदर्श खुराक की गणना करें, जो न्यूनतम और अधिकतम खुराक के बीच एक रैखिक इंटरपोलेशन है, आनुपातिक रूप से एक आदर्श खुराक मानचित्र देने के लिए लक्ष्य मात्रा के भीतर न्यूनतम पीईटी तीव्रता और अधिकतम पीईटी तीव्रता के बीच भिन्न होता है।
    2. निम्न समीकरण (Eq. 2) का उपयोग करके प्रत्येक पिक्सेल के लिए Q-मान Qp परिकलित करें:
      Equation 2Eq. 2
      Dp के साथ योजना और डीआई द्वारा प्राप्त खुराक जा रहा है, योजना के लिए खुराक उद्देश्य.
    3. प्राप्त Q-मानों से QVH जनरेट करें।
    4. Eq. 3 का उपयोग करके नियोजित और इच्छित खुराक के बीच के अंतर का मूल्यांकन करने के लिए गुणवत्ता कारक ( Q-factor, QF) की गणना करें:
      Equation 3Eq. 3

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Representative Results

मानव उपचार रणनीति की नकल करने के लिए SARRP का उपयोग करके एक ग्लियोब्लास्टोमा चूहा मॉडल में पीईटी- और एमआरआई-निर्देशित विकिरण की व्यवहार्यता को पहले 20,21,22 वर्णित किया गया है। जबकि जानवर को घर में बने मल्टीमॉडलिटी बेड पर तय किया गया था, तीन इमेजिंग तौर-तरीकों के संयोजन से एक स्वीकार्य विकिरण उपचार योजना बनाना संभव था: पीईटी, एमआरआई और सीटी। इन विधियों में, एक बाहरी सॉफ़्टवेयर पैकेज (सामग्री की तालिका देखें) का उपयोग मैन्युअल रूप से कठोर-शरीर परिवर्तनों का उपयोग करके छवियों को सह-पंजीकृत करने के लिए किया गया था। कंट्रास्ट-एन्हांस्ड टी 1-भारित एमआरआई और पीईटी छवियों का नेत्रहीन मूल्यांकन किया गया था, जिसमें से आइसोसेंटर्स को मैन्युअल रूप से चुना गया था। हालांकि, यह पद्धति श्रम-गहन साबित हुई और निश्चित रूप से जानवरों पर इसका प्रभाव पड़ता है क्योंकि उन्हें मल्टीमोडलिटी इमेजिंग और उपचार योजना के निर्माण के दौरान सामान्य संज्ञाहरण के तहत रहना पड़ता है। इसलिए, नई पद्धति का उद्देश्य विकिरण उपचार योजना बनाने के लिए आवश्यक समग्र विचरण और समय को कम करने के लिए इस प्रक्रिया में विशिष्ट चरणों को स्वचालित करना है।

इस पेपर में, दो तरीकों की तुलना की जाती है। विधि 1 कुछ समायोजन (तालिका 1) के साथ पहले प्रकाशित पद्धति 20,21,22 के समान है। हालांकि, पहले प्रकाशित पद्धति के विपरीत, अधिकांश प्रक्रिया इन-हाउस विकसित MATLAB कोड का उपयोग करके स्वचालित है। विधि 2 एक अधिक परिष्कृत विधि है जिसमें एमवीसी के लिए आइसोसेंटर और जबड़े के आयामों की एक श्रृंखला [18F] FET PET uptake (चित्रा 5) के आधार पर निर्धारित की जाएगी। V50, V60, V70, V80, और V90 के लिए isocontours चित्र 6 में दिखाए गए हैं।

दोनों विधियों को तीन अलग-अलग मामलों में लागू किया गया था (चित्रा 7)। इन मामलों को दो अलग-अलग प्रकारों में विभाजित किया जा सकता है: [18F] घुसपैठ करने वाले ट्यूमर के मोर्चे में FET PET uptake और ट्यूमर नेक्रोसिस की उपस्थिति और [18F] FET PET अपटेक कोई ट्यूमर नेक्रोसिस का संकेत नहीं देता है। केस 1 को एक गोलाकार सजातीय पीईटी अपटेक के रूप में वर्णित किया जा सकता है, जबकि केस 2 और 3 में एक अंगूठी के आकार का अपटेक होता है जहां कम पीईटी-अपटेक सबसे अधिक संभावना है नेक्रोटिक ऊतक। केस 3 भी पृष्ठीय क्षेत्र की ओर बढ़ते हुए एक अतिरिक्त क्षेत्र को दिखाता है।

