Summary
여기서는 정확성과 효율성을 최적화하기 위해 사내에서 개발한 알고리즘을 사용하여 쥐 교모세포종 모델에서 전임상 양전자 방출 단층 촬영 기반 방사선 요법을 수행하는 프로토콜을 제시합니다.
Abstract
클리닉에서 인간 교모 세포종의 화학 방사선 치료를 모방하는 쥐 교모 세포종 모델이 이전에 설립되었습니다. 임상 치료와 유사하게, 컴퓨터 단층 촬영(CT) 및 자기 공명 화상 진찰(MRI)은 처리 계획 과정에서 결합되었다. 양전자 방출 단층 촬영 (PET) 이미징은 이후 마이크로 조사 시스템을 사용하여 하위 볼륨 증폭을 구현하기 위해 추가되었습니다. 그러나, 마이크로 조사 시스템을 사용하여 3개의 화상 진찰 양식(CT, MRI 및 PET)을 결합하는 것은 다중 모달 화상 진찰, 처리 계획 및 복용량 납품이 전임상 조정에서 순차적으로 완료되어야 하기 때문에 노동 집약적인 것으로 판명되었습니다. 또한 인적 오류가 발생하기 쉬운 워크플로우가 발생합니다. 따라서 전임상 다모달 이미징 기반 방사선 치료 계획을 더욱 최적화하기 위한 사용자 친화적인 알고리즘이 구현되었다. 이 소프트웨어 도구는 실리코 연구 설계에서 을 사용하여 미세 조사로 방사능 요법의 정확성과 효율성을 평가하는 데 사용되었습니다. 용량 페인팅 방사선 요법을 위한 새로운 방법론은 정확도, 시간 효율성 및 사용자 간 가변성 측면에서 이전에 설명된 방법보다 우수합니다. 그것은 또한 임상 시스템과는 달리, 앞으로 계획이 아직도 일반적으로 이용되는 마이크로 조사에 역 처리 계획의 실행을 향한 중요한 단계입니다.
Introduction
교모세포종 (GB)은 악성 및 매우 공격적인 기본 뇌종양입니다. GB는 전형적으로 잠입 경계, 핵 atypia 및 괴사1을 특징으로 하는 고체 이질성 종양입니다. 혈액-뇌 장벽의 존재와 면역 특권 사이트로서의 뇌의 상태는 화학 요법과 면역 요법에 대한 새로운 표적의 발견을 어려운 작업2,3,4로 만듭니다. GB 환자의 치료는 2005년 외부 빔 방사선 요법(RT)과 수반되는 테모졸로미드를 결합한 Stupp 프로토콜의 도입 이후 거의 변경되지 않았으며, 일반적으로 보조 테모졸로미드5가 뒤따릅니다. 전형적으로, Stupp 프로토콜은 최대 외과 절제술에 선행됩니다. 따라서 대체 치료 접근법은 중추적인 중요성을 지니고 있습니다.
교모세포종 환자를 위한 현재 방사선 요법은 정의된 종양 부피에 균일한 방사선 량을 전달합니다. 방사선 종양학에서, 증가 복용량교모세포종에 대 한 중요 한 복용량 응답 상관 관계가 있다, 주위 모자 것 같다 60 Gy, 정상적인 brain6,7에 독성 증가 로 인해. 그러나, 종양은 매우 (방사선학적으로) 이질적일 수 있으며, 산소 수준 및/또는 세포 밀도의 큰 차이의 그라데이션이 있습니다. PET와 같은 신진 대사 이미징 기술은 이러한 생물학적 특징을 시각화할 수 있으며 용량 처방을 사용자 지정하는 데 활용할 수 있습니다. 이 방법은 복용량 페인팅 RT로 알려져 있습니다. 이 용어는 2000년에 Ling 외에서 소개되었습니다. 저자는 복용량 페인팅 RT를 생산으로 정의 "방사선 전파및 산란의 제약 내에서 절묘하게 공식적인 복용량 분포"8.
투여량도정RT의 두 가지 유형이 있다, 윤곽에 의해 복용량 페인팅 (DPBC), 복용량중첩 하위 볼륨의 집합에 처방 되는, 그리고 숫자에 의해 복용량 페인팅 (DPBN), 이에 의해 복용량은 복셀 수준에서 처방. DPBN RT에 대한 용량 분포는 기능성 이미지에서 추출될 수 있다. 각 복셀의 투여량은 이미지내의 해당 복셀의 강도 I에 의해 결정되며, 상한도는 한편으로는 종양의 모든 부분에 충분한 용량이 전달되도록 한다. 다른 한편으로는, 복용량 위험에 장기를 보호 하 고 독성을 피하기 위해 상한을 초과 하지 않습니다. 가장 간단한 방법은 최소 용량 Dmin과 최대 용량 Dmax 사이의 선형 보간(Eq. 1 참조)으로, 최소 강도 Imax와 목표 부피 내에서 최대 강도 사이에 비례적으로 변화합니다9,10
Eq. 1
DPBN RT의 품질 보증에 대한 몇 가지 회의론이 있기 때문에, 복용량의 증착은 전임상 및 임상 연구를 통해 확인되어야한다10. 그러나 제한된 데이터만 임상 시험에서 획득할 수 있으며 실험실 동물11,12로 축소하여 더 많은 통찰력을 얻을 수 있다고 가설이 있었습니다. 따라서, 정밀 이미지 유도 방사선 연구 플랫폼을 활용하는 전임상 연구는 사인 방사선 촬영과 같은 매우 구체적인 기술과 결합할 수 있도록 하는 것으로, 개방된 문제를 조사하고 복용량 페인팅 RT13,14와 같은 개인화된 의학 및 새로운 치료 전략을 향한 길을 개척하는 데 적합합니다. 그러나, 전임상 데이터의 해석은 주의해서 행해야 하며, 이러한 전임상 설정의 단점을 고려해야 한다14.
