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Kompendium Internistische Onkologie
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Publiziert am: 30.11.2022 Bitte beachten Sie v.a. beim therapeutischen Vorgehen das Erscheinungsdatum des Beitrags.

Radiochirurgie und stereotaktische Strahlentherapie

Verfasst von: Nicolaus Andratschke, Jonas Willmann und Matthias Guckenberger
Die stereotaktische Strahlentherapie oder Radiochirurgie ist ein strahlentherapeutisches Verfahren, um Tumoren hochfokussiert kleinvolumig und mit sehr hoher Strahlendosis abzutöten. Ursprünglich für die Behandlung von gutartigen Hirntumoren und Metastasen im ZNS entwickelt, wurde das Verfahren ebenso für die Behandlung von extrakraniellen Tumoren etabliert. Auch wenn eine international harmonisierte Definition nicht existiert, ist die stereotaktische Strahlentherapie oder Radiochirurgie allgemein definiert als (1) eine Form der perkutanen Strahlentherapie („external beam radiation therapy“, EBRT), bei der (2) ein klar abgrenzbares Zielvolumen (3) präzise, (4) mit einer hohen Strahlendosis (5) als Einzeitbestrahlung oder in wenigen Bestrahlungssitzungen (maximal zwölf Fraktionen) (6) lokal kurativ behandelt wird. In diesem Übersichtskapitel werden neben einer allgemeinen klinischen Einleitung technische Voraussetzungen, Besonderheiten der Patientenlagerung, die Bestrahlungsplanung inklusive empfohlener Bildgebung sowie die bildgestützte Bestrahlungsapplikation – insbesondere unter Berücksichtigung von beweglichen Tumoren – dargestellt.