दोनों विधियों के लिए सेटअप पैरामीटर की गणना करने के बाद, प्रत्येक मामले (चित्रा 8) के लिए खुराक वितरण SARRP के PCTPS का उपयोग करके निर्धारित किए गए थे। DVHs (चित्रा 9) को पिक्सेल द्वारा परिभाषित वॉल्यूम में खुराक वितरण से प्राप्त किया जा सकता है, जिसमें सिग्नल तीव्रता 0.50 × अधिकतम पीईटी सिग्नल तीव्रता (बाउंडिंग बॉक्स में) से अधिक होती है। कोई भी देख सकता है कि विधि 2 के लिए DVHs व्यवस्थित रूप से विधि 1 के लिए उन लोगों की तुलना में आदर्श खुराक वितरण के करीब हैं। एक पर्याप्त ट्यूमर की मात्रा मामले 2 और 3 में अपर्याप्त विकिरण प्राप्त करता है जब विधि 1 के साथ इलाज किया जाता है। तालिका 3 इन निष्कर्षों की पुष्टि करता है: D90 और D50 मान विधि 2 की तुलना में विधि 1 के लिए काफी कम हैं। QVHs (चित्रा 10) भी इन खुराक वितरण से प्राप्त किया जा सकता है। आदर्श रूप से, ये वक्र एक के बराबर क्यू-मान पर एक तेज गिरावट बनाते हैं। विधि 2 हमेशा खुराक के उद्देश्य के करीब हैं जो खुराक वितरण में परिणाम है। तालिका 4 भी विधि 2 के लिए बेहतर समग्र Q-कारकों को प्रदर्शित करता है। 2000 cGy की न्यूनतम खुराक (D90) विधि 2 के साथ सभी मामलों के लिए प्राप्त की गई है, जबकि यह 2 मामलों में विधि 1 के साथ प्राप्त नहीं किया गया था। इसका मतलब यह है कि ट्यूमर की मात्रा विधि 1 का उपयोग कर अपर्याप्त विकिरण प्राप्त किया।

