- Email: [email protected]
Modele opisujące obciążenie aparatów terapeutycznych w radioterapii – przegląd literatury
Dostępne online www.sciencedirect.com
ScienceDirect Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71 www.elsevier.com/locate/onko
Praca poglądowa/Review
Modele opisujące obciążenie aparatów terapeutycznych w radioterapii – przegląd literatury Workload models of accelerators in radiotherapy – literature review Elżbieta Czajka 1,3, Tomasz Piotrowski 2,3,* 1 Zakład Radioterapii I Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań, Polska Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań, Polska 3 Zakład Elektroradiologii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, Poznań, Polska 2
Otrzymano: 15.09.2013; Zaakceptowano: 31.10.2013
Abstract The aim of this study was to review the models that allow the prediction of the length of time of irradiation during radiotherapy and to describe the evolution of the problem of effective time management of medical accelerators following the development of radiation therapy. The analysis was based on the literature data selected using the medical search engine PubMed. Of the 234 publications from the years 1982 to 2013, 16 studies were selected for detailed analysis, which included respectively: 1) the evolution of models used in radiotherapy realised by conventional medical accelerators, 2) the determinants of the failure of these models in radiotherapy realised by unconventional medical accelerators, and 3) proposals for alternative models for these accelerators. The analysis showed that the classical models such as ESTV (equivalent simple treatment visit) or BTE (basic treatment equivalent) effectively describe the performance of conventional linear accelerators used in conventional radiation therapy. Nevertheless, implementation of new procedures such as in vivo dosimetry and image guidance or introducing new technology (multi leaf collimator, dynamic techniques) forces modifications of the developed models. The example of the modified model is the solution developed by the Addenbrooke hospital. The analysed models correctly describe the therapeutic efficiency of conventional linear accelerators. In the case of innovative solutions such as the Cyber Knife, Gamma Knife or Tomotherapy there is a need to develop new models. An example of one of the first models describing the performance of non-conventional linear accelerators is OTT (overall treatment time) developed for the Tomotherapy. © 2013 Wielkopolskie Centrum Onkologii. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. Słowa kluczowe: radioterapia; czas napromieniania; obciążenie akceleratorów medycznych; optymalizacja leczenia; kolejkowanie pacjentów Keywords: Radiotherapy; Treatment time; Radiotherapy workload; Treatment optimisation; Queuing patients
1. Wstęp Problem, jakim jest skuteczne zagospodarowanie czasu pracy na aparacie w radioterapii akceleratorowej, istnieje prawdopodobnie tak długo jak sama metoda leczenia. Wraz z rozwojem coraz bardziej wysublimowanych i skomplikowanych technik leczenia w radioterapii narasta problem z określeniem, w jaki sposób produktywnie wykorzystać czas pracy aparatu i jego obsługi [1]. Jest to o tyle ważne, że odpowiednie ułożenie kolejki pacjentów wpływa na komfort chorych (nie będą musieli czekać długo na swoją kolej), personelu medycznego (który pracuje mniej dokładnie i mniej wydajnie, jeśli jest obciążony pracą pod presją czasu) oraz na kwestie finansowe (tj. koszt jednej godziny pracy aparatu) [2,3], ale być może pozwoli również na zwiększenie