Einleitung

Die stereotaktische Strahlentherapie oder Radiochirurgie wurde von Lars Leksell, einem Neurochirurgen, pionierhaft entwickelt, als er die Technik der intrakraniellen stereotaktischen Biopsie zur virtuellen Lokalisation jedes beliebigen Punkte im Zentralnervensystem (ZNS) mit der Idee eines Strahlentherapiegerätes, das aus einer Vielzahl von kleinen Strahlenquellen fokussierte kleine Tumoren bestrahlen konnte, kombinierte, dem sogenannten Gamma Knife (Namensgebung aufgrund der Verwendung des Gammastrahlers Cobalt-60). Über die letzten beiden Jahrzehnte wurde diese Bestrahlungsmethode an die Linearbeschleunigertechnologie adaptiert und hat sich fest zur Behandlung von gutartigen und bösartigen intrakraniellen Tumoren etabliert.
Typische und etablierte Indikationen für die intrakranielle Radiochirurgie
Aufgrund dieser Erfahrungen wurde die stereotaktische Strahlentherapie Mitte der 1990er-Jahre durch fundamentale Arbeiten an der Karolinska-Klinik in Schweden auch für die Behandlung von extrakraniellen Tumoren übertragen (Lax et al. 1994). Klinisch wurde diese Bestrahlungstechnik dann vor allem in Japan und Deutschland um das Jahr 2000 implementiert und hat ab 2005 auch breitere internationale Aufmerksamkeit erfahren (Wulf et al. 2004; Herfarth et al. 2001; Uematsu et al. 2001). Seither hat sich die extrakranielle stereotaktische Strahlentherapie rasant weiterentwickelt und ein breites Spektrum an Indikationen erschlossen.
Die stereotaktische Strahlentherapie ermöglicht ablative Behandlungen mit oftmals exzellenter lokaler Kontrolle und minimalen Nebenwirkungen. Im Vergleich zu konventionell fraktionierten Verfahren kann den Patienten zudem eine mehrwöchige Therapie erspart werden. Daher finden hochdosierte Präzisionsbestrahlungen zunehmend Anwendung im fortgeschrittenen und metastasierten Krankheitsstadium. Erhaltung und Wiederherstellung von Lebensqualität stehen hier im Vordergrund. Eine in jüngster Zeit veröffentlichte Studie lieferte darüber hinaus Hinweise auf einen möglichen Überlebensvorteil durch lokale ablative Bestrahlung für einen Teil der Patienten mit begrenzt metastasierter Tumorerkrankung, der sogenannten Oligometastasierung (Palma et al. 2019). Für eine ausführliche Abhandlung verweisen wir auf das Kap. „Strahlentherapie bei lokoregionären Metastasen“.
Etablierte und sich entwickelnde Indikationen für die extrakranielle stereotaktische Strahlentherapie oder Radiochirurgie
Die stereotaktische Strahlentherapie war historisch aus der Therapie von ZNS-Tumoren mit stereotaktischer Lokalisation der Tumoren durch ein externes rahmenbasiertes Koordinatensystem hervorgegangen, um eine genaue und reproduzierbare Applikation einer hochkonformalen Strahlendosis zu applizieren. Da die rahmenbasierte Methodik durch eine bildgestützte exakte Tumorlokalisierung ersetzt wurde, ist die Bezeichnung stereotaktisch formal nicht mehr korrekt, aber weiterhin als etablierte Bezeichnung in Gebrauch.
Auch wenn eine international harmonisierte Definition nicht existiert, kann man einen gemeinsamen Nenner für die stereotaktische Strahlentherapie, abgeleitet aus den Empfehlungen verschiedener nationaler Fachgesellschaften (USA, UK, Kanada), wie folgt beschreiben (Benedict et al. 2010; Potters et al. 2010; Kirkbride und Cooper 2011; Sahgal et al. 2012):
Es werden drei Formen der stereotaktischen Strahlentherapie unterschieden, die sich bezüglich des Indikationsspektrums, der Fraktionierung und der Qualitätsanforderungen unterscheiden:
  • Die Radiochirurgie („stereotactic radiosurgery“, SRS) als meist einzeitige Bestrahlung von intrakraniellen Tumoren und benignen Erkrankungen
  • Die fraktionierte stereotaktische Radiotherapie („stereotactic radiation therapy“, SRT) von intrakraniellen Tumoren und benignen Erkrankungen
  • Die extrakranielle stereotaktische Radiotherapie, auch Körperstereotaxie genannt („stereotactic body radiation therapy“, SBRT)
Die stereotaktische Strahlentherapie oder Radiochirurgie ist allgemein definiert als (1) eine Form der perkutanen Strahlentherapie („external beam radiation therapy“, EBRT), bei der (2) ein klar abgrenzbares Zielvolumen (3) präzise, (4) mit einer hohen Strahlendosis (5) als Einzeitbestrahlung oder in wenigen Bestrahlungssitzungen (maximal zwölf Fraktionen) (6) lokal kurativ behandelt wird.
Um diese besonderen Merkmale der stereotaktischen Strahlentherapie korrekt und mit hoher Qualität umsetzen zu können, sind die folgenden Aspekte von fundamentaler Bedeutung (DEGRO-Leitlinie):
  • Die kranielle und extrakranielle SRS/SRT kann gleichermaßen mit speziell adaptierten konventionellen Linearbeschleunigern oder ausschließlich auf die SRS ausgerichtete Spezialsystemen, wie dem Gamma Knife oder CyberKnife, durchgeführt werden und ist unabhängig mit Photonen oder Protonen möglich.
  • Aufgrund der erforderlichen hohen Präzision muss der gesamte SRS-/SRT-Behandlungsablauf für jeden Prozessschritt optimiert und eine rigorose systematische Qualitätssicherungskette implementiert werden.
  • Die verwendeten Strahlendosen sind biologisch mindestens einer kurativ intendierten, konventionell fraktionierten Strahlentherapie äquivalent.
  • Die Applikation erfolgt in wenigen Fraktionen (typischerweise maximal zwölf Fraktionen), und eine entsprechende physikalische Dosisadaptation der Einzel- und Gesamtdosis ist risikoadaptiert an das Tumorvolumen und die anatomische Lokalisation zwingend notwendig.
  • Die Zielvolumendefinition und -lokalisation ist mittels adäquater Bildgebung sichergestellt. Typischerweise wird nur der makroskopisch identifizierbare Tumor als Target definiert, ohne einen sonst üblichen Sicherheitssaum für eine potenziell mikroskopische Invasion.

Technische Voraussetzungen

Für die stereotaktische Strahlentherapie steht eine Vielzahl von Geräten zur Verfügung. Dabei existieren Mehrzweckgeräte, mit denen sowohl konventionelle als auch stereotaktische Bestrahlungen durchgeführt werden können, als auch speziell für die Anforderungen der intrakraniellen Radiochirurgie entwickelte Geräte.