소형 동물 방사선 연구 플랫폼(SARRP)과 같은 미세 조사 시스템은 임상 과 유사한 기술을 갖추고 있습니다. 여기에는 온보드 원뿔 빔 CT(CBCT) 이미징, 전임상 치료 계획 시스템(PCTPS)이 포함되며 밀리미터 이하의 정밀도를 제공합니다. 임상 용량 계산은 역 처리 계획에 의해 수행되며, 이에 따라 원하는 용량 분포에서 시작하여 반복 알고리즘을 통해 빔을 결정합니다. 전임상 조사자는 종종 전방 계획을 사용합니다. 전방 계획에서 빔의 필요한 양과 각도가 선택되고 PCTPS는 투여량 분포를 계산합니다. 계획의 최적화는 노동 집약적인 수동 반복에 의해 수행됩니다15.
2009년 이후, 새로운 개발로 인해 이러한 연구 플랫폼에 대한 역계획 시행이 가능해졌습니다16,17,18. 임상 방법과의 유사성을 높이기 위해, 전동가변 직사각형 콜리마터(MVC)는 다중 리프 콜리메이터의 전임상 대응으로 개발되었다. 변수 콜리메이터를 활용한 2차원 용량 도장 방법은 Cho al.19에 의해 출판되었다. 이 연구 그룹은 마이크로 조사기에서 3차원(3D) 역 치료 계획 프로토콜을 구현하고 대상 부피및 위험에 처한 장기에 대한 최대 용량에 대한 최소 및 최대 용량을 결정했습니다. 이 기술은 주로 실리코에서 평가되고, 그들의 전임상 응용 프로그램은 탐구될 필요가 있습니다.
이 논문은 작은 동물 방사선 연구 플랫폼을 사용하여 GB 쥐 모델20,21,22에서 [18F]-플루오로-에틸-L-티로신([18F]FET) PET 기반 용량 도면에 대한 두 가지 방법론을 비교하기 위한 실리코 연구를 제시한다. 이러한 두 가지 방법론은 (1) 미리 정의된 빔 크기를 사용하여 부피 증폭및 (2) 종양 부피의 PET 트레이서 섭취에 기초하여 턱 치수가 수정되는 전동 변수 콜리메이터를 사용하여 (2) 용량 도장한다. [18F] FET는 뇌종양23을 검출하는 능력 때문에 신경 종양학에서 자주 사용되는 PET 추적자입니다. [18F] FET는 종양 세포로 내면화되지만 세포 단백질에 통합되지 않는 인공 아미노산입니다. [18F] FET 섭취량은 세포 증식율, 종양 세포 밀도 및 혈관 신생24에 해당합니다. 이것은 이 저자의 연구소에서 가장 일반적으로 사용되는 종양학 두뇌 PET 추적자이기 때문에, 이 방사선 추적자는 새로운 워크플로우를 평가하기 위하여 선택되었습니다.
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Protocol
이 연구는 동물 실험을 위한 지역 윤리위원회(ECD 18/21)에 의해 승인되었습니다. 마취 모니터링은 센서를 사용하여 동물의 호흡 속도를 획득하여 수행됩니다.
1. F98 GB 쥐 세포 모델
- 덜벡코의 수정된 이글 매체를 사용하여 단층에서 F98 GB 세포를 배양하고, 10% 송아지 세럼, 1% 페니실린, 1% 연쇄상 구균증, 1% L-글루타민으로 보충하고, CO2 인큐베이터(5% CO2 및 37°C)에 배치한다.
- 여성 피셔 F344 쥐의 뇌로 신경 종 세포를 접종 (체중 170 g).
참고: 멸균 기기를 사용하고 항상 멸균 장갑을 착용하십시오.- 코 콘을 통해 산소(0.3mL/min)와 혼합된 이소플루란(5% 유도, 2% 유지보수)의 흡입을 통해 쥐를 마취한다. 사지의 철수 반사의 부재에 의한 마취를 확인하고, 코와 귀에 대한 고정 점을 사용하여 스테레오전술 장치에서 쥐를 고정한다. 마취 하에 안구건조증을 방지하기 위해 카보머 아이 젤을 바르십시오. 37°C에서 열조절 가열 패드 및 직장 프로브에 의해 체온을 유지한다.
- 눈 높이에서 두개골 뒤쪽으로 쥐를 면도하고 이소베타딘으로 피부를 소독합니다. 자일로카인(아드레날린 1:200000, 0.1 mL)을 국소 마취에 피하한다.
- 중간 선 두피 절개를 통해 두개골을 노출하고 드릴 도구 3mm 후방과 오른쪽 반구의 bregma에 3mm 측면으로 작은 구멍을 만듭니다.
- 스테레오전술 유도 인슐린 바늘(29G)을 삽입하고 마이크로시링주 펌프 컨트롤러를 사용하여 세포 서스펜션(20,000 F98 GB 셀) 3mm 깊이5μL을 주입한다. 바늘을 5분 동안 제자리에 두고 세포 현탁액 시간을 주어 조직으로 확산시다.
