Optimalisatie en implementatie van opkomende technologieën ter verbetering van radiotherapie van hoofd- en halskanker

Radiotherapie (RT) met externe bundels wordt beschouwd als een hoeksteen van de behandeling van hoofd- en halskanker (HHK). Het hoofddoel van RT is het toedienen van een voldoende dosis aan de kwaadaardige cellen om een celdodend effect te induceren, waardoor de tumorcontrole wordt gemaximaliseerd, terwijl de dosis aan de gezonde risico-organen zo veel mogelijk wordt beperkt, waardoor bestralingsgeïnduceerde toxiciteiten worden geminimaliseerd. Verbeterde geometrische doelgerichtheid is cruciaal gebleken om toxiciteiten in fotonenbundel RT van HHK te verminderen, door middel van technische ontwikkelingen zoals intensiteitsmodulatie van de bestralingsbundels en beeldgeleide toediening van de behandeling. De toegenomen tijdsvraag van deze meer complexe behandelingsbenaderingen is echter in strijd met het huidige onderaanbod van RT, zodat een verbeterde tijdefficiëntie van moderne fotonenbundel RT van HHK aangewezen is. Bovendien worden de met fotonenbundel RT realiseerbare dosisdistributies finaal beperkt door het heersende exponentiële dosisafzettingsprofiel, hetgeen pleit voor de implementatie van alternatieve RT bundelmodaliteiten. De afwezigheid van uitgangsdosis in intensiteitsgemoduleerde protonentherapie (IMPT), bijvoorbeeld, door het eindige bereik van protonen, laat mogelijk een verbeterd sparen van risico-organen toe met in vergelijking met fotonenbundel RT en zou derhalve bestralingsgeïnduceerde toxiciteiten kunnen verminderen voor een subpopulatie van de patiënten met HHK. De relatief immature techniek van IMPT vereist echter nog steeds optimalisatie van vele technologische en fysieke aspecten, zoals de protonenpenceelbundelgrootte en de werkstroom-efficiëntie bij het gebruik van een energie pre-absorbeerder of ‘range shifter’ (RS) voor de behandeling van oppervlak gelegen doelvolumes.  Dit proefschrift richt zich op de optimalisatie en implementatie van opkomende technologieën om de bovengenoemde aspecten in fotonen- en protonenbundel RT van HHK te verbeteren.

Implementatie van opkomende O-ring lineaire versneller (linac) technologie kan de tijdsefficiëntie van beeldgeleide, volumetrisch intensiteitsgemoduleerde boogtherapie (VMAT) met fotonenbundels mogelijk verhogen. De inkapseling van de bewegende delen zorgt namelijk voor hogere rotatiesnelheden van het bestralingstoestel dan bij conventionele C-arm linacs. In hoofdstuk II van dit proefschrift werd een snel roterende O-ring linac klinisch geïmplementeerd en vergeleken met een C-arm linac wat betreft plankwaliteit en toedieningstijd. Voor een cohorte van 30 patiënten werden behandelplannen voor VMAT van HHK op beide systemen geoptimaliseerd, werd de nauwkeurigheid van de plantoediening geverifieerd en werden de plantoedieningstijden opgemeten. De resultaten tonen aan dat voor VMAT van HHK, de snel roterende O-ring linac tenminste de plankwaliteit van twee-bogen VMAT op een C-arm linac handhaaft, terwijl de volumetrische beeldacquisitie en de plantoedieningstijd worden verkort. De verwachte reductie van de behandelingsduur geassocieerd met de snel roterende O-ring linac zou de klinische doorstroom van beeldgeleide, zeer conforme fotonenbundel RT van HHK kunnen verhogen en zou kunnen bijdragen aan een verbeterd patiëntencomfort in standaard- of hyper-gefractioneerde RT van HHK. Bovendien biedt de snel roterende O-ring linac inherente beschikbaarheid van dagelijks volumetrische beelden, wat het klinisch inzetten van adaptieve RT van HHK zou kunnen vergemakkelijken.

IMPT van HHK kan worden geoptimaliseerd met behulp van bolus RS, geïntegreerd in het patiëntimmobilisatiemateriaal. Een dergelijk geïntegreerd apparaat zou de protonenpenceelbundelgrootte en het aantal hardwaremanipulaties - met botsingsrisico – kunnen verminderen in vergelijking met een conventionele, op het bestralingstoestel gemonteerde RS. In hoofdstuk III, IV en V van dit proefschrift werd de opkomende productietechnologie van 3D-printen geïmplementeerd ter realisatie van een dergelijk apparaat. In eerste instantie werd het sparen van de normale weefsels met 3D-geprinte, patiëntspecifieke RS voor IMPT van HHK vergeleken met conventionele RS met behulp van op Monte Carlo gebaseerde planoptimalisatie. De resultaten tonen klinisch relevante toxiciteitsreducties en motiveren dus de ontwikkeling van patiëntspecifieke bolus RS voor IMPT van HHK. In tweede instantie werd dan de geschiktheid van 3D-printen ter realisatie van RS-geïntegreerd patiëntimmobilisatiemateriaal geëvalueerd voor een reeks 3D-geprinte materialen en technieken. Op duale-energie computertomografie gebaseerde predicties van protonenbereikverschuivingen werden geverifieerd met protonenbundelmetingen en mechanische stijfheidsmetingen werden uitgevoerd voor en na bestraling met een therapeutische dosis. De resultaten tonen een proof-of-concept voor het gebruik van 3D-geprinte RS en immobilisatiemateriaal in een klinische workflow. In derde en laatste instantie werd de haalbaarheid van 3D-geprinte patiëntimmobilisatie (3DPrIm) geëvalueerd in een pilootstudie bij patiënten met HHK, met behulp van wekelijkse volumetrische beeldvorming en een patiëntenvragenlijst. De resultaten tonen aan dat 3DPrIm haalbaar is in termen van werkstroom, patiëntencomfort en reproduceerbaarheid van de instelling van de patiënt. Als zodanig werden met de implementatie van 3D-printtechnologie belangrijke stappen gezet in de richting van een enkel, patiëntspecifiek apparaat dat reductie van de protonenpenceelbundelgrootte, minimalisering van hardwaremanipulatie en patiëntimmobilisatie voor IMPT van HHK realiseert. Hoewel de klinische implementatie van een dergelijk apparaat nog moet worden gerealiseerd, zou de verbeterde toxiciteitsreductie het totale aantal patiënten kunnen verhogen dat in aanmerking komt voor IMPT van HHK. Bovendien zou de potentieel verhoogde klinische doorstroom het verzamelen van klinische evidentie voor IMPT van HHK kunnen faciliteren.