Cobalt-Radiochirurgie

Die ersten Radiochirurgiegeräte nutzten mehrere permanent auf einen Punkt fokussierte 60Co-Quellen, um annähernd sphärische Dosisverteilungen zu erreichen und intrakranielle Läsionen zu bestrahlen. Das auch heutzutage am häufigsten verwendete Cobalt-Radiochirurgiegerät ist das 1968 von Lars Leksell vorgestellte Gamma Knife, das in modifizierter Form noch heute eingesetzt wird. Das grundlegende Prinzip ist dabei die Überschneidung mehrerer Isozentren innerhalb des zu bestrahlenden Ziels. Durch Ringkollimatoren lassen sich die einzelnen Strahlen anpassen und so die Dosisverteilung und der Durchmesser des Zielvolumens beeinflussen. Zur Fixierung und Lokalisierung des Ziels wird ein stereotaktischer Rahmen verwendet.

Roboterbasierter nicht-isozentrischer Linearbeschleuniger

Das an der Universität Stanford entwickelten CyberKnife besteht aus einem Linearbeschleuniger, der auf einem Industrieroboterarm befestigt ist. Dies ermöglicht, intra- und extrakranielle Ziele mit verschiedenen nicht-isozentrischen, nicht-koplanaren Einstrahlwinkeln zu behandeln. Die Behandlung erfolgt bildgestützt durch den Abgleich von in engen Intervallen angefertigten Röntgenbildern mit vorab berechneten Rekonstruktionen aus computertomografischen Daten, die während der Bestrahlungsvorbereitung erstellt wurden. Durch Oberflächenmarker, implantierte Fiducial Marker oder die direkte Erkennung klar abgrenzbarer Lungentumoren können Atembewegungen vorhergesagt und ausgeglichen werden.

Gantry-basierter isozentrischer Linearbeschleuniger

Durch verschiedene Modifikationen können mit konventionellen Gantry-basierten Linearbeschleunigern stereotaktisch Präzisionsbestrahlung durchgeführt werden:
  • Die Integration verschiedener Bildgebungsmodalitäten direkt am Bestrahlungsgerät („image-guided radiotherapy“, IGRT) ermöglicht das Management inter- und intra-fraktioneller Lagevariationen der zu behandelnden Läsion. Dadurch wird die exakte Umsetzung der Bestrahlungsplanung gewährleistet. Eine detaillierte Beschreibung der eingesetzten Modalitäten erfolgt im Abschn. 7.
  • Mit Multilamellenkollimatoren („multi-leaf collimator“, MLC) kann der Therapiestrahl der Form der zu behandelnden Läsion angepasst werden. Die einzelnen Lamellen können sich unabhängig voneinander bewegen, wodurch das zu behandelnde Volumen genau nachgeformt werden kann. Dies ermöglicht eine sogenannte konformale Behandlung.
  • Durch erhöhte Präzision des mechanischen Isozentrums des Linearbeschleunigers sowie einen in sechs Freiheitsgraden (longitudinal, horizontal, vertikal sowie Rotationskorrektur in diesen Ebenen) beweglichen Bestrahlungstisch wird die exakte Positionierung des Patienten gewährleistet.
  • Durch die Bestrahlung mit höherer Dosisleistung kann bei hohen Einzeldosen eine Reduktion der Behandlungsdauer und somit auch der intrafraktionellen Bewegung erreicht werden.
Diese Veränderungen haben eine Verringerung der maximal erreichbaren Bestrahlungsfeldgröße und deutlich höhere Anschaffungskosten zur Folge.

Ringbasierte Linearbeschleuniger

Bei der helikalen Tomotherapie rotiert ein auf einem CT-Ring angebrachter Linearbeschleuniger, während sich der Behandlungstisch in longitudinaler Richtung schrittweise verschiebt. Der Therapiestrahl wird durch einen binären MLC (nur zwei Positionen: offen oder geschlossen) geformt. Hierdurch können komplex geformte, insbesondere konkave Zielvolumina oder Zielvolumina mit einer besonders großen longitudinalen Ausdehnung, sehr gut behandelt werden. Die bildgestützte Strahlenapplikation wird dadurch ermöglicht, dass vor jeder Behandlung ein „Low-dose“-CT mit Strahlung aus dem Linearbeschleuniger erstellt wird.