Figure 1
चित्रा 1: बाउंडिंग बॉक्स प्लेसमेंट. T1-भारित कंट्रास्ट एन्हांसमेंट F98 GB चूहे मॉडल में दिखाई देता है, और एक उदार बाउंडिंग बॉक्स को इन-हाउस विकसित MATLAB कोड का उपयोग करके ट्यूमर के चारों ओर रखा जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्रा 2: T1-भारित कंट्रास्ट-बढ़ाने वाले ट्यूमर delineation: चरण 1. ट्यूमर की मात्रा थ्रेशोल्डिंग का उपयोग करके कंट्रास्ट-एन्हांस्ड टी 1-भारित एमआरआई पर चित्रित की गई है। संक्षिप्त नाम: एमआरआई = चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्रा 3: T1-भारित कंट्रास्ट-बढ़ाने वाले ट्यूमर delineation: चरण 2. थ्रेशोल्डिंग चरण के दौरान एकाधिक वॉल्यूम का पता लगाया जाता है, तो आगे की प्रक्रिया के लिए सबसे बड़ा वॉल्यूम बनाए रखा जाता है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्रा 4: विधि 1 के लिए Isocenter परिकलन। कंट्रास्ट-एन्हांस्ड टी 1-भारित एमआरआई, सीटी और पीईटी छवियों को चित्रित किया गया है। नीले और लाल सर्कल क्रमशः एमआरआई- और पीईटी-आधारित आइसोसेंटर्स का प्रतिनिधित्व करते हैं। संक्षेप: एमआरआई = चुंबकीय अनुनाद इमेजिंग; CT = परिकलित टोमोग्राफी; PET = positron emission tomography कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्रा 5: जबड़े सेटअप गणना की व्याख्या। चरण 1: ट्यूमर की मात्रा निर्धारित की जाती है (नीले डॉट्स, शीर्ष छवि)। चरण 2: एक विमान (ब्लैक ग्रिड) विशिष्ट सोफे और गैंट्री पदों पर घटना बीम (मैजेंटा लाइन, शीर्ष छवि) के लंबवत बनाया गया है। चरण 3: ट्यूमर voxels (नीले डॉट्स, शीर्ष छवि) लंबवत रूप से उपर्युक्त विमान पर प्रक्षेपित कर रहे हैं, जिसके परिणामस्वरूप अनुमानित voxels (लाल डॉट्स) का एक सेट होता है। चरण 4: आइसोसेंटर और जबड़े के आयामों (हरी रेखाओं, नीचे की छवि) को निर्धारित करें ताकि सभी प्रक्षेपित वोक्सेल को परिवर्तनीय कॉलिमेटर (नीचे की छवि) के दो सममित जबड़े द्वारा परिभाषित आयताकार बीम के भीतर शामिल किया जा सके। इन आंकड़ों को MATLAB में उत्पन्न किया गया था। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 6
चित्रा 6: ट्यूमर isocontours. ट्रांसएक्सियल, कोरोनल, और ट्यूमर वॉल्यूम V50, V60, V70, V80, और V90 के साथ मस्तिष्क ट्यूमर के माध्यम से sagittal स्लाइस 50%, 60%, 70%, 80%, और पीईटी छवियों में अधिकतम ट्यूमर अपटेक के 90% के अनुरूप isocontours द्वारा निर्धारित किया गया है। संक्षिप्त रूप: टीवी = transaxial; COR = कोरोनल; SAG = sagittal; PET = positron emission tomography कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 7
चित्रा 7: [18F] तीन मामलों के लिए FET पीईटी इमेजिंग। sagittal, अनुप्रस्थ, और ललाट दृश्य सभी तीन मामलों के लिए प्रदर्शित किए जाते हैं। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 8
चित्रा 8: दोनों विधियों के लिए खुराक वितरण। सभी तीन मामलों के लिए Sagittal, अनुप्रस्थ, और ललाट दृश्य विधि 1 और विधि 2 दोनों के लिए प्रदर्शित किए जाते हैं। खुराक वितरण को SARRP से शंकु-बीम सीटी इमेजिंग के साथ एक साथ दिखाया गया है। संक्षेप: सीटी = गणना टोमोग्राफी; SARRP का मतलब Small Animal Radiation Research Platform है। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 9
चित्रा 9: सभी मामलों के लिए DVH घटता है। DVH वक्र (cGy में) विधि 1, विधि 2, और आदर्श खुराक मानचित्र के लिए दिखाए जाते हैं। संक्षिप्त नाम: DVH = खुराक-आयतन हिस्टोग्राम। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 10
चित्रा 10: सभी मामलों के लिए क्यू-वॉल्यूम हिस्टोग्राम। QVH वक्र विधि 1, विधि 2, और आदर्श खुराक मानचित्र के लिए दिखाए जाते हैं। आदर्श रूप से, परिकलित QVH में Q-मान = 1 (आदर्श खुराक मानचित्र, नीली रेखा) पर एक तेज गिरावट होनी चाहिए। संक्षिप्त नाम: QVH = Q-वॉल्यूम हिस्टोग्राम। कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

पिछली विधि विधि 1 विधि 2
ढेला व्यास 5 मिमी 7-8 मिमी 7-8 मिमी
पालतू रिज़ॉल्यूशन (मिमी) 1.2 0.85 0.85
आधार विकिरण खुराक (cGy) 2000 2000 2000
लक्ष्य CE T1 ट्यूमर CE T1 ट्यूमर V50
कॉलिमेटर (mm²) 5x5 10x10 MVC
वितरण 3 गैर-कोप्लानर आर्क्स 3 गैर-कोप्लानर आर्क्स 16 बीम
सोफे की स्थिति -45°, 0°, 45° 0°, -45°, -90° 0°, -45°, -90°
विकिरण को बढ़ावा देने या खुराक पेंटिंग खुराक (cGy) 500 800 800
लक्ष्य अधिकतम पीईटी अपटेक अधिकतम पीईटी अपटेक V60-V90
कॉलिमेटर (mm²) 1x1 3x3 MVC
वितरण 3 गैर-कोप्लानर आर्क्स 3 गैर-कोप्लानर आर्क्स 40 बीम
सोफे की स्थिति -45°, 0°, 45° 0°, -45°, -90° 0°, -45°, -90°

