Iedere dag een nieuw bestralingsplan kan
Protonentherapie is een vorm van radiotherapie waarin de patiënt in dagelijkse sessies wordt bestraald met protonen. De energie van een protonenbundel kan zo worden ingesteld dat de bundel in de tumor stopt en daar de meeste dosis afgeeft. De plek waar de bundel stopt is echter erg gevoelig voor dagelijkse veranderingen in de patiënt. Denk hierbij aan variaties in de vulling van de darmen, de beweging van de prostaat en lymfeklieren. In plaats van een groter gebied te bestralen om met deze variaties rekening te houden, is de wens groot om iedere dag een nieuw bestralingsplan te maken en zo altijd rekening te houden met de veranderingen van die dag. En gezond weefsel rondom de tumor beter te sparen, wat naar verwachting leidt tot minder bijwerkingen.
Het maken van een bestralingsplan voor protonentherapie kost tijd, van een paar uur tot meer dan een hele dag. Het idee om plannen te aan te passen bestaat al langer, het was echter nog nooit aangetoond dat het kon. Tot het promotieonderzoek van Thyrza Jagt. Het kan dus?
“Ja, met mijn onderzoek heb ik laten zien dat het mogelijk is om dagelijks plannen aan te passen. Hiervoor heb ik twee verschillende optimalisatie technieken gebruikt en deze onderzocht voor drie verschillende manieren om het bestralingsplan dagelijks aan te passen.”
Bij het maken van een bestralingsplan worden organen en andere kritieke weefsels ingetekend; wordt er bepaald welke dosis er in de tumor moet komen en met hoeveel protonenbundels en vanuit welke hoeken dit het beste kan gebeuren.
De eerste methode is de restauratiemethode, terug naar het originele plan. Wat houdt dit in?
“Bij deze methode zorg je ervoor dat de tumor ondanks de veranderde situatie toch de dosis krijgt die in het plan staat. En dit doe je door de energie en het gewicht van de pencil beams, groepjes protonen, zo aan te passen dat ze de tumor weer bereiken. Uitgangspunt is de eerste CT scan die voor de bestralingsserie is gemaakt en waarop het bestralingsplan gebaseerd is. De nieuwe CT, de CT van de dag, leg je op de CT van het bestralingsplan en dan kijk je naar de verschillen. Je loopt als het ware mee met de pencil beams, kijkt wat ze tegenkomen. Zit er nu lucht in de darmen, dan gaat de pencil beam daar anders doorheen dan gepland. Die pencil beams pas je aan. Het systeem rekent dan uit of de protonen in de pencil beam meer of minder energie moeten krijgen, zodat die door de darmen heen op de juiste plek in de tumor komt.”
Rekenen kost tijd, hoe lang duurt dit?
“Het gaat vrij snel. De vergelijking van de twee CT scans en het aanpassen van de pencil beams kost maar 15 seconden Daarna moet er een tussentijdse dosisberekening gemaakt worden, dit kost 1.5 tot 2 minuten, en een volledige dosisberekening die ongeveer 4 minuten duurt. Het versnellen van de dosisberekeningen viel overigens buiten mijn onderzoek.”
Adaptatie, de tweede methode die je doorgerekend hebt, houdt ook rekening met de veranderingen in de tumor, hoe?
“Bij de restauratiemethode gaan we uit van de bestaande intekening van de tumor, maar de tumor kan van vorm en van plaats veranderen. Met adaptief plannen houden we ook daar rekening mee. Uitgangspunt is weer de eerste CT scan en het bestralingsplan. Op de CT van de dag wordt de tumor dan opnieuw ingetekend en kijken we of de bestaande pencil beams nog op de juiste plek stoppen. Zo niet, dan halen we pencil beams weg die bijvoorbeeld naast de tumor terecht komen en voegen nieuwe toe op de juiste plek.”
Stel je bent patiënt, hoe gaat dit dan?
“Een patiënt komt in de behandelruimte op de behandeltafel liggen, precies zo als in het bestralingsplan is bepaald. Dan maken we daar een CT. HollandPTC heeft hier een in-room CT scanner voor die op rails staat. Het vergelijken van de CT’s en het opnieuw verdelen van de pencil beams kost zo’n 30 seconden rekentijd. De dosisberekening duurt nu nog het langst. Als we dit naar de praktijk willen brengen, moet dat dus sneller. Gelukkig kan dit versneld worden door gebruik te maken van GPU’s.”