Lagerung und Immobilisierung des Patienten

Eine stabile und reproduzierbare Patientenlagerung ist eine Grundvoraussetzung für eine sichere und präzise Durchführung einer Hochpräzisionsstrahlentherapie. Sie stellt sicher, dass zusätzliche bildgebende Diagnostik für die Zielvolumendefinition optimal koregistriert werden kann, während der Bestrahlungsdurchführung die korrekte Patientenposition stabil gehalten werden kann und von Fraktion zu Fraktion eine genaue Reproduzierbarkeit der Patientenlagerung sichergestellt ist.

Intrakranielle Radiochirurgie

Aufgrund der historischen Entwicklung wurde das Prinzip der externen Rahmensysteme zur präzisen Lokalisation von stereotaktischen Biopsien für die Radiochirurgie im ZNS adaptiert und konnte somit gleichzeitig als Immobilisierungs- und Lokalisierungssysteme genutzt werden. Diese erforderten eine scharfe Fixierung am Schädelknochen. Anschließend konnten die Rahmensysteme am Kopfteil des Bestrahlungstisches mit einem festen Bezug zur Geometrie des Linearbeschleunigers befestigt werden und so mit hoher Präzision die akkurate Strahlenbehandlung mit minimaler intrafraktioneller Patientenbewegung sicherstellen. Grundprinzip war hier die Korrelation eines beliebigen Punktes im ZNS mit einem externen Koordinatensystem, das scharf mit dem Schädelknochen verbunden ist. Die entsprechende Weiterentwicklung davon war ein Stereotaxierahmensystem, das mit einer thermoplastischen Maske ausgestattet die Notwendigkeit einer invasiven Fixierung am Schädelknochen unnötig machte.
Mit der Weiterentwicklung der Bildgebung am Linearbeschleuniger selbst mittels stereoskopischer und CT-Bildgebung wurden die rahmenbasierten Systeme zunehmend durch spezielle thermoplastische Masken ersetzt, die eine hohe intrafraktionelle Genauigkeit bieten. Durch die präzise Bildgebung und die Möglichkeit der Korrektur von Lagerungsungenauigkeiten durch einen in sechs Richtungen beweglichen Bestrahlungstisch können interfraktionelle Ungenauigkeiten ausgeglichen werden.

Extrakranielle stereotaktische Strahlentherapie und Radiochirurgie

Die Patientenlagerung und -immobilisierung für die extrakranielle stereotaktische Strahlentherapie orientierte sich in den Anfängen an der kraniellen Radiochirurgie. Eine maximale Immobilisierung mittels individualisierter Vakuumlagerungen wurde mit einem externen Rahmensystem als Koordinatensystem für die Zielpunktlokalisierung kombiniert, um eine möglichst präzise Strahlenbehandlung zu ermöglichen. Analog zur Entwicklung der intrakraniellen Radiochirurgie hat die bildgeführte Strahlentherapie mit CT-Bildgebung direkt am Linearbeschleuniger die Durchführung der Lagerung signifikant beeinflusst. Durch die direkte Visualisierung und eine dedizierte Bewegungskorrektur können nun reguläre, für die IGRT entwickelte Lagerungssysteme ohne Einbußen bei der Lagerungsgenauigkeit verwendet werden. Diese bestehen aus speziellen Lagerungshilfen für eine stabile Armlagerung und der Sicherstellung einer stabilen Körperstammposition und der Beinstabilität.