तालिका 1: विधि तुलना. यह तालिका आगे विधि 1, विधि 2, और पिछली विधि (पहले से ही प्रकाशित की गई विधि का उल्लेख करते हुए) 20,21,22 को स्पष्ट करती है। विधियाँ 1 और 2 उप-मिलीमीटर स्थानिक संकल्प के साथ एक प्रीक्लिनिकल पीईटी स्कैनर 27 का उपयोग करती हैं, जिससे ट्यूमर विषमता को अधिक स्पष्ट रूप से कल्पना करना संभव हो जाता है। सोफे की स्थिति -90 ° पर, जानवर के साथ टकराव से बचने के लिए 120 ° में से 60 ° का उपयोग करना केवल संभव है। इस खामी के बावजूद, इस सोफे की स्थिति में ट्यूमर तक आसान पहुंच है क्योंकि यह सही गोलार्ध में स्थित है। अन्य सोफे की स्थिति पूर्ण 120 ° रोटेशन कर सकते हैं। संक्षेप: CE T1 = इसके विपरीत-संवर्धित T1-भारित; MVC = motorized चर collimator; PET = positron emission tomography

सोफे की स्थिति गैंट्री स्थिति
0° - 20° 40° 60° 80° 100° 120°
-45° - 20° 40° 60° 80° 100° 120°
-90° 0° 20° 40° 60° - - -

तालिका 2: विधि 2 के लिए बीम सेटअप। सभी अलग-अलग बीम के गैन्ट्री और सोफे की स्थिति प्रदर्शित की जाती है। V50 सभी कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करता है, जबकि V60-V90 केवल बोल्ड में दिखाए गए कॉन्फ़िगरेशन का उपयोग करता है।

D90 D50 D10
स्थिति 1 आदर्श खुराक मानचित्र 2336.94 2461.21 2745.63
विधि 1 2024.47 2389.75 2796.82
विधि 2 2164.21 2490.18 2747.64
केस 2 आदर्श खुराक मानचित्र 2391.76 2540.55 2752.56
विधि 1 1894.93 2127.86 2606.48
विधि 2 2322.11 2597.31 2848.03
केस 3 आदर्श खुराक मानचित्र 2377.47 2556.7 2761.38
विधि 1 1874.58 2103.78 2691.69
विधि 2 2354.03 2602.64 2907.41

तालिका 3: DVH मान. D10, D50, और D90 की गणना क्रमशः अधिकतम, माध्य और न्यूनतम खुराक के विकल्प के रूप में की गई थी। Dx मात्रा के x% द्वारा प्राप्त खुराक के लिए खड़ा है। संक्षिप्त नाम: DVH = खुराक-आयतन हिस्टोग्राम।

Q-गुणक स्थिति 1 केस 2 केस 3
विधि 1 0.0898 0.1573 0.1773
विधि 2 0.0572 0.057 0.0778

तालिका 4: Q-कारक। तालिका प्रत्येक मामले के लिए विधि 1 और विधि 2 के लिए समग्र Q-कारक प्रदर्शित करता है। क्यू-फैक्टर शून्य होगा यदि वितरित खुराक और निर्धारित खुराक बराबर हैं।

