Gamma Knife, CyberKnife, TomoTherapy: gadgets or useful tools?

Purpose of reviewThis review provides information and an update on stereotactic radiosurgery (SRS) equipment, with a focus on intracranial lesions and brain neoplasms.Recent findingsGamma Knife radiosurgery represents the gold standard for intracranial radiosurgery, using a dedicated equipment, and has recently evolved with a newly designed technology, Leksell Gamma Knife Perfexion. Linear accelerator-based radiosurgery is more recent, and originally based on existing systems, either adapted or dedicated to radiosurgery. Equipment incorporating specific technologies, such as the robotic CyberKnife system, has been developed. Novel concepts in radiation therapy delivery techniques, such as intensity-modulated radiotherapy, were also developed; their integration with computed tomography imaging and helical delivery has led to the TomoTherapy system. Recent data on the management of intracranial tumors with radiosurgery illustrate the trend toward a larger use and acceptance of this therapeutic modality.SummarySRS has become an important alternative treatment for a variety of lesions. Each radiosurgery system has its advantages and limitations. The 'perfect' and ubiquitous system does not exist. The choice of a radiosurgery system may vary with the strategy and needs of specific radiosurgery programs. No center can afford to acquire every technology, and strategic choices have to be made. Institutions with large neurosurgery and radiation oncology programs usually have more than one system, allowing optimization of the management of patients with a choice of open neurosurgery, radiosurgery, and radiotherapy. Given its minimally invasive nature and increasing clinical acceptance, SRS will continue to progress and offer new advances as a therapeutic tool in neurosurgery and radiotherapy.

Accuracy of out-of-field dose calculation of tomotherapy and cyberknife treatment planning systems: A dosimetric study.

PURPOSE: Late toxicities such as second cancer induction become more important as treatment outcome improves. Often the dose distribution calculated with a commercial treatment planning system (TPS) is used to estimate radiation carcinogenesis for the radiotherapy patient. However, for locations beyond the treatment field borders, the accuracy is not well known. The aim of this study was to perform detailed out-of-field-measurements for a typical radiotherapy treatment plan administered with a Cyberknife and a Tomotherapy machine and to compare the measurements to the predictions of the TPS. MATERIALS AND METHODS: Individually calibrated thermoluminescent dosimeters were used to measure absorbed dose in an anthropomorphic phantom at 184 locations. The measured dose distributions from 6 MV intensity-modulated treatment beams for CyberKnife and TomoTherapy machines were compared to the dose calculations from the TPS. RESULTS: The TPS are underestimating the dose far away from the target volume. Quantitatively the Cyberknife underestimates the dose at 40cm from the PTV border by a factor of 60, the Tomotherapy TPS by a factor of two. If a 50% dose uncertainty is accepted, the Cyberknife TPS can predict doses down to approximately 10 mGy/treatment Gy, the Tomotherapy-TPS down to 0.75 mGy/treatment Gy. The Cyberknife TPS can then be used up to 10cm from the PTV border the Tomotherapy up to 35cm. CONCLUSIONS: We determined that the Cyberknife and Tomotherapy TPS underestimate substantially the doses far away from the treated volume. It is recommended not to use out-of-field doses from the Cyberknife TPS for applications like modeling of second cancer induction. The Tomotherapy TPS can be used up to 35cm from the PTV border (for a 390 cm(3) large PTV).

Implantation et validation d’un modèle Monte Carlo du Cyberknife dans un outil de calcul de dose clinique

Le travail de modélisation a été réalisé à travers EGSnrc, un logiciel développé par le Conseil National de Recherche Canada.

Utilisation d’agrafes chirurgicales dans le suivi de tumeurs hépatiques appliquée à des traitements de radiochirurgie stéréotaxique par CyberKnife