Bildgebung für die Zielvolumendefinition und Bestrahlungsplanung

Nach wie vor stellt die Computertomografie in Bestrahlungsposition die Basis jeder Zielvolumendefinition und Bestrahlungsplanung dar. Dabei sollte ein volumetrischer Datensatz erstellt werden, der neben der eigentlichen Tumorregion ebenso alle umgebenden Organe, die eine relevante Strahlendosis erhalten, komplett abbilden. Dies ermöglicht eine sorgfältige Berücksichtigung der applizierten Dosis für alle kritischen Organe und sowohl eine Grenzdosisvorgabe für die Bestrahlungsplanung als auch eine Risikoabschätzung für potenzielle Nebenwirkungen.
Das Planungs-CT sollte mit einer maximalen Schichtdicke von 1 mm für die stereotaktische Strahlentherapie im ZNS erstellt werden; extrakranial ist eine Schichtdicke kleiner gleich 3 mm ausreichend. Bei beweglichen Tumoren in Lunge oder Leber sollte eine atemgesteuerte sogenannte 4D-Computertomografie durchgeführt werden, um die Tumorbewegung über den gesamten Atemzyklus zu erfassen. Durch die zeitgleiche Erfassung der Atemexkursion können durch eine retrospektive Sortierung der Bildinformation eigenständige CT-Datensätze zu beliebigen Zeitpunkten rekonstruiert werden. Üblich ist die Rekonstruktion von acht bis zehn CT-Datensätzen, die repräsentativ den gesamten Atemzyklus abbilden. Die Sortierung kann amplituden- oder phasenbasiert erfolgen, wobei eine amplitudenbasierte Sortierung als weniger artefaktanfällig gilt.
Je nach Tumorregion kommen ergänzende Bildmodalitäten wie die Magnetresonanztomografie oder die Positronenemissionstomografie ergänzend zum Einsatz. Um eine anschließende Bildregistrierung mit der Planungscomputertomografie zur optimalen Zielvolumendefinition zu ermöglichen, ist die Akquisition ebenso in Bestrahlungsposition zu empfehlen.
Tab. 1 führt die spezifischen zusätzlichen bildgebenden Verfahren für die optimale Zielvolumendefinition auf (Guckenberger et al. 2017; Guckenberger et al. 2014; „Report 91“ 2014).
Tab. 1
Empfohlene Bildgebung für organspezifische Bestrahlungsplanung. (Adaptiert gemäß DEGRO-Empfehlungen, ACROP-ESTRO-Leitlinie und ICRU 91 Kap. 3.9)
Körperregion
Basisbildgebung für Bestrahlungsplanung
Empfohlene diagnostische Bildgebung
ZNS
CT mit KM;
MRT T1 mit KM (Hirntumoren, Metastasen)
1 mm Schichtdicke
Dedizierte hochauflösende T2-Sequenzen (Trigeminusneuralgie)
Lunge/Mediastinum
4D-CT
3 mm Schichtdicke
3D-CT +/− KM bei zentral liegenden Tumoren
Leber
Abdomen
3D-CT +/− KM
4D-CT
3 mm Schichtdicke
MRT Leber +/− KM
Wirbelsäule
3D-CT mit KM
<3 mm Schichtdicke
Spinales MRT T1 +/− KM, T2
(axial und sagittal)
Prostata
3D-CT ohne KM
<3 mm Schichtdicke
MRT T2-Sequenz
Multiparametrisches MRT-Protokoll (DCE-MRT, MRS)
CT, Computertomografie; DCE, dynamic contrast enhanced; KM, Kontrastmittel; MRS, Magnetresonanzspektroskopie; MRT, Magnetresonanztomografie

Bestrahlungsplanung

Zielvolumendefinition

Für die Zielvolumendefinition existieren Empfehlungen, die über verschiedene ICRU Berichte (Landberg et al. 1993, 1999; „Report 83“ 2010; „Report 91“ 2014) formalisiert wurden und auch für die stereotaktische Strahlentherapie und Radiochirurgie angewendet werden sollten.
In Abb. 1 sind die verschiedenen Zielstrukturen dargestellt, die im Rahmen der stereotaktischen Strahlentherapie definiert werden können.
In jedem Fall sollte mit der vorhandenen Bildgebung der makroskopische Tumor (GTV) eingezeichnet werden. Für die Radiochirurgie ist es nicht üblich, ein zusätzliches Volumen für mikroskopische Tumorinfiltration (CTV = GTV) zu definieren. Stattdessen wird bei fehlender Tumor-/Organbewegung sofort ein „planning target volume“ (PTV) mit einem festen Sicherheitssaum definiert (intrakranielle oder spinale Radiochirurgie) oder zusätzlich ein „internal target volume“ (ITV) erzeugt (extrakranielle SBRT von z. B. Lungen- oder Lebertumoren, das Tumor- oder Organbewegung berücksichtigt, bevor ein Sicherheitssaum für das PTV addiert wird).
Um die umliegenden Risikoorgane möglichst gut schonen zu können, werden diese ebenfalls als dreidimensionale Strukturen eingezeichnet und mit festen Dosisvorgaben (u. a. Maximaldosis und mittlere Organdosis) in die Bestrahlungsplanung integriert.