- 주사기를 천천히 철회하고 뼈 왁스로 두개골의 구멍을 닫습니다. 피부를 봉합 (폴리 아미드 6, 두께 4-0) 멜록시캠 피하 (1 mg / kg, 2 mg / mL)를 주입. 실로카인 젤을 바르고 있습니다.
- 빨간 램프를 사용하여 수술 후 동물의 체온을 안정시다. 쥐의 각성을 모니터링하여 충분한 의식을 되찾을 때까지 모니터링합니다. 완전히 회복 될 때까지 다른 동물의 회사에 동물을 반환하지 마십시오. 모든 동물을 환경 통제 조건(12h 빛/어두운 주기, 20-24°C 및 상대 습도 40-70%)에 음식과 물 광고 리비툼으로 보관합니다.
- 매일 동물을 모니터링하고 체중, 음식, 물 섭취 및 활동 및 행동을 확인하여 매일 건강 상태 로그를 유지해야합니다. 치명적인 용량의 펜토바르비탈 나트륨을 사용하여 동물을 안락사시하십시오 (160 mg/kg) 체중이 20 % 감소가 관찰되거나 정상적인 행동이 심각하게 악화 될 때 (예 : 그루밍 부족).
2. 종양 성장 확인
- 종양 성장을 평가 8 접종 후 일. 코 콘을 통해 산소(0.3mL/min)와 혼합된 이소플루란(5% 유도, 2% 유지보수)의 흡입을 통해 쥐를 마취한다. 사지의 철수 반사의 부재에 의해 마취를 확인합니다.
- 측면 꼬리 정맥에 정맥으로 배치된 튜브를 통해 가돌리늄 함유 조영제(0.4 mL/kg)를 주입합니다. 따뜻한 물로 동물을 덮고 난방 담요를 순환시키고 MRI 침대에 놓습니다. 마취 하에 안구건조증을 방지하기 위해 카보머 아이 젤을 바르십시오. MRI 침대를 Tx/Rx 쥐 뇌 볼륨 코일로 홀더에 놓습니다.
- 국소 검사를 수행한 다음 T2 가중 스핀 에코 스캔을 수행하여 종양 성장을 평가합니다. 이러한 T2-MRI 서열 설정을 사용하십시오: 반복 시간(TR)/에코 시간(TE) 3661/37.1 ms, 109 μm 이소트로픽 비행기 내 해상도, 슬라이스 두께 600 μm, 4평균, 30슬라이스, 총 획득 시간(TA) 9분 45초.
- T2 가중 획득시 종양이 확인되면 T1 가중 대비 강화 스핀 에코 스캔을 수행합니다. TR/TE 1539/9.7 ms, 0.117 mm 등동위부 해상도, 슬라이스 두께 600 μm, 평균 30개, 슬라이스 30개, TA 4분 15초 등 T1-MRI 서열 설정을 사용합니다.
- MRI 후, 그것은 전체 의식을 회복 할 때까지 지속적으로 동물을 감독.
- 종양이 7 8mm의 직경에 도달하면 일반적으로 접종 후 12 일 관찰되면 치료를 위해 동물을 선택하십시오.
3. 대상 볼륨 선택의 다중 변성 이미징
참고: PET/MRI 유도 조사는 다중 모달 데이터 집합을 순차적으로 획득해야 합니다. 방사선 추적기의 정맥 투여 후 PET 이미징이 시작되고 대비가 향상된 T1 가중 MRI와 마지막으로 치료 계획 CT가 있습니다.
- 코 콘을 사용하여 산소(0.3 L/min)와 혼합된 이소플루란(5%유도, 2% 유지보수)으로 동물을 마취시합니다. 쥐가 사지의 철수 반사를 나타내지 않을 때 마취를 확인하십시오. 마취 하에 안구건조증을 방지하기 위해 카보머 아이 젤을 바르십시오.
- 측면 꼬리 정맥에 정맥내 튜브를 삽입하여 식염수 의 200 μL에 용해된 PET 방사성 트레이서 10-12 MBq를 주입할 수 있습니다. [18F]-FET를 주입, 애완 동물 취득 하기 전에 1 시간. 추적자가 몸을 통해 배포되는 동안 동물이 의식을 되찾게하십시오.
- 3.1 단계에서 설명한 대로 동물을 다시 마취한다. 다변형 침대(여기, 사내에서 만든)에 동물을 놓고 후크 앤 루프 패스너를 사용하여 고정된 위치를 유지하면서 이미징 및 미세 조사 중에 고정된 위치를 유지합니다. MRI/PET 에이전트로 채워진 모세관을 수정하여 쉽게 공동 등록할 수 있도록 (재료 표 참조). 다변성 이미징 및 치료 중 체온을 보존하기 위해 동물을 버블 랩으로 감쌉합니다.
- PET 트레이서를 주입한 후 1h의 PET 스캔을 수행합니다. 30회 반복을 사용하여 최대 가능성 기대 극대화(MLEM) 알고리즘을 적용하여 0.4mm 복셀 크기로 PET 스캔을 3D 볼륨(192 x 192 x 384 매트릭스)으로 재구성합니다.