Des avancements récents dans le domaine de la radiothérapie stéréotaxique permettent à un nombre grandissant de patients de recevoir un traitement non-invasif pour le cancer du foie. L’une des méthodes utilisées consiste à suivre le mouvement de la tumeur à l’aide de marqueurs radio-opaques insérés dans le foie grâce au système de suivi de l’appareil de traitement CyberKnife. Or, l’insertion de ces marqueurs est parfois trop invasive pour certains patients souffrant de maladie du foie avancée. Ces patients ont souvent un historique de chirurgie qui permet d’utiliser les agrafes chirurgicales déjà présentes dans leur foie dans le but de suivre leur tumeur. Cette nouvelle approche au traitement des tumeurs du foie est investiguée dans cette étude afin d’en déterminer les paramètres optimaux pour une meilleure pratique thérapeutique. L’expérimentation sur fantôme anthropomorpique a permis de conclure que le contraste des agrafes dans leur milieu augmente lors de l’augmentation des paramètres d’imagerie (kilovoltage et milliampérage de l’appareil de radiographie). D’autre part, l’erreur commise par le système CyberKnife dans l’identification des agrafes pour le suivi a été mesurée comme étant supérieure à celle sur l’emplacement des marqueurs radiologiques de platine (environ 1 mm contre moins de 1 mm). Cette erreur est considérée comme acceptable dans le contexte de ce type de traitement particulier. Enfin, une analyse gamma de l’impact dosimétrique du suivi par agrafes a montré qu’il était approximativement équivalent à celui par marqueurs de platine. De ces observations on conclue que le traitement des tumeurs du foie avec suivi des agrafes chirurgicales est valide et peut être amélioré suivant certaines recommandations cliniques.

Accumulation de dose à partir de champs de déformation 4D appliqués aux traitements au CyberKnife et à l'IMRT

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D.

Accumulation de dose à partir de champs de déformation 4D appliqués aux traitements au CyberKnife et à l'IMRT

Le cancer pulmonaire est la principale cause de décès parmi tous les cancers au Canada. Le pronostic est généralement faible, de l'ordre de 15% de taux de survie après 5 ans. Les déplacements internes des structures anatomiques apportent une incertitude sur la précision des traitements en radio-oncologie, ce qui diminue leur efficacité. Dans cette optique, certaines techniques comme la radio-chirurgie et la radiothérapie par modulation de l'intensité (IMRT) visent à améliorer les résultats cliniques en ciblant davantage la tumeur. Ceci permet d'augmenter la dose reçue par les tissus cancéreux et de réduire celle administrée aux tissus sains avoisinants. Ce projet vise à mieux évaluer la dose réelle reçue pendant un traitement considérant une anatomie en mouvement. Pour ce faire, des plans de CyberKnife et d'IMRT sont recalculés en utilisant un algorithme Monte Carlo 4D de transport de particules qui permet d'effectuer de l'accumulation de dose dans une géométrie déformable. Un environnement de simulation a été développé afin de modéliser ces deux modalités pour comparer les distributions de doses standard et 4D. Les déformations dans le patient sont obtenues en utilisant un algorithme de recalage déformable d'image (DIR) entre les différentes phases respiratoire générées par le scan CT 4D. Ceci permet de conserver une correspondance de voxels à voxels entre la géométrie de référence et celles déformées. La DIR est calculée en utilisant la suite ANTs («Advanced Normalization Tools») et est basée sur des difféomorphismes. Une version modifiée de DOSXYZnrc de la suite EGSnrc, defDOSXYZnrc, est utilisée pour le transport de particule en 4D. Les résultats sont comparés à une planification standard afin de valider le modèle actuel qui constitue une approximation par rapport à une vraie accumulation de dose en 4D.

A importância da imagem no planeamento do tratamento de radioterapia para tumores de mama

Imagem pré-tratamento: TC, RM, PET-TC, imagens processadas (DRR, BEV, reconstrução multiplanar, volumétricas). Imagem tratamento: filme radiográfico, EPI, CBCT, CT-on-Rails, tomotherapy, cyberknife, Novallis, online video setup system.

Dosimetric comparison of different treatment modalities for stereotactic radiosurgery of arteriovenous malformations and acoustic neuromas.

