Cyberknife Radiochirurgie - Institut für Robotik und Kognitive Systeme

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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
Präzisionsbestrahlungen
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.
zen. 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
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reine Behandlungszeit liegt je nach
Lokalisation, Größe und behandeltem Organ im Mittel zwischen 60 90 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,
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 erset-
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
Präzisionsbestrahlungen
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vor der Behandlung in der Nähe
der Läsion implantiert werden.
Dynamische
Positionskorrektur
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 Bild-
führungssystems kontinuierlich abgeglichen. Bei Indikationen ausserhalb des Kopfes, wo keine Skelettstrukturen als Landmarken zur
Registrierung verwendet werden
können, geschieht die Registrierung über kleine Metallmarker, die
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
Präzisionsbestrahlungen
durchgeführt. Ent- Behandlung wach und wird mit
sprechend der indivi- Videokameras überwacht. Insgeduellen Krankheits- samt wird ein Zeitaufwand von
konstellation
kann etwa 45 - 90 Minuten für die
diese Untersuchung gesamte Behandlung benötigt.
unmittelbar vor – Während der Behandlung fährt
oder schon Tage vor der Roboter etwa 100 definierte
der eigentlichen Be- Knotenpunkte an, die homogen
handlung durchge- um das Zielgebiet verteilt sind
führt werden. Zu und als virtueller Helm um den
beachten ist, dass die Patienten verstanden werden könzeitliche Entkoppe- nen. Von jedem dieser Knotenlung von Bildgebung punkt aus kann der Strahl in jede
Abb. 5: Darstellung der Metallmarker die als Landmarken zur
Referenzierung für Körperbehandlungen zur Anwendung
und Behandlung erst Richtung innerhalb des Behandkommen
durch die rahmenlo- lungvolumens gerichtet werden
zu den herkömmlichen rahmen- se Bildführung ermöglicht wird. (non-isozentrische Bestrahlung).
basierten Radiochirurgiesystemen Auf der Basis der prätherapeuti- Über komplexe Optimierungsist (8). So werden an Phantomen schen Bildgebung wird die Grös- techniken kann die Gewichtung
Gesamtgenauigkeiten
(einge- se, Form und Lokalisation der zu der einzelnen Strahlen so festgeschlossen Bildgebung, Planung, behandelnde Region in Zusam- legt werden, dass eine hohe Dosis
Behandlung) von 0.42 ± 0.4 mm menhang mit dem umliegenden im Bereich der Läsion unter
erreicht.
gesunden Gewebe exakt beurteilt. Beachtung der spezifischen LimiDie Behandlungsplanung ist auf tationen der umliegenden RisikoBehandlungsablauf
eine inverse Dosisplanung ausge- organe erzielt wird. Das compuLokalisierungssyIm Falle einer Hirnbehandlung legt, wobei die Dosis im Zielvolu- tergesteuerte
wird eine individuelle Kopfmaske men über die Toleranzdosis der stem nimmt neue Röntgenbilder
angefertigt. Diese Maske hilft den benachbarten
Risikostrukturen auf und vergleicht diese mit den
Kopf des Patienten zu stützen definiert wird. Der Arzt gibt dem generierten DRRs des Planungsund die Kopfbewegung während Computer die Konturen des Cts um die höchst mögliche Präder Behandlung möglichst gering Tumors und der Risikoorgane, die zision während der gesamten
zu halten. Prinzipiell ist bei sehr Solldosis im Tumor und die Tole- Behandlung zu gewährleisten.
kooperativen Patienten auch eine ranzdosen der Risikoorgane vor,
Kopfbehandlung ohne Maske und der errechnet die notwendi- Indikationen
möglich. Für Wirbelsäulentumore gen Bestrahlungsfelder, die zu Das Münchner Cyberknife Zenwird eine Vakuumlagerungshilfe einer bestmöglichen Dosisvertei- trum (Eröffnung am 01.07.2005)
individuell angefertigt die den lung im Tumor führen (9). Der ist in eine Kooperationsstruktur
Körper während der Behandlung Patient ist während der gesamten mit dem Klinikum der Ludwigstabilisiert. 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
Abb. 6: Darstellung der Generierung eines DRRs (digital reconstructed radiograph). Aus den
einzelnen Schichten eines CTs wird eine seitliche Röntgenaufnahme des Schädels rekonstruComputertomographie (CT) und
iert, die als Referenz für die Röntgenkontrollen während der Behandlung dient
ggf. Kernspintomograpie (MRT)
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Präzisionsbestrahlungen
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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.
2. Chang, Steven D., David P.
Martin, and John R. Adler. 1998.
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.
1999. 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. 1998. Clinical experience
with image-guided robotic radiosurgery (the CyberKnife) in the treatment of brain and spinal cord
tumors. Neurologia MedicoChirugica 38 (11):780-783.
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. 1999. Imageguided robotic radiosurgery.
Neurosurgery 44 (6): 1299-1307.
frameless radiosurgery system.
Medical Physics 23 (12):
2043-2049.
9. Schweikard, A., Bodduluri, M.,
Adler, J.R. 1998. Planning for
Camera-Guided Radiosurgery
IEEE. Transactions on Robotics
and Automation 13, 951-962.
10. Schweikard, A., Shiomi, H.,
Adler, J. 2004. Respiration
Tracking in Radiosurgery Medical
Physics,
American Association of Physicists in Medicine (31), 2738-2741.
11. Schweikard, A., Shiomi, H.,
Adler, J. 2005. Respiration
Tracking in Radiosurgery without
Fiducials International Journal of
Medical Robotics and Computer
Assisted Surgery (1), 19-27,
Robotic Publications Ltd.
(www.roboticpublications.com),
Ilkley, UK.
Kontakt:
5. Chang, Steven D., Martin J.
Murphy, James R. Doty, and
John R. Adler, Jr. 1999. Stereotactic Radiosurgery: New Innovations.
Perspectives in Neurological Surgery 10 (1):151-159.
Dr. med.
A. Muacevic
6. Schweikard, Achim, Greg
Glosser, Mohan Bodduluri, Martin J. Murphy and John R. Adler,
Jr. 2000. Robotic Motion Compensation for Respiratory Movement
During Radiosurgery. Computer
Aided Surgery (5):263-277.
PD Dr.
B. Wowra
7. Murphy, Martin J., John R.
Adler, Jr., Mohan Bodduluri,
John Dooley, Kenneth Forster,
Jenny Hai, Quynh Le, Gary
Luxton, David Martin and Joseph
Poen. 2000. Image-Guided Radiosurgery for the Spine and Pancreas.
Computer Aided Surgery
(5):278-288.
8. Murphy, Martin J., and Richard
Cox. 1996. The accuracy of dose
localization for an image-guided
Prof Dr. Ing
A. Schweikard
Direktor des
Institutes für Robotik
und Kognitive
Systeme der
Universität Lübeck
Europäisches Cyberknife Zentrum
München-Großhadern
Max-Lebsche-Platz 31
81377 München
Tel.: 089-4523360
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