* Adres do korespondencji: Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskie Centrum Onkologii, Garbary 15, 61-866 Poznań, Polska. Tel.: +48 (61) 88 50 763. Adres email: [email protected] (T. Piotrowski). 1734-0489/$ © 2013 Wielkopolskie Centrum Onkologii. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.onko.2013.10.003
66
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
liczby leczonych pacjentów każdego dnia, miesiąca oraz roku [4]. Przy założeniu, że każdego roboczego dnia udałoby się przeprowadzić leczenie choćby jednego pacjenta więcej, w skali roku daje to liczbę ok. 255 pacjentów. W obliczu rosnącej liczby zachorowań na nowotwory [5] zwiększenie wydajności aparatów jest już właściwie koniecznością, przed którą stoją wszystkie ośrodki onkologii. Celem pracy jest dokonanie przeglądu dostępnych modeli pozwalających na przewidywanie długości czasu napromieniania, a także opisanie ewolucji problemu skutecznego zagospodarowania czasu pracy akceleratorów medycznych, następującej wraz z rozwojem radioterapii. 2. Materiał i metoda W celu opisania sposobów skutecznego wykorzystania czasu pracy na aparatach terapeutycznych w radioterapii została wykonana analiza literatury, przy użyciu wyszukiwarki medycznej PubMed. Użyte słowa kluczowe: basic treatment equivalent, workload, helical tomotherapy, IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy), IGRT (Image Guided Radiation Therapy), megavoltage CT (Computed Tomography), cone-beam CT, mathematical model, radiotherapy, treatment planning. W wyniku wyszukiwania do wstępnej analizy zakwalifikowano 234 publikacje pochodzące z lat 1982–2013. Wszystkie prace zostały wydane oryginalnie w języku angielskim. Wyłonione w wyniku wyszukiwania publikacje poddano wstępnej analizie z wykorzystaniem tekstu zawartego w ich streszczeniach. Szczególną uwagę zwrócono na informacje opisujące modele, które umożliwiają oszacowanie czasu napromieniania oraz dziennej liczby pacjentów leczonych na aparacie terapeutycznym. Ostatecznie, do szczegółowej analizy wyłoniono 16 prac, które stanowią podstawę niniejszego opracowania. 3. Wyniki i omówienie W tabeli I przedstawiono podstawowe informacje dotyczące publikacji poddanych szczegółowej analizie. Niniejsze zestawienie zawiera odpowiednio: 1) nazwisko pierwszego autora, rok publikacji oraz informacje o ośrodkach partycypujących w badaniu, 2) liczbę pacjentów, na których przeprowadzono badanie, 3) okres objęty badaniem, 4) technologię radioterapeutyczną uwzględnioną w badaniu oraz 5) metodę analizy danych. W 1982 roku, w liście do redakcji pisma naukowego Physics in Medicine and Biology, dr Richard F. Mould z Zakładu Fizyki Medycznej szpitala Wesminster w Londynie przytoczył dane, w których wg NHS (National Health Service) [6] każdy akcelerator liniowy powinien być tak wydajny, by leczyć 800 pacjentów rocznie lub 60 pacjentów dziennie [7]. Przedstawione wielkości zostały oszacowane na podstawie analizy czasu trwania leczenia pacjentów napromienianych techniką dwuwymiarową (2D). Jak się okazało, w większości placówek liczby te były górnymi granicami możliwości aparatów. Jedynie trzem z szesnastu udało się przekroczyć pułap 800 pacjentów rocznie. Przyczyną, dla której znakomita większość ośrodków nie była w stanie osiągnąć określonego przez NHS limitu, nie była jednak niewydolność tych placówek, a przecenienie ich możliwości [8,9]. Prawdopodobnie były to pierwsze sygnały, że metody