참고: 실험실 동물 이미징전용 PET 스캐너는 130mm의 축장과 72mm의 보어 직경과 함께 사용되었습니다. 이 시스템은 서브 mm(0.85 mm) 공간 해상도를 제공합니다. - MRI 조영제(0.4 mL/kg)를 정맥에 정맥으로 주입합니다. MRI 스캐너(재료 표)의 동물 홀더에 다변성 침대에 고정된 쥐를 놓습니다. 2.4단계와 유사한 콘트라스트 강화된 T1 가중치 스핀 에코 시퀀스를 따라 국소화 스캔을 수행합니다.
- 마이크로 디에이터의 4축 로봇 위치 테이블에 고정된 플라스틱 홀더에 여전히 다변성 침대에 고정된 동물을 배치합니다. 70kV의 튜브 전압, 튜브 전류 0.4mA, 1mm 알루미늄 필터, 20 x 20cm(1024 x 1024 픽셀) 비정질 시 플랫 패널 검출기를 사용하여 고해상도 처리 계획 콘 빔 CT를 수행합니다. 360°를 넘는 총 360개의 프로젝션을 획득합니다. 0.275mm(411 x 411 x 251 매트릭스)의 등위축복셀 크기로 CT 이미지를 재구성합니다.
4. 이미지 공동 등록
참고: 공동 등록은 사내에서 개발된 반자동 MATLAB 코드로 수행됩니다. 코드는 https://github.com/sdonche/DosePainting Github에서 찾을 수 있습니다. 다른 단계는 아래에 설명되어 있습니다.
- 세 가지 이미지 양식([18F]FET PET, 콘으로 강화된 T1 가중치 MRI 및 원뿔 빔 CT)를 하나의 폴더에 배치합니다. MRicron 이미지 뷰어24에서 dcm2niix 함수를 사용하여 DICOM 이미지를 NIfTI 형식으로 변환합니다.
- 변환된 이미지를 MATLAB으로 가져오고 1mm의 전체 너비 하프 맥스(FWHM)를 사용하여 가우시안 필터로 PET 이미지를 필터링합니다.
- 모든 이미징 양식에서 카르테시안 축이 서로 일치되도록 이미지를 방향을 조정합니다.
참고: 이 설정의 경우 CT 이미지가 Y축 주위로 뒤집혔습니다. MRI가 X축 주위를 뒤집혔고, PET는 Y축 주위로 뒤집혔습니다. - 자동 공동 등록을 단순화하기 위해 PET 이미지를 자르기.
참고: 이 설정의 경우 X축의 양쪽에서 40픽셀로 설정되었습니다(동물의 왼쪽과 오른쪽); 동물의 등쪽 및 복부 측(Y축)에서 각각 60픽셀과 40픽셀이 0으로 설정되었습니다. 세로 축(또는 Z축)을 따라 170픽셀과 30픽셀은 각각 열등하고 우수한 면을 위해 0으로 설정됩니다. - 이미지 센터를 서로 가깝게 이동하여 자동 공동 등록을 간소화합니다.
- MATLAB26에서 통계 파라메트릭 매핑(SPM)을 사용하여 실제 강체 공동 등록을 수행합니다. 다음 등록 매개 변수(기본값의 다른 항목): 객관적인 기능: 상호 정보; 분리: [4 1 0.2]; [0.02 0.02 0.02 0.001 0.001 0.001 0.001 0.001 0.01 0.01 0.001 0.001 0.001 0.001]; 히스토그램 스무딩: [1]; 보간: 삼선형.
5. 방사선 치료 계획
참고: 방사선 치료 계획을 위해 MATLAB 앱과 여러 MATLAB 스크립트가 작성되었습니다. 코드는 https://github.com/sdonche/DosePainting Github에서 찾을 수 있습니다. 다른 단계는 아래에 설명되어 있습니다.
- 방법 1
- MATLAB 앱에 세 가지 이미징 양식기능을 로드합니다. T1 가중치 MRI 스캔(그림 1)에 대비 향상 주위에 넉넉한 경계 상자를 배치합니다. 임계값을 사용하여 대비가 향상된 볼륨을 결정합니다(그림 2). 여러 영역이 선택된 경우 가장 큰 볼륨만 선택하며, 그 중심은 RT에 대해 규정된 용량을 제공하는 첫 번째 동위 센터로 간주됩니다(그림 3).
- 각 방향으로 이전에 결정된 MRI 콘트라스트 향상을 10픽셀로 확장합니다. 여러 영역이 감지되면 가장 큰 PET 볼륨만 유지하며, 그 중심은 RT에 대해 규정된 용량을 제공하는 두 번째 등동 센터로 간주됩니다.
참고: 이 PET 볼륨에서 PET 부스트 볼륨은 이 볼륨의 최대 신호 강도(경계 상자)× 0.90보다 높은 신호 강도의 픽셀에 의해 정의됩니다. - 계산된 등방 센터에 대해 다음 조사 설정을 사용합니다(그림 4 및 표 1).
- 첫 번째 아이소 센터 (MRI)의 경우, 각각 120 °, 120 °, 60 °의 갠트리 회전과 소파 위치 0 ° , -45 ° 및 -90 °3 비 coplanar 아크를 사용하여 2000 cGy의 처방 된 복용량을 제공합니다. 10 x 10mm의 고정 콜리메이터 크기를 사용하지만 종양 크기를 조사해야 할 때 적절한 콜리마터(예: 5 x 5mm 콜리마터)를 사용합니다. 종양 부피가 10mm 보다 클 때 동물의 복지를 고려하여 주의하십시오.