Bij de derde methode is de basis een planbibliotheek. Hoe werkt dit?
“Voor tumoren waar de beweging van organen groot is, wordt een planbibliotheek gemaakt, zodat je van verschillende situaties een bestralingsplan op de plank hebt liggen. Bijvoorbeeld bij baarmoederhalskanker kan dat een bestralingsplan bij een volle blaas en een bestralingsplan bij een lege blaas zijn. Als een patiënt dan komt, wordt een CT gemaakt en gekozen welk bestralingsplan het beste is voor de situatie van die dag.”
Is de ene methode beter dan de andere?
“Het hangt van de tumor en vooral van het soort en de grootte van de beweging af wat de beste methode is. Met volledige adaptatie kun je het meeste gezond weefsel sparen, maar dit kost nu nog te veel rekentijd om in de praktijk gebruikt te kunnen worden. Restauratie van het plan is dan een goed en haalbaar alternatief.”
Je hebt de berekeningen gedaan voor prostaat- en baarmoederhalskanker. Typen tumoren die we bij HollandPTC nog niet behandelen. Waarom koos je daarvoor?
“Bij beide typen tumoren komen grote bewegingen van de tumor en grote veranderingen van andere organen zoals darmen en blaas voor. Nu ik in deze gevallen heb kunnen laten zien dat het mogelijk is om dagelijks het bestralingsplan aan te passen, is het zeker mogelijk voor andere typen tumoren. We hebben deze tumoren gebruikt als modelsysteem. Overigens zijn er concrete plannen om een studie te starten voor de behandeling van baarmoederhalskanker met protonentherapie en wordt landelijk gekeken naar welke groepen patiënten met prostaatkanker in aanmerking zouden kunnen komen voor protonentherapie.”
Je hebt met je onderzoek dus een proof of principle laten zien. Hoe gaat het nu verder?
“Met mijn onderzoek heb ik laten zien dat het kan. En daarmee zit het er voor mij op. Maar het project gaat verder, Michelle Oud is ondertussen gestart binnen het project IMAGINATION, waarbij ze hopen dat over drie jaar adaptieve behandelingen dagelijkse gang van zaken is bij HollandPTC.”
Gepromoveerd, en nu?
“Ik ben begin van het jaar gestart als postdoc bij het NKI-AVL in de groep adaptive radiotherapy, waar ik werk aan het adaptief plannen voor de MRLinac. Bij het NKI zit ik dichter bij het klinische proces, ik hou me bezig met het controleren en verbeteren van de huidige adaptatiemethoden in de kliniek. Alleen geen protonen nu, maar fotonen. Maar nog wel die goede combinatie, optimaliseren van de zorg.”
Prof. dr. Mischa Hoogema, promotor:
“Deze proof of principle is echt een grote stap. Thyrza heeft laten zien dat dagelijks een bestralingsplan aanpassen haalbaar is binnen een acceptabele tijd en misschien nog wel belangrijker dat dit volledig geautomatiseerd kan plaatsvinden. Het ADAPTNOW project, dat gefinancierd is door ZonMw en Varian Medical Systems, is op meerdere fronten succesvol met een promotie en mooie samenwerking tussen het LUMC, Erasmus MC, de TU Delft en HollandPTC. Thyrza is één van de eersten die promoveert op een onderzoek bij HollandPTC. Tegelijkertijd heeft dr.ir. Marius Staring (LUMC) binnen ADAPTNOW gewerkt aan het onderzoek om de contouren die in een bestralingsplan worden gebruikt, automatisch om te zetten op de CT van de dag en dr. ir. Dennis Schaart (TU Delft) aan het controleren of de dosisafgifte in het lichaam correct is. En het project heeft geleid tot een vervolg, in het project IMAGINATION gaan we de volgende stap maken naar de kliniek.”
Thyrza is op 25 november 2020 aan de Erasmus universiteit gepromoveerd op haar proefschrift Automated Online-Adaptive Intensity-Modulated Proton Therapy.