szacowania długości czasu leczenia zaczęły odstawać od rzeczywistości, w której procedury leczenia stawały się coraz bardziej złożone i wymagały zrewidowania dotychczasowych modeli. Odkąd w radioterapii zaczęły pojawiać się wysublimowane metody leczenia, stosujące narzędzia, takie jak kolimator wielolistkowy czy kliny dynamiczne, czas trwania leczenia wydłużył się. W przypadku techniki 2D można powiedzieć, że każdy pacjent otrzymywał leczenie realizowane w podobny sposób (pod względem liczby pól), więc można było założyć z góry, że czas jego trwania będzie porównywalny, a liczba pacjentów leczonych dziennie na aparacie – taka sama. W przypadku trójwymiarowej techniki konformalnej (3DCRT) i technik powstałych później nastąpił znaczny wzrost indywidualizacji leczenia oraz związane z tym zróżnicowanie w czasie trwania procedur i problem z jego określeniem. Jednym z pierwszych sposobów opisywania wydajności aparatu było oszacowanie ilości pól lub pacjentów leczonych na aparacie w ciągu godziny. Zakładano, że całkowity czas potrzebny do realizacji napromieniania jednym polem terapeutycznym wynosi 5 minut. Standardowo przyjmowano również, że leczenie jednego pacjenta trwa 10 minut [10– 14]. Wytyczne dotyczące leczenia z wykorzystaniem promieniowania, wydane przez Inter-Society Council for Radiation Oncology w 1991 roku (tzw. Błękitna Księga, ang. Blue Book) [10] określały przepustowość aparatów, szacując ją na ok. 4 jednostki ESTV (equivalent simple treatment visit; ekwiwalent prostej procedury leczenia) na godzinę, co przy 7-godzinnym dniu pracy daje rocznie ok. 6500 jednostek ESTV. ,,Błękitna Księga’’ [10] podaje, że 1 ESTV jest to czas realizacji procedury leczenia megawoltowego, należącej do kategorii ,,prostych’’, który wynosi ok. 15 minut. Model ESTV jako pierwszy uwzględniał stopień złożoności procedur – wszystkie techniki leczenia zostały podzielone na trzy kategorie: ,,proste’’, ,,pośrednie’’ i ,,złożone’’, a procedury ,,pośrednie’’ i ,,złożone’’ otrzymały odpowiednio 1,1 ESTV oraz 1,25 ESTV [10,14–16]. Do kategorii ,,prostych’’ zaliczono procedury obejmujące leczenie dwóch pól przeciwstawnych lub jednej lokalizacji, z maksymalnie jedną, prostą osłoną. Leczenie ,,pośrednie’’ to leczenie więcej niż jednej lokalizacji, trzech lub więcej pól dla jednej lokalizacji lub użycie skomplikowanej osłony (model ten nie określał jednak, jakie to osłony). Leczenie ,,złożone’’ to leczenie trzech lub więcej lokalizacji, wykorzystanie pól tangencjalnych z klinami, techniki rotacyjne bądź łukowe lub użycie innych specjalnych rozwiązań (np. kompensatory). Niektóre bardziej czasochłonne procedury otrzymały dodatkowe
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
67
Tabela I Publikacje poddane analizie Table I Analyzed publications Badanie, rok publikacji (Ośrodki partycypujące)
Liczba pacjentów
Okres objęty analizą
Technologia radioterapeutyczna
Analiza lub metody przewidywania długości czasu napromieniania
Mould RF, 1982 [7] (Dane NHS)
—
10 lat
Konwencjonalne akceleratory liniowe
ISCRO,1991 [10] (Konsensus Amerykańskich Towarzystw Naukowych) 1
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Probst H, 1995, 1996 [8,9] (Leeds, Anglia)
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Delaney GP, 1997 [11] (10 ośrodków z regionu New South Wales, Australia) Delaney GP, 1999 [12] (36 ośrodków z Australii i Nowej Zelandii) Delaney GP, 2005 [13,14] (13 ośrodków z regionu New South Wales, Australia) Craighead P, 2001 [18] (Calcary, Kanada)
18466 *