- 두 번째 등리센터(PET)의 경우, 각각 120°, 120°, 60°의 갠트리 회전으로 소파 위치 0°, -45°및 -90°에서 3개의 비-coplanar 아크를 사용하여 800 cGy의 처방된 용량을 제공합니다. 3 x 3mm의 고정 콜리메이터 크기를 사용합니다.
- 동물 내의 용량 분포와 빔 전달 파라미터를 계산합니다.
- 방법 2
- MATLAB 앱에 세 가지 이미징 양식기능을 로드합니다. [18F] FET PET 이미지에 대비를 강화하는 바운딩 박스를 5.1.1단계와 유사하게 배치합니다.
- 신호 강도가 A보다 높은 픽셀에 의해 정의된 볼륨을 × 최대 신호 강도(앞에서 언급한 경계 상자)에서 0.50, 0.60, 0.70, 0.80 및 0.90과 동일한 볼륨을 결정합니다. 이러한 볼륨V50, V60, V70, V80 및 V90의 이름을 각각 지정합니다.
- MATLAB 스크립트를 사용하여 전동 변수 콜리메이터를 안내하는 데 필요한 각 빔의 등각 센터 와 턱 치수를 결정합니다( 그림 5 참조).
- 계산된 등산지 및 턱 치수에 대해 다음 설정을 사용합니다.
- V50의 경우, 16개 빔(각 125cGy; 소파 및 테이블 2의 간트리 위치)에 분포된 2000 cGy의 처방된 복용량을 제공합니다. MVC에 대해 계산된 턱 치수를 사용합니다.
참고: 여기에 미세한 종양 침투를 설명하기 위해 1mm의 추가 마진이 포함되었습니다. - V60-V90의 경우, 40개 이상의 빔(각 20cGy; 소파 및 갠트리 위치 2)에 분포된 800 cGy의 처방된 복용량을 제공합니다. MVC에 대해 계산된 턱 치수를 사용합니다.
- V50의 경우, 16개 빔(각 125cGy; 소파 및 테이블 2의 간트리 위치)에 분포된 2000 cGy의 처방된 복용량을 제공합니다. MVC에 대해 계산된 턱 치수를 사용합니다.
- 동물 내의 용량 분포와 빔 전달 파라미터를 계산합니다.
6. 계획 평가
참고: 두 가지 방법을 비교하려면 V50 PET 부피에서 용량-볼륨 히스토그램(DVH) 및 Q-볼륨 히스토그램(QVH)을 계산합니다. 여기서는 사내에서 개발된 MATLAB 스크립트가 사용되었습니다. 코드는 https://github.com/sdonche/DosePainting Github에서 찾을 수 있습니다.
- 용량 볼륨 히스토그램
- SARRP로부터 수득된 투여량 분포로부터 DVH를 생성한다.
- DX가 볼륨의 x%에 의해 수신된 복용량을 의미하는 D10, D50 및 D90을 계산하여 DVH로부터 의 최대, 평균 및 최소 용량을 결정한다.
- Q-볼륨 히스토그램
- Eq. 1을 사용하여 모든 픽셀에 이상적인 용량을 계산하여 최소 용량과 최대 용량 사이의 선형 보간으로, 대상 부피 내에서 최소 PET 강도와 최대 PET 강도 사이에 비례적으로 변화하여 이상적인 용량 맵을 제공합니다.
- 다음 방정식(Eq. 2)을 사용하여 모든 픽셀에 대해 Q값 Qp를 계산합니다.
Eq. 2
Dp계획과 Di에 의해 얻은 복용량되 고, 계획에 대 한 복용량 목표. - 얻은 Q값에서 QVH를 생성합니다.
- Eq. 3을 사용하여 계획된 용량과 의도된 용량의 차이를 평가하기 위해 품질 계수( Q-factor, QF)를 계산합니다.
Eq. 3
Eq. 2
Eq. 3Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
인간 치료 전략을 모방하기 위해 SARRP를 이용한 교모세포종 쥐 모델에서 PET 및 MRI 유도 조사의 타당성은 이전에 설명되었다20,21,22. 동물이 사내에서 만든 다변성 침대에 고정되어 있는 동안, PET, MRI 및 CT의 세 가지 이미징 양식이 결합된 허용 가능한 방사선 치료 계획을 만들 수 있었습니다. 이러한 방법에서는 외부 소프트웨어 패키지(재료 표 참조)를 사용하여 강체 변환을 사용하여 이미지를 수동으로 공동 등록하는 데 사용되었습니다. 대조적으로 향상된 T1 가중치 MRI 및 PET 이미지는 아이소센터를 수동으로 선택한 시각적으로 평가되었습니다. 그러나, 이 방법론은 노동 집약적인 것으로 판명되고 확실히 다변화 화상 진찰 및 처리 계획의 창조 도중 전신 마취의 밑에 머물 필요가 있기 때문에 동물에 영향을 미칩니다. 따라서, 새로운 방법론은 방사선 처리 계획을 만드는 데 필요한 전반적인 분산 및 시간을 줄이기 위해이 프로세스의 특정 단계를 자동화하는 것을 목표로한다.
이 문서에서는 두 가지 방법론을 비교합니다. 방법 1은 몇 가지 조정을 통해 이전에 게시된 방법론20,21,22와 매우 유사합니다(표 1). 그러나 이전에 게시된 방법론과 는 달리 대부분의 프로세스는 사내에서 개발된 MATLAB 코드를 사용하여 자동화됩니다. 방법 2는 MVC에 대한 일련의 등각센터 및 턱 치수가 [18F] FET PET 섭취량(도 5)에 기초하여 결정되는 보다 정교한 방법입니다. V50, V60, V70, V80 및 V90용 이오콘투어는 그림 6에 표시됩니다.