Dosisverschreibung

Bei der stereotaktischen Strahlentherapie liegt im Allgemeinen wenig gesundes Gewebe innerhalb des PTV, da dieses auf den makroskopischen Tumor mit sehr geringen Sicherheitssäumen fokussiert ist. Andererseits können Risikoorgane an das Zielvolumen angrenzen, die es gezielt zu schonen gilt. Dies hat besondere Anforderungen an die Dosisverschreibung zur Folge. Die Dosisverschreibung bei der Radiochirurgie sollte sich an der 2014 veröffentlichten ICRU-91-Richtlinie orientieren und umfasst die Definition und Dokumentation der gewünschten Dosisverteilung im Zielvolumen (Minimums- und Maximumsdosis für das PTV, mittlere Dosis im GTV sowie Abdeckung von PTV und GTV) sowie Dosisbegrenzungen („dose constraints“) für alle relevanten Risikoorgane (Wilke et al. 2019; „Report 91“ 2014). Moderne Bestrahlungsplanungssysteme nutzen einen Planungsalgorithmus zur multiparametrischen Optimierung, der in einem iterativen Prozess bestimmte Planungsziele (Dosisabdeckung im Tumor, Schonung von Risikoorganen) priorisiert und durch einen optimalen Kompromiss die klinisch gewünschte Dosisverteilung erzielt.
Der akzeptierte Behandlungsplan besteht letztendlich aus den festgelegten Parametern der Dosisverschreibung sowie technischen Spezifikationen für die Durchführung der Behandlung.
Die Qualität der Dosisverteilung bei der fraktionierten Bestrahlung lässt sich anhand ihrer Homogenität und Konformität beschreiben. Die Dosishomogenität charakterisiert dabei die Gleichmäßigkeit der Dosisverteilung innerhalb des zu bestrahlenden Zielvolumens. Die Dosiskonformität beschreibt, wie genau der Hochdosisbereich das Zielvolumen umschließt.
Bei radiochirurgischen Behandlungen sind inhomogene Dosisverteilungen die Regel. Die Verschreibung der Dosis erfolgt häufig auf die 60 %- oder 80 %-Isodosenlinie (relativ zur Maximaldosis), die das PTV umschließt. Da bei Bestrahlungsplänen der Dosisabfall zwischen den 40 %- und 80 %-Isodosenlinien am steilsten ist, kann so ein steiler Gradient erreicht und die im umliegenden Normalgewebe applizierte Dosis bestmöglich reduziert werden. Eine konzentrische Dosisinhomogenität ist folglich erwünscht, um die Schonung der angrenzenden Risikoorgane zu gewährleisten und eine möglichst hohe Strahlendosis im Tumorgewebe zu erreichen.
Um eine höchstmögliche Konformität zu erreichen sollte das PTV vollständig innerhalb des Behandlungsvolumens, das von einer bestimmten Isodosenlinie umschlossen ist, liegen. Zur Berechnung der Konformität eines Bestrahlungsplans existieren verschiedene Indizes, welche die Konformität und somit die Planqualität beschreiben.