PURPOSE: We investigated the influence of beam modulation on treatment planning by comparing four available stereotactic radiosurgery (SRS) modalities: Gamma-Knife-Perfexion, Novalis-Tx Dynamic-Conformal-Arc (DCA) and Dynamic-Multileaf-Collimation-Intensity-Modulated-radiotherapy (DMLC-IMRT), and Cyberknife. MATERIAL AND METHODS: Patients with arteriovenous malformation (n = 10) or acoustic neuromas (n = 5) were planned with different treatment modalities. Paddick conformity index (CI), dose heterogeneity (DH), gradient index (GI) and beam-on time were used as dosimetric indices. RESULTS: Gamma-Knife-Perfexion can achieve high degree of conformity (CI = 0.77 ± 0.04) with limited low-doses (GI = 2.59 ± 0.10) surrounding the inhomogeneous dose distribution (D(H) = 0.84 ± 0.05) at the cost of treatment time (68.1 min ± 27.5). Novalis-Tx-DCA improved this inhomogeneity (D(H) = 0.30 ± 0.03) and treatment time (16.8 min ± 2.2) at the cost of conformity (CI = 0.66 ± 0.04) and Novalis-TX-DMLC-IMRT improved the DCA CI (CI = 0.68 ± 0.04) and inhomogeneity (D(H) = 0.18 ± 0.05) at the cost of low-doses (GI = 3.94 ± 0.92) and treatment time (21.7 min ± 3.4) (p<0.01). Cyberknife achieved comparable conformity (CI = 0.77 ± 0.06) at the cost of low-doses (GI = 3.48 ± 0.47) surrounding the homogeneous (D(H) = 0.22 ± 0.02) dose distribution and treatment time (28.4min±8.1) (p<0.01). CONCLUSIONS: Gamma-Knife-Perfexion will comply with all SRS constraints (high conformity while minimizing low-dose spread). Multiple focal entries (Gamma-Knife-Perfexion and Cyberknife) will achieve better conformity than High-Definition-MLC of Novalis-Tx at the cost of treatment time. Non-isocentric beams (Cyberknife) or IMRT-beams (Novalis-Tx-DMLC-IMRT) will spread more low-dose than multiple isocenters (Gamma-Knife-Perfexion) or dynamic arcs (Novalis-Tx-DCA). Inverse planning and modulated fluences (Novalis-Tx-DMLC-IMRT and CyberKnife) will deliver the most homogeneous treatment. Furthermore, Linac-based systems (Novalis and Cyberknife) can perform image verification at the time of treatment delivery.

Dosimetric comparison of different treatment modalities for stereotactic radiosurgery of meningioma.

BACKGROUND: The objective of this study was to compare the three most prominent systems for stereotactic radiosurgery in terms of dosimetric characteristics: the Cyberknife system, the Gamma Knife Perfexion and the Novalis system. METHODS: Ten patients treated for recurrent grade I meningioma after surgery using the Cyberknife system were identified; the Cyberknife contours were exported and comparative treatment plans were generated for the Novalis system and Gamma Knife Perfexion. Dosimetric values were compared with respect to coverage, conformity index (CI), gradient index (GI) and beam-on time (BOT). RESULTS: All three systems showed comparable results in terms of coverage. The Gamma Knife and the Cyberknife system showed significantly higher levels of conformity than the Novalis system (Cyberknife vs Novalis, p = 0.002; Gamma Knife vs Novalis, p = 0.002). The Gamma Knife showed significantly steeper gradients compared with the Novalis and the Cyberknife system (Gamma Knife vs Novalis, p = 0.014; Gamma Knife vs Cyberknife, p = 0.002) and significantly longer beam-on times than the other two systems (BOT = 66 ± 21.3 min, Gamma Knife vs Novalis, p = 0.002; Gamma Knife vs Cyberknife, p = 0.002). CONCLUSIONS: The multiple focal entry systems (Gamma Knife and Cyberknife) achieve higher conformity than the Novalis system. The Gamma Knife delivers the steepest dose gradient of all examined systems. However, the Gamma Knife is known to require long beam-on times, and despite worse dose gradients, LINAC-based systems (Novalis and Cyberknife) offer image verification at the time of treatment delivery.

La radiochirurgie dans le traitement de la douleur [Radiosurgery in Pain Treatment]