두 방법 모두 세 가지 다른 경우에 적용하였다(그림 7). 이러한 경우는 [18F]FET PET 의 침투 종양 전면 및 종양 괴사의 존재 및 [18F]의 종양 괴사 없음을 나타내는 FET PET 섭취량의 두 가지 유형으로 나눌 수 있다. 케이스 1은 구형 균질 PET 조리개로 설명할 수 있고, 케이스 2 및 3는 감소된 PET-uptake가 가장 가능성이 높은 괴사 조직인 고리 모양의 조리를 가지고 있는 동안. 케이스 3은 또한 등쪽 영역으로 성장하는 추가 영역을 보여줍니다.
두 방법에 대한 설정 파라미터를 계산한 후, 각 케이스에 대한 용량 분포(도 8)는 SARRP의 PCTPS를 사용하여 결정되었다. DVHs(도 9)는 신호 강도가 0.50보다 높은 픽셀에 의해 정의된 볼륨의 용량 분포로부터 얻을 수 × 최대 PET 신호 강도(경계 상자에서). 방법 2용 DVHs가 방법 1에 대한 DVHs보다 이상적인 용량 분포에 체계적으로 더 가깝다는 것을 관찰할 수 있다. 실질적인 종양 부피는 방법 1로 치료할 때 2및 3케이스에서 부족한 조사를 받습니다. 표 3 은 이러한 결론을 확인합니다: D90 및 D50 값은 방법 2보다 방법 1에 대해 상당히 낮습니다. QVHs(도 10)는 또한 이러한 용량 분포로부터 얻을 수 있다. 이상적으로, 이러한 곡선은 하나와 같은 Q 값에서 급격한 하락을 합니다. 방법 2 항상 복용량 목표에 가까운 복용량 분포 결과. 표 4 는 방법 2에 대한 전반적인 우수한 Q 계수도 보여줍니다. 2000 cGy의 최소 용량(D90)은 Method 2를 가진 모든 경우에 달성되었으며, 2건 중 1번 방법으로달성되지 않았다. 이는 종양 부피가 방법 1을 사용하여 부족한 조사를 받았다는 것을 의미한다.
그림 1: 경계 상자 배치. T1 가중 대비 향상은 F98 GB 쥐 모델에서 볼 수 있으며, 사내에서 개발된 MATLAB 코드를 사용하여 종양 주위에 넉넉한 경계 상자를 배치합니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 2: T1 가중 대비 강화 종양 묘사: 단계 1. 종양 부피는 임계값을 사용하여 대비가 향상된 T1 가중 MRI에 묘사됩니다. 약어 : MRI = 자기 공명 이미징. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 3: T1 가중 대비 강화 종양 묘사: 단계 2. 임계값 처리 단계에서 여러 볼륨이 감지되면 추가 처리를 위해 가장 큰 볼륨이 유지됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 4: 방법 1에 대한 Isocenter 계산. 대비가 향상된 T1 가중치 MRI, CT 및 PET 이미지가 묘사됩니다. 파란색과 빨간색 원은 MRI 및 PET 기반 동소센터를 각각 나타냅니다. 약어 : MRI = 자기 공명 영상; CT = 컴퓨터 단층 촬영; PET = 양전자 방출 단층 촬영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 5: 턱 설정 계산에 대한 설명입니다. 1 단계 : 종양 부피가 결정됩니다 (파란색 점, 상단 이미지). 2단계: 특정 소파 및 갠트리 위치에서 사고 빔(마젠타 선, 상단 이미지)에 수직으로 평면(검은색 그리드)이 생성됩니다. 3단계: 종양 복셀(파란색 점, 위 이미지)은 앞서 언급한 평면에 수직으로 투사되어 투영된 복셀 세트(빨간색 점)가 생성됩니다. 4단계: 모든 투영된 복셀이 가변 콜리메이터(아래쪽 이미지)의 두 대칭 턱에 의해 정의된 직사각형 빔 내에 포함되도록 등받이 및 턱 치수(녹색 선, 하단 이미지)를 결정합니다. 이 수치는 MATLAB에서 생성되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 6: 종양 이오콘투어. 트랜스액시알, 관상 및 좌활구는 PET 이미지에서 최대 종양 섭취량의 50%, 60%, 70%, 80%, 및 90%에 해당하는 이소콘투어에 의해 결정된 종양 부피 V50, V60, V70, V80 및 V90을 통해 뇌종양을 통해 슬라이스된다. 약어 : TV = 형질; COR = 관상 동맥; SAG = 적정; PET = 양전자 방출 단층 촬영. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 7: [18F]FET PET 화상 진찰세 케이스. 세 가지 경우 모두에 대해 처릿, 횡선 및 정면 뷰가 표시됩니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 8: 두 방법에 대한 용량 분포. 세 가지 케이스 모두에 대한 대두, 횡방향 및 정면 뷰는 방법 1 과 방법 2 모두에 대해 표시됩니다. 투여량 분포는 SARRP로부터원간 빔 CT 이미징과 함께 표시됩니다. 약어: CT = 계산된 단층 촬영; SARRP = 작은 동물 방사선 연구 플랫폼. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 9: 모든 경우에 대한 DVH 곡선. DVH 곡선(cGy)은 방법 1, 방법 2 및 이상적인 용량 맵에 대해 표시됩니다. 약어: DVH = 용량-볼륨 히스토그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
그림 10: 모든 경우에 대한 Q 볼륨 히스토그램. QVH 곡선은 방법 1, 방법 2 및 이상적인 용량 맵에 대해 표시됩니다. 이상적으로, 계산된 QVH는 Q-값 = 1(이상적인 용량 맵, 파란색 선)에서 급격한 하락을 가져야 합니다. 약어: QVH = Q-볼륨 히스토그램. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.