Methoden für die intrafraktionelle Bewegungskompensation

Für die extrakranielle stereotaktische Strahlentherapie spielt die Tumorbewegung während einer Bestrahlungsfraktion je nach anatomischer Lokalisation eine bedeutende Rolle und muss in der Bestrahlungsplanung und -applikation berücksichtigt werden.
Wie im Abschn. 4 beschrieben, ist der erste Schritt die Erfassung der Tumorbewegung über den regulären Atemzyklus. Dabei können bereits Maßnahmen eingesetzt werden, die per se die Atembewegung verringern oder verhindern, z. B. eine abdominelle Kompression oder Atemanhaltetechniken. Abhängig von der Compliance des Patienten, der Ausdehnung des Zielvolumens und der verfügbaren Ausstattung des Bestrahlungsgeräts stehen verschiedene Konzepte zur atemadaptieren Zielvolumendefinition zur Verfügung (Abb. 2). Wichtig für all diese Konzepte ist, dass innerhalb jeder Bestrahlungsfraktion die in der Bestrahlungsplanung virtuell geplante Bewegungskompensation exakt reproduziert werden kann.
  • Freie Atmung und Erfassung des Tumors durch Sicherheitssäume, die die
    individuelle Atembewegung abbilden:
    • ITV-Konzept: Das „internal target volume“ (ITV) bildet die gesamte Bewegungsamplitude des Tumors während eines Atemzyklus ab. Dementsprechend liegt mit zunehmender Atemexkursion eines Tumors vermehrt gesundes Gewebe im behandelten Volumen.
    • Mid-Ventilation-Konzept: Der Tumor wird nur im Schwerpunkt der Atembewegung erfasst. Dadurch soll gesundes Gewebe geschont und Unterdosierungen des Tumors gering gehalten werden.
  • Freie Atmung und Anpassung der Bestrahlung an die Tumorbewegung:
    • Tracking-Konzept: Die Tumorbewegung wird hier direkt oder anhand von in unmittelbarer Nähe des Tumors eingebrachter Marker erfasst. Dabei sind einerseits die Bewegung des Behandlungsstrahls (z. B. beim CyberKnife) und andererseits ein Tracking durch schnelle Anpassung des Multilamellenkollimators (MLC-Tracking) möglich. Dieses Konzept ist technisch besonders aufwendig und erfordert ein hohes Maß an Spezialisierung.
    • Gating-Konzept: Die Bestrahlung erfolgt nur, wenn sich der Tumor innerhalb einer definierten Phase des Atemzyklus befindet, dem sogenannten Gate. Dadurch kann der Anteil an gesundem Gewebe, der sich innerhalb des behandelten Volumens befindet, reduziert werden, es resultiert allerdings eine längere Behandlungsdauer.
  • Atemanhalte- und -kompensationstechniken:
    • Atemkompensationstechniken: Durch Bauchpressen oder forciert flache Atmung („forced shallow breathing“) wird die Amplitude des Tumors während des Atemzyklus reduziert. Solche Techniken können von Patienten als unangenehm empfunden werden.
    • Atemanhaltetechniken: Der Patient führt spezielle Atemmanöver durch, und die Bestrahlung erfolgt nur in tiefer Ein- oder Ausatmung („deep inspiration/expiration breath-hold“, DIBH/DEBH). Diese Atemanhaltemannöver können für Patienten sehr anstrengend sein und erfordern daher eine hohe Compliance.

Bildgestützte Strahlentherapieapplikation

Der Erfolg einer Strahlentherapie kann durch Lagerungsungenauigkeiten zwischen den einzelnen Sitzungen und Organbewegung und -deformation innerhalb einer Sitzung maßgeblich beeinträchtigt werden. Die bildgestützte Strahlentherapieapplikation („image-guided radiotherapy“, IGRT) ist eine Möglichkeit, um sicherzustellen, dass alle Tumorareale erfasst werden und gleichzeitig umliegendes, gesundes Gewebe zuverlässig geschont werden kann. Dahinter steht die Annahme, dass durch die erhöhte Präzision eine verbesserte Heilung bei gleichzeitig verringerter Nebenwirkungsraten erreichbar ist. Bei der stereotaktischen Radiochirurgie ist die exakte Umsetzung des Bestrahlungsplans von herausragender Bedeutung, da eine hohe Strahlendosis in wenigen Fraktionen (Einzeit oder bis zu zehn Sitzungen) appliziert wird. Die Dosisverteilung wird somit nicht wie bei der konventionell fraktionierten Strahlentherapie über viele Sitzungen gemittelt. Die Integration moderner Bildgebungsmodalitäten ermöglicht es, Lagerungsunsicherheiten bei radiochirurgischen Behandlungen signifikant zu reduzieren: intrakraniell auf <1 mm, extrakraniell je nach Tumorbeweglichkeit auf wenige Millimeter.
Drei Anwendungsbereiche der bildgestützten Strahlentherapieapplikation sind zu unterscheiden (AAPM 2009):
  • Vor der Dosisapplikation, zur Kontrolle der Positionierung des Patienten, der Lokalisierung des Tumors und der umgebenden Strukturen. So können typische Unsicherheiten, sogenannte „systematic errors“ und „random errors“ vor der Bestrahlung korrigiert werden.
  • Während der Bestrahlung können die Bewegungen des Tumors oder einer anderen Struktur als Surrogat (z. B. implantierte Fiducial Marker oder anatomische Orientierungspunkte) beobachtet und falls nötig Lagerungskorrekturen durchgeführt werden. Weiterhin lassen sich so die intrafraktionellen Bewegungen von Organen und Tumoren quantifizieren und gegebenenfalls ausgleichen.
  • Am Ende der Behandlung zur Qualitätssicherung oder zur Beurteilung des Ausmaßes der intrafraktionellen Bewegung.