4 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
56483 *
4 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Analiza opisowa. Estymacja optymalnej liczby pacjentów na podstawie danych retrospektywnych zgromadzonych w NHS Opracowanie wytycznych dotyczących metod przewidywania długości czasu napromieniania, propozycja modelu ESTV Analiza czasu realizacji procedur obrazowych według wytycznych ISCRO w warunkach quasi-klinicznych (na fantomie tkankopodobnym) Propozycja modelu BTE i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza w oparciu o model BTE
4316 *
135 dni
Konwencjonalne akceleratory liniowe
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Burnet G, 2001 [15] (Cambridge, Anglia)
282
2 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Barbera L, 2003 [16] (Kingston, Kanada) (Liverpool, Australia)
151
2 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Bauman G, 2007 [31] (London, Kanada) Burnet NG, 2010 [32] (Cambridge, Anglia) Sterzing F, 2008 [33] (Heidelberg, Niemcy) Bijdekerke P, 2008 [34] (Bruksela, Belgia)
60
1,5 roku
Tomoterapia
Propozycja zmodyfikowanego modelu BTE i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza porównawcza modeli BTE i ESTV na podstawie literatury, rekomendacja modelu BTE dla ośrodków kanadyjskich Propozycja modelu Addenbrooke i analiza porównawcza własnych danych w oparciu o modele BTE i Addenbrooke Analiza porównawcza modeli ESTV, BTE, zmodyfikowanego modelu BTE oraz Addenbrooke na podstawie danych własnych. Rekomendacja zmodyfikowanego modelu BTE. Analiza opisowa
114
1 rok
Tomoterapia
Analiza opisowa
150
2 lata
Tomoterapia
Analiza opisowa
99
1 rok
Tomoterapia
Piotrowski T, 2013 [4] (Poznań, Polska)
656
3 lata
Tomoterapia
Propozycja modelu OTT i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza w oparciu o model OTT
1
Towarzystwa partycypujące w opracowaniu raportu: American Association of Physicist in Medicine, American College of Medical Physicist, American College of Radiology, American Radium Society, American Society for Therapeutic Radiology and Oncology, North American Hypertermia Group, Radiation Research Society, Radiological Society of North America, Society of Chairmen of Academic Radiation Oncology Programs. * liczba dotyczy ilości frakcji terapeutycznych, które zostały poddane analizie Skróty: NHS – National Health Service, ISCRO – Inter-Society Council for Radiation Oncology, ESTV – Equivalent Simple Treatment Visit, BTW – Basic Treatment Equivalent, OTT – Overall Treatment Time
jednostki ESTV, np. TBI (total body irradiation; napromienianie całego ciała) – 4 ESTV; IORT (intra-operational radiotherapy; radioterapia śródoperacyjna) – 10 ESTV; 3DCRT – 1,5 ESTV; SRS (stereotactic radiosurgery; radioterapia stereotaktyczna) – 3 ESTV. Według Delaney'a, wartości przypisane wszystkim procedurom w tym modelu zostały wyznaczone nie doświadczalnie, a arbitralnie, w oparciu o subiektywne odczucia autorów [14,15]. Model ten nie tłumaczy, dlaczego jedne procedury są bardziej czasochłonne od innych – fakt ten został przyjęty per se.
68
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