Le traitement de radiochirurgie par Gamma Knife (GK) est utilisé de plus en plus souvent comme une alternative à la microchirurgie conventionnelle pour le traitement des pathologies neurochirurgicales intracrâniennes. Il s'agit d'irradier en dose unique et à haute énergie, en condition stéréotaxique et à l'aide d'une imagerie multimodale (imagerie par résonance magnétique [IRM], tomodensitométrie et éventuellement artériographie). Le GK a été inventé par le neurochirurgien suédois Lars Leksell, qui a réalisé le premier ciblage du nerf trijumeau en 1951, sur la base d'une radiographie standard. Depuis, les progrès de l'informatique et de la robotique ont permis d'améliorer la technique de radiochirurgie qui s'effectue actuellement soit par accélérateur linéaire de particules monté sur un bras robotisé (Novalis®, Cyberknife®), soit par collimation de près de 192 sources fixes (GK). La principale indication radiochirurgicale dans le traitement de la douleur est la névralgie du nerf trijumeau. Les autres indications, plus rares, sont la névralgie du nerf glossopharyngien, l'algie vasculaire de la face, ainsi qu'un traitement de la douleur d'origine cancéreuse par hypophysiolyse. Gamma Knife surgery (GKS) is widely used as an alternative to open microsurgical procedures as noninvasive treatment of many intracranial conditions. It consists of delivering a single dose of high energy in stereotactic conditions, and with the help of a multimodal imaging (e.g., magnetic resonance imaging [MRI], computer tomography, and eventually angiography). The Gamma Knife (GK) was invented by the Swedish neurosurgeon Lars Leksell who was the first to treat a trigeminal neuralgia sufferer in 1951 using an orthogonal X-ray tube. Since then, the progresses made both in the field of informatics and robotics have allowed to improve the radiosurgical technique, which is currently performed either by a linear accelerator of particles mounted on a robotized arm (Novalis®, Cyberknife®), or by collimation of 192 fixed Co-60 sources (GK). The main indication of GKS in the treatment of pain is trigeminal neuralgia. The other indications, less frequent, are: glossopharyngeal neuralgia, cluster headache, and hypophysiolyse for cancer pain.

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.

Stereotactict body radiotherapy (SBRT)

Purpose: evaluation and comparison of volumetric modulated RapidarcTM radiotherapy (RA-IMRT) vs linac based Stereotactic body radiotherapy (SBRT) in the salvage treatment of isolated lymph node recurrences in patients affected by gynaecological cancer. Materials and Methods From January 2010 to September 2011, 15 patients affected by isolated lymph nodes recurrence of gynaecological cancer underwent salvage radiotherapy after conventional imaging staging with CT and 18-FDG-PET/CT. Two different radiotherapy techniques were used in this study: RA-IMRT (RapidarcTM implemented radiotherapy Varian Medical System, Palo Alto, CA, USA) or SBRT (BrainLAB, Feldkirchen, Germany). Five patients underwent CT scan and all patients underwent 18FDG-PET/CT for pre-treatment evaluation and staging. The mean total dose delivered was 54.3 Gy (range 50-60 Gy with conventional fractionation and 27.4 Gy (range 12-40 Gy hypofractionation) for RA-IMRT and SBRT respectively. The mean number of fractions was 27.6 fractions (range 25-31) and 3-4 fractions , the mean overall treatment duration was 40.5 days (range 36-45) and 6.5 days (range 5-8 days) for RA-IMRT and SBRT respectively. Results: At the time of the analysis, October 2011, the overall survival was 92.3 % (80% for RA-IMRT and 100% for SBRT). Six patients are alive with no evidence of disease and also six patients are alive with clinically evident disease in other sites (40% and 50% patients RA-IMRT vs SBRT respectively, one patient died for systemic progression of disease and two patient were not evaluable at this time. Conclusions: Our preliminary results showed that, the use of RA-IMRT and SBRT are an excellent local therapy for isolated lymph nodes recurrences of gynaecological cancer with a good toxicity profile and local control rate, even if any long term survivors would be expected. New treatment modalities like Cyberknife are also being implemented.

Tecnologie innovative di Radioterapia Stereotassica

Dopo un'iniziale descrizione dei concetti fondamentali di dosimetria e degli effetti biologici delle radiazioni sul DNA, ho fatto una descrizione approfondita sulle diverse metodiche radioterapiche. Ho poi concentrato l'elaborato sull'approfondimento storico, tecnico-funzionale e degli aspetti positivi/negativi di due delle tecnologie di irradiazione mirata in ambito clinico più all'avanguardia e utilizzate nel loro ambito specifico: Gamma Knife modello PERFEXION e Cyberknife modello M6. Infine ho esposto gli aspetti principali dell'ultimo medello di Gamma Knife (ICON) presentato per la prima ad aprile 2015 e ad oggi presente solo in due strutture in Europa e cinque negli Stati Uniti.