Planare Bildgebung

Bei der stereoskopischen Bildgebung werden zwei meist orthogonal zueinander fest im Raum angebrachte Kilovolt-(kV-)Röntgenröhren mit jeweils gegenüberliegenden Detektoren verwendet, um planare Röntgenaufnahmen in zwei Ebenen zu erstellen. Diese können mit aus dem Planungs-CT digital rekonstruierten Röntgenbildern („digitally reconstructed radiograph“, DRR) korreliert werden. So lassen sich Lageveränderungen in Echtzeit detektieren. Ein Nachteil dieser Technik ist, dass keine volumetrischen Informationen über das Gewebe geliefert werden und man weitgehend auf die Darstellung der knöchernen Anatomie begrenzt ist. Somit beruht die Beobachtung des Tumors größtenteils auf knöchernen Strukturen als Surrogat. Diese Technik eignet sich daher vor allem für kleinere Tumoren mit direktem Bezug zum Knochen (intrakranielle Radiochirurgie) und ossäre/spinale Metastasen.
Planare kV-Bildgebung ist einerseits in das CyberKnife (AccuRay) System integriert und wird weiterhin als ExacTrac® (Brainlab) System vertrieben, das mit verschiedenen Linearbeschleunigern kombiniert werden kann.

Volumetrische Bildgebung

Einen besseren Weichteilkontrast bietet die volumetrische Bildgebung durch ein in den Linearbeschleuniger integriertes Kegelstrahl-CT-Gerät („cone-beam CT“). Beim Kilovolt-Kegelstrahl-CT (kV-CBCT) ist eine Röntgenröhre mit gegenüberliegendem Detektor orthogonal zur Richtung des Therapiestrahls am Bestrahlungsgerät angebracht. Da für das Computertomogramm eine relativ geringe Strahlendosis verwendet wird, können häufiger Aufnahmen gemacht und damit die Patientenposition verifiziert werden. Insbesondere während langer stereotaktischer Behandlungen können so intrafraktionelle Veränderungen detektiert und eventuell korrigiert werden. Weiterhin lassen sich Atembewegungen von Lungentumoren durch spezielle Aufnahmetechniken darstellen. Bei weniger gut abgrenzbaren Organen wie der Prostata können zusätzliche implantierte Fiducial Marker sinnvoll sein, um Bewegungen abzuschätzen und die Präzision der Bestrahlung zu erhöhen.
Megavolt-Kegelstrahl-CT-Geräte (MV-CBCT) hingegen verwenden den Behandlungsstrahl so, dass die Lagerung des Patienten jederzeit vor der Bestrahlung kontrolliert werden kann. Im Vergleich zu kV-CT-Aufnahmen ist der Weichteilkontrast geringer.

Nicht-radiografische Bildgebung

Die oberflächengesteuerte Strahlentherapie („surface-guided radiation therapy“, SGRT) ermöglicht die Lagerungskontrolle des Patienten in Echtzeit ohne zusätzliche ionisierende Strahlung. Das AlignRT-System (VisionRT) verwendet drei Kameras, die aus unterschiedlichen Richtungen ein auf den Patienten projiziertes Fleckmuster erfassen. Die daraus errechnete 3D-Oberfläche des Patienten wird mit einer Referenzoberfläche verglichen, die im vorgängigen Planungsprozess erstellt wird. Solche Oberflächenerkennungssysteme können einerseits bei der Lagerung des Patienten, andererseits für Bestrahlungen mit Gating-Techniken zur Kompensation von Atembewegungen verwendet werden. Permanente oder temporäre Hautmarkierungen sind nicht mehr nötig. Ein Nachteil ist, dass die Oberfläche des Patienten zwar exakt vermessen werden kann, die Korrelation mit der Bewegung innerer Organe jedoch mitunter gering ist, woraus Ungenauigkeiten bei der Vorhersage der Tumorbewegungen resultieren können. Optische Oberflächenerkennungssysteme kommen daher aktuell noch vor allem bei der Lagerungskontrolle zum Einsatz.
Kontinuierliche Überwachung der Bewegungen des Tumors während der Behandlung ohne ionisierende Strahlung bieten elektromagnetische Systeme, die auf Radiofrequenz basieren. Ein Beispiel ist das Calypso-System (Varian), bei dem mehrere elektromagnetische Transponder in der Nähe des Tumors implantiert werden. Während der Behandlung können ihre Bewegungen in Echtzeit detektiert und so die Bewegung des Tumors vorhergesagt werden. Das System findet bei der stereotaktischen Strahlentherapie von Tumoren in Prostata, Pankreas, Leber und Lunge Anwendung.
Literatur
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