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Discussion

ग्लियोब्लास्टोमा रोगियों के लिए क्लिनिक में कीमो-विकिरण उपचार की नकल करने के लिए एक चूहा जीबी मॉडल पहले 20 वर्णित किया गया था। नैदानिक विधि के समान, सीटी और एमआरआई को अधिक सटीक विकिरण प्राप्त करने के लिए उपचार-योजना प्रक्रिया के दौरान जोड़ा गया था। (सिर) आंदोलन को कम करने के लिए एक मल्टीमोडलिटी बिस्तर का उपयोग तब किया गया था जब जानवर को एक इमेजिंग सिस्टम से दूसरे में ले जाया गया था। बाद में, पीईटी इमेजिंग को उपचार-योजना प्रक्रिया में जोड़ा गया था, और पीईटी-आधारित उप-मात्रा बढ़ाने को सफलतापूर्वक लागू किया जा सकता है21,22। उपचार-योजना प्रक्रिया में पीईटी जैसे कार्यात्मक छवि पद्धति को शामिल करने से (जैविक) ट्यूमर विषमता के विज़ुअलाइज़ेशन की अनुमति मिलती है। यह आक्रामक और / या विकिरण-प्रतिरोधी ट्यूमर क्षेत्रों के लक्ष्यीकरण की सुविधा प्रदान करता है। यद्यपि यह विधि संभव है, यह बहुत श्रम-गहन साबित हुई क्योंकि मल्टीमॉडल इमेजिंग, उपचार योजना और खुराक वितरण को प्रीक्लिनिकल सेटिंग में क्रमिक रूप से पूरा किया जाना चाहिए। इसके अलावा, इस प्रक्रिया के दौरान, जानवरों को सामान्य संज्ञाहरण 22 के तहत रहना पड़ता है। इसलिए, प्रीक्लिनिकल उपचार-योजना प्रक्रिया की दक्षता में सुधार करना आवश्यक है।

यह पेपर प्रीक्लिनिकल मल्टीमॉडल इमेजिंग-आधारित विकिरण उपचार योजना को और अनुकूलित करने के लिए एक उपयोगकर्ता के अनुकूल अर्ध-स्वचालित एल्गोरिथ्म प्रस्तुत करता है। सीटी, एमआरआई और पीईटी की योजना के बीच सह-पंजीकरण स्वचालित थे, लक्ष्य आइसोसेंटर्स का पता लगाने के साथ संयोजन में। ध्यान दें, सॉफ़्टवेयर टूल को ब्लैक बॉक्स के रूप में नहीं माना जाना चाहिए, और उचित गुणवत्ता की जांच करना महत्वपूर्ण है। इस पूरी प्रक्रिया में सबसे महत्वपूर्ण कदम सीटी, एमआरआई और पीईटी की योजना बनाने के स्वचालित सह-पंजीकरण के परिणामों का मूल्यांकन करना है जो जितना संभव हो उतना सटीक होना चाहिए। एल्गोरिथ्म के आउटपुट में लक्ष्य आइसोसेंटर्स की स्थिति और विभिन्न विकिरण बीम के लिए एमवीसी के जबड़े के आयाम शामिल हैं। इन मानों को PCTPS के नवीनतम संस्करण में आयात किया जा सकता है।

इस सॉफ़्टवेयर टूल का उपयोग सिलिको अध्ययन डिजाइन में उपयोग करके माइक्रो-इरेडिएटर पर पीईटी-आधारित खुराक पेंटिंग की सटीकता और दक्षता का मूल्यांकन करने के लिए किया गया था। अनुकूलित उपचार-योजना प्रक्रिया समय दक्षता, इंट्रा- और अंतर-उपयोगकर्ता परिवर्तनशीलता और सटीकता के मामले में पहले से वर्णित विधि 21,22 से बेहतर थी। जबकि मल्टीमॉडल इमेजिंग सहित पारंपरिक प्रीक्लिनिकल उपचार योजना को 180 मिनट 22 तक की आवश्यकता हो सकती है, इस समय को इस पांडुलिपि में प्रस्तुत अर्ध-स्वचालित तरीकों के साथ ~ 80 मिनट तक कम किया जा सकता है। इसके अलावा, मानव त्रुटियों को मैनुअल सह-पंजीकरण और आइसोसेंटर्स के दृश्य निर्धारण के दौरान पारंपरिक उपचार-योजना प्रक्रिया में अधिक संभावना है, जिसके परिणामस्वरूप बड़े इंट्रा- और अंतर-उपयोगकर्ता परिवर्तनशीलता होती है। स्वचालित सह-पंजीकरण और एल्गोरिथ्म द्वारा लक्ष्य isocenters का पता लगाने इन इंट्रा और अंतर उपयोगकर्ता variability को कम कर देगा। इसके अलावा, अनुकूलित और स्वचालित वर्कफ़्लो ट्यूमर की मात्रा का अधिक सटीक विकिरण प्रदान करता है। यह कम क्यू-कारकों (तालिका 4) द्वारा सचित्र है, जो पीसीटीपीएस और निर्धारित खुराक द्वारा गणना / वितरित खुराक के बीच अंतर का आकलन करता है।