Development and Implementation of the Use of Optically Stimulated Luminescent Detectors in the Radiological Physics Center Anthropomorphic Quality Assurance Phantoms

The Radiological Physics Center (RPC) uses both on-site and remote reviews to credential institutions for participation in clinical trials. Anthropomorphic quality assurance (QA) phantoms are one tool the RPC uses to remotely audit institutions, which include thermoluminescent dosimeters (TLDs) and radiochromic film. The RPC desires to switch from TLD as the absolute dosimeter in the phantoms, to optically stimulated luminescent dosimeters (OSLDs), but a problem lies in the angular dependence exhibited by the OSLD. The purpose of this study was to characterize the angular dependence of OSLD and establish a correction factor if necessary, to provide accurate dosimetric measurements as a replacement for TLD in the QA phantoms. A 10 cm diameter high-impact polystyrene spherical phantom was designed and constructed to hold an OSLD to study the angular response of the dosimeter under the simplest of circumstances for both coplanar and non-coplanar treatment deliveries. OSLD were irradiated in the spherical phantom, and the responses of the dosimeter from edge-on angles were normalized to the response when irradiated with the beam incident normally on the surface of the dosimeter. The average normalized response was used to establish an angular correction factor for 6 MV and 18 coplanar treatments, and for 6 MV non-coplanar treatments specific to CyberKnife. The RPC pelvic phantom dosimetry insert was modified to hold OSLD, in addition to the TLD, adjacent to the planes of film. Treatment plans of increasing angular beam delivery were developed, three in Pinnacle v9.0 (4-field box, IMRT, and VMAT) and one in Accuray’s MultiPlan v3.5.3 (CyberKnife). The plans were delivered to the pelvic phantom containing both TLD and OSLD in the target volume. The pelvic phantom was also sent to two institutions to be irradiated as trials, one delivering IMRT, and the other a CyberKnife treatment. For the IMRT deliveries and the two institution trials, the phantom also included film in the sagittal and coronal planes. The doses measured from the TLD and OSLD were calculated for each irradiation, and the angular correction factors established from the spherical phantom irradiations were applied to the OSLD dose. The ratio of the TLD dose to the angular corrected OSLD dose was calculated for each irradiation. The corrected OSLD dose was found to be within 1% of the TLD measured dose for all irradiations, with the exception of the in-house CyberKnife deliveries. The films were normalized to both TLD measured dose and the corrected OSLD dose. Dose profiles were obtained and gamma analysis was performed using a 7%/4 mm criteria, to compare the ability of the OSLD, when corrected for the angular dependence, to provide equivalent results to TLD. The results of this study indicate that the OSLD can effectively be used as a replacement for TLD in the RPC’s anthropomorphic QA phantoms for coplanar treatment deliveries when a correction is applied for the dosimeter’s angular dependence.

Traitement du cancer pulmonaire non à petites cellules par radiothérapie stéréotaxique d’ablation

Les néoplasies pulmonaires demeurent la première cause de décès par cancer au Québec représentant près de 6000 décès par année. Au cours des dernières années, la radiothérapie stéréotaxique d’ablation (SABR) s’est imposée comme un traitement alternatif à la résection anatomique pour les patients inopérables atteints d’un cancer pulmonaire non à petites cellules de stade précoce. Il s’agit d’une modalité de traitement qui permet d’administrer des doses élevées, typiquement 30-60 Gy en 1-8 fractions, dans le but de cibler précisément le volume de traitement tout en épargnant les tissus sains. Le Centre Hospitalier de l’Université de Montréal s’est muni en 2009 d’un appareil de SABR de fine pointe, le CyberKnife™ (CK), un accélérateur linéaire produisant un faisceau de photons de 6 MV dirigé par un bras robotisé, permettant d’administrer des traitements non-coplanaires avec une précision infra-millimétrique. Ce mémoire est dédié à la caractérisation de certains enjeux cliniques et physiques associés au traitement par CK. Il s’articule autour de deux articles scientifiques revus par les pairs. D’une part, une étude prospective clinique présentant les avantages de la SABR pulmonaire, une technique qui offre un excellent contrôle tumoral à long terme et aide au maintien de la qualité de vie et de la fonction pulmonaire. D’autre part, une étude de physique médicale illustrant les limites de l’acquisition d’images tomodensitométriques en auto-rétention respiratoire lors de la planification de traitement par CK.