| 이전 방법 | 방법 1 | 방법 2 | ||
| 종양 | 직경 | 5mm | 7-8mm | 7-8mm |
| 애완동물 | 해상도(mm) | 1.2 | 0.85 | 0.85 |
| 기본 조사 | 용량 (cGy) | 2000 | 2000 | 2000 |
| 과녁 | CE T1 종양 | CE T1 종양 | V50 | |
| 콜리마터 (mm²) | 5x5 | 10x10 | MVC | |
| 배달 | 3 비 공동 계수 아크 | 3 비 공동 계수 아크 | 빔 16개 | |
| 소파 위치 | -45°, 0°, 45° | 0°, -45°, -90° | 0°, -45°, -90° | |
| 조사 부스트 또는 용량 페인팅 | 용량 (cGy) | 500 | 800 | 800 |
| 과녁 | 최대 애완 동물 섭취 | 최대 애완 동물 섭취 | V60-V90 | |
| 콜리마터 (mm²) | 1x1 | 3x3 | MVC | |
| 배달 | 3 비 공동 계수 아크 | 3 비 공동 계수 아크 | 빔 40개 | |
| 소파 위치 | -45°, 0°, 45° | 0°, -45°, -90° | 0°, -45°, -90° |
표 1: 메서드 비교. 이 표는 방법 1, 방법 2 및 이전 방법(이미 게시된 메서드 참조)을 20,21,22로 더 명확히 합니다. 방법 1 및 2는 밀리미터 이하의 공간 해상도로 전임상 PET 스캐너27을 활용하여 종양 이질성을 보다 명확하게 시각화할 수 있게 한다. 소파 위치 -90°에서는 동물과의 충돌을 피하기 위해 120° 중 60°만 사용할 수 있습니다. 이 단점에도 불구 하 고, 이 소파 위치는 오른쪽 반구에 위치 하기 때문에 종양에 쉽게 액세스할 수 있습니다. 다른 소파 위치는 전체 120 ° 회전을 만들 수 있습니다. 약어: CE T1 = 콘트라스트 강화 T1 가중치; MVC = 전동 가변 콜리메이터; PET = 양전자 방출 단층 촬영.
| 소파 위치 | 갠트리 포지션 | ||||||
| 0° | - | 20° | 40° | 60° | 80° | 100° | 120° |
| -45° | - | 20° | 40° | 60° | 80° | 100° | 120° |
| -90° | 0° | 20° | 40° | 60° | - | - | - |
표 2: 방법 2용 빔 설정입니다. 모든 다른 빔의 갠트리와 소파 위치가 표시됩니다. V50은 모든 구성을 사용하는 반면 V60-V90은 굵게 표시된 구성만 사용합니다.
| D90 | D50 | D10 | ||
| 사례 1 | 이상적인 용량 지도 | 2336.94 | 2461.21 | 2745.63 |
| 방법 1 | 2024.47 | 2389.75 | 2796.82 | |
| 방법 2 | 2164.21 | 2490.18 | 2747.64 | |
| 케이스 2 | 이상적인 용량 지도 | 2391.76 | 2540.55 | 2752.56 |
| 방법 1 | 1894.93 | 2127.86 | 2606.48 | |
| 방법 2 | 2322.11 | 2597.31 | 2848.03 | |
| 케이스 3 | 이상적인 용량 지도 | 2377.47 | 2556.7 | 2761.38 |
| 방법 1 | 1874.58 | 2103.78 | 2691.69 | |
| 방법 2 | 2354.03 | 2602.64 | 2907.41 |
표 3: DVH 값입니다. D10, D50 및 D90 은 각각 최대, 평균 및 최소 용량의 대체품으로 계산되었다. Dx 는 볼륨의 x %에 의해 수신 된 복용량을 의미합니다. 약어: DVH = 용량-볼륨 히스토그램.
| Q계수 | 사례 1 | 케이스 2 | 케이스 3 |
| 방법 1 | 0.0898 | 0.1573 | 0.1773 |
| 방법 2 | 0.0572 | 0.057 | 0.0778 |
표 4: Q-팩터. 표에는 각 사례에 대한 방법 1 및 방법 2의 전체 Q 계수가 표시됩니다. 전달 된 복용량 및 처방 된 복용량이 동일하면 Q-요인은 0이 될 것입니다.