Jako odpowiedź na zróżnicowanie w czasie trwania procedur zwrócono uwagę na istnienie pewnych zmiennych, poza ilością pól terapeutycznych, które w największym stopniu wpływają na czas leczenia [11]. Są to odpowiednio: 1) zmienne zależne od pacjenta (wiek, stabilność pozycji terapeutycznej, dodatkowe wymagania, takie jak tlen, oraz zdolność komunikacji pacjenta z personelem) i 2) zmienne zależne od sposobu leczenia (złożoność leczenia, liczba klinów, kompensatorów, osłon, pomiar dozymetryczny, doświadczenie personelu itp.). Na ich podstawie został zaproponowany model BTE – Basic Treatment Equivalent (ekwiwalent podstawowego leczenia). Jedna jednostka BTE odpowiada 10 minutom. Aby uzyskać informację o ilości jednostek BTE dla danego typu leczenia, należy wykonać następujące obliczenie: p D ¼ FðN þ S þ E þ AÞ; gdzie : D – przewidywany czas trwania realizacji frakcji w trakcie kursu radioterapii; F – frakcje napromieniania (jeśli pierwsza frakcja, F = 1,7, jeśli kolejna, F = 1); N – liczba pól (0,3 za każde dodatkowe pole powyżej drugiego); S – liczba użytych osłon, 0,10 za każde 3 dodatkowe osłony (0, jeśli <3 osłon, 0,1, jeśli 3–5 osłon, 0,2, jeśli 6–8 osłon, 0,3, jeśli 9–11 osłon, 0,4, jeśli 12–14 osłon); E – liczba punktów w skali ECOG (Eastern Cooperative Oncology Group), 5-stopniowa skala sprawności, gdzie 5 oznacza zgon, a 5 pełną sprawność [17] (E = 0,1, jeśli ECOG >2, E = 0, jeśli ECOG <2); A – znieczulenie ogólne (A = 0, jeśli nie zostało użyte, A = 0,6, jeśli zostało użyte). Za każde wykonane w trakcie napromieniania zdjęcie portalowe do otrzymanego już wyniku dodawano 0,3 BTE (poza zdjęciami wykonanymi w trakcie pierwszej frakcji). Na przykład, dla najprostszego leczenia, z użyciem 1–2 pól oraz 1–2 osłon indywidualnych, dla pacjenta przytomnego, bez zastosowania znieczulenia ogólnego, w przypadku innej niż pierwsza frakcji leczenia BTE wyniesie: BTE ¼ 1ð1 þ 0 þ 0 þ 0Þ ¼ 1; czyli 10 min Zgodnie ze wzorem, w trakcie badań udało się wyznaczyć średnią ilość jednostek BTE dla różnych technik leczenia, np. SRS – 9 BTE, TBI – 6 BTE itd. Według badań przeprowadzonych w Australii przez Delaney'a i wsp. [12], model BTE znacznie lepiej określał wydajność pracy aparatów niż liczba pól na godzinę czy liczba pacjentów na godzinę. Wydajność wyznaczona na podstawie nieskomplikowanych obliczeń w przypadku ośrodków, które wykonywały jedynie proste procedury lecznicze, była sztucznie zawyżona, w stosunku do tych, w których stosowano złożone metody leczenia lub przyjmowano więcej pacjentów wymagających zastosowania procedur specjalistycznych, jak SRS lub TBI. W tych ośrodkach liczba pacjentów czy pól leczonych na godzinę była mniejsza niż w przypadku ośrodków realizujących radioterapię metodami 2D, a ilość jednostek BTE była podobna. Model BTE doczekał się w późniejszych latach kilku modyfikacji, jedną z nich był model Addenbrooke, stworzony na potrzeby uniwersyteckiego szpitala Addenbrooke w Cambridge, w Wielkiej Brytanii [15,16]. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że model ten nie tylko w lepszym stopniu opisywał wydajność aparatów niż ilość pacjentów lub pól na godzinę, ale na tym polu spisywał się również lepiej niż model BTE czy ESTV. W modelu Addenbrooke dodano dwie zmienne (poza tymi, które zostały uwzględnione w modelu BTE), wpływające na czas leczenia, tj. pomiary dawki in vivo, dokonywane w trakcie leczenia za pomocą komór jonizacyjnych, oraz lokalizacja leczonej zmiany. Wszystkie techniki leczenia, a także najbardziej specyficzne anatomiczne lokalizacje zmian nowotworowych, podzielono na potrzeby modelu na 14 kategorii, którym przypisano pewne stałe wartości. Obie zmienne znajdują się we wzorze: czas trwania leczenia ¼ 0;17 þ 2;72 F þ 2;31 N þ 0;38 S þ 0;74 E þ 8;58 A þ 2;11B þ 0;80 D þ stała dla techniki=strony D oznacza liczbę komór jonizacyjnych, służących do pomiaru dawki metodą in vivo. Parametr ,,stała dla