Untersuchung der Atemvariabilität frei-atmender Lungen- und Lebertumorpatienten in der Strahlentherapie

Abstract

Zur Untersuchung von Ausmaß und Eigenschaften der intra- und interfraktionären Atemvariabilität wurden jeweils 6 Atemsurrogatkurven von 5 freiwilligen Probanden ohne bekannte Vorerkrankungen (Studenten), sowie von 5 Strahlentherapie-Patienten, aufgezeichnet und analysiert. Die Aufzeichnung erfolgte mittels Real-time Position Management Systemen der Firma Varian Medical Systems. Die liegenden Probanden wurden mittels Lagerungshilfen immobilisiert. Jede Studenten-Atemkurve umfasste etwa 10 min. Dabei begann die Aufzeichnung etwa 1 min nach Liegebeginn. Die Patienten-Atemkurven umfassen je etwa 1 min bis 2 min, mit einem Aufzeichnungsbeginn zwischen 10 min und 50 min nach Liegebeginn. Sie wurden beim 4D-Planungs-CT und unmittelbar nach den Bestrahlungsfraktionen aufgezeichnet. Die Aufbereitung und Analyse der Daten bewerkstelligten selbst entwickelte Matlab-Routinen. Behandelt wurden die Parameter Atemzugamplitude, Periodendauer und Baseline(shift) der anterior-posterioren Kurven. Die Atembewegung unterlag intra- und interfraktionär einer deutlichen Variabilität. Atemzugamplituden wiesen intrafraktionär eine Spannweite von bis zu 36 mm auf. Interfraktionär erreichte die Spannweite der Fraktionsmittelwerte bis zu 6 mm. Periodendauern zeigten intrafraktionär bis zu 13,1 s Spannweite. Interfraktionäre Spannweiten der Fraktionsmittelwerte kamen auf bis zu 3,9 s. Verschiedene systematische Eigenschaften konnten im Ansatz gezeigt werden. Atemzugamplituden und Periodendauern wiesen beispielsweise tendenziell eine Normalverteilung ihrer Werte auf. Bei den Periodendauern deutete sich ein Zusammenhang zwischen Ausmaß der intra- und interfraktionären Variabilität an. In den ersten Minuten der Liegezeit wurden systematische Baselineshifts beobachtet. Zudem zeigen die Baselines eine ungerichtete Variabilität zwischen einzelnen Atemzügen die in Größenordnung des Baselineshifts lag. Die Ergebnisse sollten anhand größerer Stichprobenumfänge präzisiert und verifiziert werden.

In radiotherapy of lung and liver tumors, the internal target volume is meant to compensate for the uncertainty in tumor position, which primarily depends on breathing motion. The breathing motion is accounted for by 4D-CT imaging through delineating the volume in which the tumor moves within the breathing cycle. For 4D-CT reconstruction, breathing curves are measured by surrogate systems. Thus, variations of surrogate breathing curves are likely to result in variations of the tumor trajectories and hence affect the correct sizing of the internal target volume. This investigation is a first attempt to gain detailed knowledge of the intensity and the properties of the breathing irregularity in radiotherapy, based on surrogate breathing curves. Softwareroutines are developed to analyze these curves. Irregularities in breath amplitudes and cycle lengths are explored, as well as baselineshifts. They are studied at intra-fractional and interfractional level, in terms of systematic properties and values. The intra-fractional variability of breath amplitudes and cycle lengths is explored based on the span of values per fraction (or session). Their interfractional variability is explored based on the spans of minima, maxima and mean values. The general character of their distribution is examined in outlines. The results point out clues for further research on free-breathing patients breathing variability. Larger sample sizes are necessary for propper results. Furthermore, the acquired craniocaudal and lateral curves have not been investigated yet.