यह भी उल्लेखनीय है कि एक एमवीसी के उपयोग के परिणामस्वरूप आसपास के सामान्य मस्तिष्क के ऊतकों के लिए कम खुराक होती है, एक निश्चित बीम आकार के साथ कॉलिमेटर की तुलना में। यह चित्रा 7 में सचित्र है और DPBN आरटी रणनीति (जहां बहु-पत्ती कॉलिमेटर का उपयोग किया जाता है) और प्रयोगशाला पशु विकिरण अनुसंधान का मूल्यांकन करने वाले नैदानिक परीक्षणों के बीच के अंतर को कम करने के लिए महत्वपूर्ण है। हालांकि, हम मानते हैं कि बीम पदों के बीच स्विच करने और प्रत्येक व्यक्तिगत बीम के लिए जबड़े के आयामों को समायोजित करने के लिए एमवीसी का उपयोग करते समय खुराक वितरण थोड़ा धीमा हो सकता है। अंत में, प्रीक्लिनिकल उपचार योजना अक्सर आगे की योजना द्वारा की जाती है। इस पेपर में वर्णित पद्धति व्युत्क्रम योजना की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है, जिसका उपयोग आमतौर पर क्लिनिक में किया जाता है, और प्रीक्लिनिकल विकिरण अनुसंधान और क्लिनिक के बीच के अंतर को और कम करता है।

इस अध्ययन की कुछ सीमाएं भी हैं। इस पांडुलिपि में वर्णित प्रयोगों के लिए, सबसे अधिक इस्तेमाल किए जाने वाले अमीनो एसिड पीईटी ट्रेसर [18F] एफईटी का उपयोग किया गया था। विकिरण उपचार का मार्गदर्शन करने के लिए अन्य पीईटी ट्रेसर का उपयोग करते समय, अर्ध-स्वचालित वर्कफ़्लो की ठीक से जांच की जानी चाहिए क्योंकि सह-पंजीकरण कम सटीक हो सकता है। इसके अलावा, उपचार की योजना और खुराक वितरण पर पीईटी और / या एमआरआई के लिए एक अलग वोक्सेल आकार का उपयोग करने के प्रभाव की आगे जांच की जानी चाहिए। अंत में, प्रीक्लिनिकल उपचार-योजना प्रक्रिया को अनुकूलित करने के लिए यहां वर्णित पद्धति में पहले से वर्णित विधि 21,22 की तुलना में कई फायदे हैं। सिलिको अध्ययन डिजाइन में एक का उपयोग करते हुए, यह साबित हुआ कि प्रीक्लिनिकल मल्टीमॉडल उपचार योजना के लिए उपन्यास वर्कफ़्लो खुराक वितरण के मामले में अधिक सटीक है, अधिक समय-कुशल है, और कम इंट्रा- और अंतर-उपयोगकर्ता परिवर्तनशीलता दिखाता है। ये सुधार नैदानिक और प्रीक्लिनिकल विकिरण अनुसंधान के बीच के अंतर को कम करने और ग्लियोब्लास्टोमा के लिए नए चिकित्सीय और / या विकिरण चिकित्सा प्रक्रियाओं के विकास के लिए आवश्यक हैं।