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Discussion
교모세포종 환자를 위한 클리닉에서 화학 방사선 치료를 모방하는 쥐 GB 모델은 이전에 설명되었다20. 임상 방법과 유사하게, CT와 MRI는 보다 정밀한 조사를 얻기 위하여 처리 계획 프로세스 도중 결합되었습니다. 동물이 한 이미징 시스템에서 다른 이미징 시스템으로 이동했을 때 (머리) 움직임을 최소화하기 위한 다변성 침대가 사용되었습니다. 그 후 PET 이미징이 치료 계획 프로세스에 추가되었으며 PET 기반 하위 볼륨 증폭이 성공적으로 구현될 수 있었습니다21,22. PET와 같은 기능성 이미지 양식의 포함은 치료 계획 과정에서 (생물학적) 종양 이질성의 시각화를 허용한다. 이것은 공격적인 및/또는 방사선 저항하는 종양 지구의 표적으로 용이하게 합니다. 이 방법은 가능하지만, 다중 모달 화상 진찰, 처리 계획 및 복용량 납품이 전임상 환경에서 순차적으로 완료되어야 하기 때문에 매우 노동 집약적인 것으로 판명되었습니다. 또한,이 과정에서, 동물은 전신 마취22아래에 머물러야한다. 따라서 전임상 치료 계획 과정의 효율성을 향상시키는 것이 필수적입니다.
이 논문은 전임상 다모달 이미징 기반 방사선 치료 계획을 더욱 최적화하기 위해 사용자 친화적인 반자동 알고리즘을 제공합니다. 계획 CT, MRI 및 PET 간의 공동 등록은 대상 동소 센터의 검출과 함께 자동화되었습니다. 참고로 소프트웨어 도구는 블랙박스로 간주되어서는 안 되며 적절한 품질 검사를 수행하는 것이 중요합니다. 이 전체 프로세스에서 가장 중요한 단계는 가능한 한 정확해야 하는 계획 CT, MRI 및 PET의 자동 공동 등록 결과를 평가하는 것입니다. 알고리즘의 출력은 다른 방사선 빔에 대한 대상 등소 센터의 위치와 MVC의 턱 치수로 구성됩니다. 이러한 값은 PCTPS의 최신 버전으로 가져올 수 있습니다.
이 소프트웨어 도구는 실리코 연구 설계에서 을 사용하여 마이크로 감방에 PET 기반 용량 도장의 정확성과 효율성을 평가하는 데 사용되었습니다. 최적화된 처리 계획 프로세스는 시간 효율성, 사용자 간 가변성 및 정확도 측면에서 이전에 설명된 method21,22보다 우수하였다. 멀티모달 이미징을 포함한 기존의 전임상 치료 계획은 최대 180분22가 필요할 수 있지만, 이번에는 이 원고에 제시된 반자동 방법을 모두 ~80분으로 줄일 수 있다. 더욱이, 인간 적 오류는 수동 공동 등록 및 동소 센터의 시각적 결정 중에 기존의 치료 계획 과정에서 더 가능성이 높으며, 그 결과 사용자 간 가변성이 더 큽니다. 알고리즘에 의한 대상 동소센터의 자동 공동 등록 및 감지는 이러한 사용자 간 변동성을 감소시게 됩니다. 또한 최적화되고 자동화된 워크플로는 종양 부피에 대한 보다 정확한 조사를 제공합니다. 이는 PCTPS와 처방된 용량에 의해 계산/전달된 용량의 차이를 평가하는 낮은 Q-factors(표 4)에 의해 설명됩니다.
또한 MVC를 사용하면 고정 빔 크기를 가진 콜리머에 비해 주변 정상 뇌 조직에 대한 투여량이 감소하는 것으로 볼 수 있습니다. 이는 도 7 에 설명되어 있으며 DPBN RT 전략(다박리 콜리메이터가 사용되는 곳)과 실험실 동물 방사선 연구를 평가하는 임상 시험 간의 격차를 좁히는 것이 중요합니다. 그러나 MVC를 사용하여 빔 위치 사이를 전환하고 각 개별 빔의 턱 치수를 조정할 때 용량 전달이 약간 느려질 수 있다고 가정합니다. 마지막으로, 전임상 치료 계획은 가장 자주 미래 계획에 의해 이루어집니다. 이 논문에 설명된 방법론은 일반적으로 진료소에서 사용되는 역 계획으로 중요한 단계이며, 전임상 방사선 연구와 클리닉 사이의 격차를 더욱 좁혀있습니다.
이 연구는 또한 몇 가지 제한이 있습니다. 이 원고에 기재된 실험의 경우, 가장 일반적으로 사용되는 아미노산 PET 트레이서[18F]FET가 사용되었다. 다른 PET 추적기를 사용하여 방사선 치료를 안내하는 경우 공동 등록이 덜 정확할 수 있으므로 반자동 워크플로우를 올바르게 검사해야 합니다. 추가, 치료 계획 및 복용량 전달에 PET 및/또는 MRI에 대 한 다른 복셀 크기를 사용 하 여 미치는 영향 더 조사 해야 한다. 결론적으로, 전임상 치료 계획 프로세스를 최적화하기 위해 여기에 기재된 방법론은 이전에 설명된 방법에 비해 많은 장점을 갖는다21,22. 실리코 연구 설계에서, 전임상 멀티모달 치료 계획에 대한 새로운 워크플로우가 용량 전달측면에서 더 정확하고, 시간 효율이 높으며, 사용자 간 가변성을 보다 적게 보여준다는 것이 입증되었습니다. 이러한 개선은 임상 및 전임상 방사선 연구 사이의 격차를 좁히기 위해 필수적이며 교모세포종에 대한 새로운 치료법 및/또는 방사선 요법 절차의 개발을 위해 필수적입니다.
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Disclosures
저자는 공개 할 이해 상충이 없습니다.
Acknowledgments
저자는 이 작품을 지원해준 럭스 루카 재단에 감사드립니다.
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 |
References
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