Reduction of organ motion effects in IMRT and conformal 3D radiation delivery by using gating and tracking techniques

Respiration-gated radiotherapy offers a significant potential for improvement in the irradiation of tumour sites affected by respiratory motion such as lung, breast and liver tumours. An increased conformality of irradiation fields leading to decreased complications rates of organs at risk (lung, heart) is expected. Four main strategies are used to reduce respiratory motion effects: integration of respiratory movements into treatment planning, breath-hold techniques, respiratory gating techniques, and tracking techniques. Measurements of respiratory movements can be performed either in a representative sample of the general population, or directly on the patient before irradiation. The measured amplitude could be applied to a geometrical margin or integrated into dosimetry. However, these strategies remain limited for very mobile tumours, in which this approach results in larger irradiated volumes. Reduction of breathing motion can be achieved by using either breath-hold techniques or respiration synchronized gating techniques. Breath-hold can be achieved with active techniques, in which a valve temporarily blocks airflow of the patient, or passive techniques, in which the patient voluntarily breath-holds. Synchronized gating techniques use external devices to predict the phase of the respiration cycle while the patient breaths freely. Another category is tumour tracking, which consists of two major aspects: real-time localization of, and real-time beam adaptation to, a constantly moving tumour. These techniques are presently being investigated in several medical centres worldwide. Although promising, the first results obtained in lung and liver cancer patients require confirmation. This paper describes the most frequently used gating and tracking techniques and the main published clinical reports.

RésuméLes techniques d'asservissement respiratoire représentent un progrès important pour le traitement des tumeurs mobiles avec la respiration, comme les cancers pulmonaires, mammaires et hépatiques. Ces techniques permettent de mieux adapter les champs d'irradiation à la tumeur et ainsi de protéger les organes à risque (poumons, cœur). Quatre principales stratégies sont proposées pour réduire les effets des mouvements respiratoires : intégration de ces mouvements dans la planification de traitement, blocage de la respiration, synchronisation respiratoire, et « tracking ». L'intégration des mouvements respiratoires dans le calcul des marges de sécurité ou dans le calcul dosimétrique final peut être réalisée à partir des données issues d'un groupe représentatif de la population générale, ou directement issues du patient lui-même avant l'irradiation. Cependant, cette stratégie est limitée pour les tumeurs très mobiles qui imposent une irradiation large des tissus sains. Deux autres approches de réduction des mouvements respiratoires peuvent être distinguées : soit la respiration est bloquée pendant l'acquisition de l'imagerie préthérapeutique et l'irradiation, soit le déclenchement des différents appareils est synchronisé avec la respiration. Dans la première technique, la respiration du patient est bloquée, habituellement en inspiration, soit volontairement, soit par l'occlusion d'une valve. La seconde approche consiste à suivre les mouvements respiratoires en temps réel grâce à des marqueurs internes ou externes et à déclencher le scanneur ou l'accélérateur linéaire à un niveau, toujours identique, du cycle respiratoire. Enfin une stratégie récente, le « tracking », consiste à suivre en temps réel les mouvements de la tumeur ou à adapter en continu les champs d'irradiation à ces mouvements. Ces techniques sont maintenant proposées dans plusieurs centres dans le monde. Bien que très prometteurs, les premiers résultats chez des patients traités pour un cancer du poumon ou un cancer du foie doivent être confirmés. Cet article reprend les différentes techniques disponibles et décrit les principales études qui ont évalué ces systèmes.