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Disclosures

लेखकों के पास खुलासा करने के लिए हितों का कोई संघर्ष नहीं है।

Acknowledgments

लेखक इस काम का समर्थन करने के लिए लक्स लुका फाउंडेशन को धन्यवाद देना चाहते हैं।

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Cell culture
F98 Glioblastoma Cell Line ATCC CRL-2397 https://www.lgcstandards-atcc.org/products/all/CRL-2397
Dulbeco's Modified Eagle Medium Thermo Fisher Scientific 22320-030
Cell culture flasks Thermo Fisher Scientific 178883 75 cm²
FBS Thermo Fisher Scientific 10270106
L-Glutamine Thermo Fisher Scientific 25030-032 200 mM
Penicilline-Streptomycin Thermo Fisher Scientific 15140-148 10,000 U/mL
Phosphate-Buffered Saline (PBS) Thermo Fisher Scientific 14040-224
Trypsin-EDTA Thermo Fisher Scientific 25300-062 0.05%
GB Rat Model
Ball-shaped burr Foredom A-228 1.8 mm
Bone Wax Aesculap 1029754 https://www.aesculapusa.com/en/healthcare-professionals/or-solutions/or-solutions-cranial-closure/hemostatic-bone-wax.html
Ethilon Ethicon 662G/662H FS-2, 4-0, 3/8, 19 mm
Fischer F344/Ico crl Rats Charles River -
Insulin Syringe Microfine Beckton-Dickinson 320924 1 mL, 29 G
IR Lamp Philips HP3616/01
Meloxicam (Metacam) Boehringer Ingelheim - 2 mg/mL
Micromotor rotary tool Foredom K.1090-22
Micropump system Stoelting Co. 53312 Stoelting Stereotaxic Injector
Stereotactic frame Stoelting Co. 51600
Xylocaine (1%, with adrenaline 1:200,000) Aspen - 1%, with adrenaline 1:200,000
Xylocaine gel (2%) Aspen - 2%
Animal Irradiation
Micro-irradiator X-Strahl SARRP Version 4.2.0
Software X-Strahl Muriplan Preclinical treatment planning system (PCTPC), version 2.2.2
Small Animal PET
[18F]FET Inhouse made - PET tracer; along with Prohance: MRI/PET agent
Micro-PET Molecubes Beta-Cube https://www.molecubes.com/b-cube/
Small Animal MRI
Micro-MRI Bruker Biospin Pharmascan 70/16 https://www.bruker.com/products/mr/preclinical-mri/pharmascan.html
30 G Needle for IV injection Beckton-Dickinson 305128
PE 10 Tubing Instech Laboratories Inc BTPE-10 BTPE-10, polyethylene tubing 0.011 x 0.024 in (0.28 x 60 mm), non sterile, 30 m (98 ft) spool, Instech laboratories, Inc Plymouth meeting PA USA- (800) 443-4227- http://www.instechlabs.com
Prohance contrast agent Bracco Imaging - 279.3 mg/mL, gadolinium-contrast agent (along with [18F]FET: MRI/PET agent)
Tx/Rx Rat Brain - Mouse Whole Body Volumecoil Bruker Biospin - 40 mm diameter
Water-based Heating Unit Bruker Biospin MT0125
Consumables
Isoflurane Zoetis B506 Anesthesia
Insulin Syringe Microfine Beckton-Dickinson 320924 1 mL, 29 G
Image Analysis
MATLAB Mathworks - Version R2019b
PMOD PMOD technologies LLC Preclinical and molecular imaging software

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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  2. Wadajkar, A. S., et al. Tumor-targeted nanotherapeutics: Overcoming treatment barriers for glioblastoma. Wiley Interdisciplinary Reviews. Nanomedicine & Nanobiotechnology. 9 (4), (2016).
  3. Lim, M., Xia, Y., Bettegowda, C., Weller, M. Current state of immunotherapy for glioblastoma. Nature Reviews. Clinical Oncology. 15 (7), 422 (2018).
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Donche, S., Verhoeven, J., Descamps, B., Bouckaert, C., Raedt, R., Vanhove, C., Goethals, I. Positron Emission Tomography-based Dose Painting Radiation Therapy in a Glioblastoma Rat Model using the Small Animal Radiation Research Platform. J. Vis. Exp. (181), e62560, doi:10.3791/62560 (2022).

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