techniki/strony’’ wyrażony jest w wartościach stałych, przypisanych dla 14 różnych kategorii leczenia, odnoszących się zarówno do techniki leczenia, jak i do anatomicznej lokalizacji leczonej zmiany (wykaz stałych wraz z wartościami liczbowymi znajduje się w materiale źródłowym [15,16]). B określa ilość zdjęć weryfikacyjnych wykonanych w trakcie frakcji napromieniania. Parametry F, N, S, E i A są tożsame z parametrami modelu BTE i oznaczają odpowiednio frakcję napromieniania, liczbę pól, liczbę osłon, liczbę punktów w skali ECOG oraz znieczulenie ogólne. W przypadku terapii na klasycznych aparatach, już pojawienie się kolimatora wielolistkowego wywołało niemałe zamieszanie, ponieważ żaden istniejący wówczas model nie potrafił uwzględnić w obliczeniach pola dynamicznie modulowanego przez jego listki. Aby można było obliczyć czas trwania terapii z jego wykorzystaniem, model BTE został później odpowiednio przystosowany [16,19]. Pojawienie się w radioterapii takich rozwiązań, jakie zastosowano np. w aparacie CyberKnife [20,21], GammaKnife [22,23] lub Tomoterapii [24–26], stało się barierą nie do pokonania dla istniejących modeli opisujących obciążenie aparatów terapeutycznych. W tych aparatach mamy do czynienia nie tylko z odmiennym sposobem dostarczania dawki terapeutycznej, ale również z zupełnie różnymi systemami weryfikacji pozycjonowania i dokładności leczenia. W przypadku aparatu tomoterapeutycznego weryfikacja odbywa się na podstawie megawoltowych obrazów tomograficznych, zaś długość (względem osi długiej pacjenta) obszaru poddanego weryfikacji obrazowej uwarunkowana jest wielkością objętości tarczowej [27]. Ze względu na akceptowalną dawkę dostarczaną w trakcie obrazowania (1–3 cGy) [28] weryfikacja przeprowadzana jest
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
69
w większości przypadków codziennie. Na aparacie CyberKnife weryfikacja odbywa się na podstawie planarnych i ortogonalnych względem siebie obrazów kilowoltowych i przeprowadzana jest wielokrotnie podczas każdej frakcji napromieniania (co 15–60 s) [29]. W przypadku GammaKnife, systemu, który przeznaczony jest do radiochirurgii śródczaszkowej, weryfikacja pozycjonowania odbywa się na podstawie automatycznej (systemowej) kontroli pozycji czaszki pacjenta i nie jest wspomagana danymi obrazowymi [30]. Problem nieadekwatności modeli opisujących obciążenie aparatów terapeutycznych w przypadku aparatów niekonwencjonalnych dostrzeżony został przez badaczy, którzy starali się opisać doświadczenia związane z pracą aparatów tomoterapeutycznych [31–33]. Niemożność dostosowania modeli BTE, ESTV czy Addenbroke do specyfiki pracy aparatu tomoterapeutycznego zmuszała ich do przedstawiania swoich wyników w iście opisowy i, niestety, nieusystematyzowany sposób, co wiązało się w rezultacie z dużą subiektywnością wniosków płynących z niniejszych doniesień. Grupa badaczy z belgijskiego szpitala UZB (Universitair Ziekenhuis Brussel) jako pierwsza zaproponowała zobiektywizowanie wyników dotyczących obciążenia aparatu tomoterapeutycznego, proponując model OTT (overall treatment time; całkowity czas leczenia) [34]. Zmienne, które zostały włączone do modelu, to: 1) pozycjonowanie pacjenta, 2) skanowanie MVCT, 3) fuzja obrazów, 4) repozycjonowanie i 5) napromienianie. Suma czasów trwania wszystkich składowych jest równa OTT. Można zauważyć, że poszczególne elementy modelu są jednocześnie kolejnymi etapami postępowania z pacjentem podczas frakcji napromieniania w tomoterapii. Czasy trwania tych etapów wyznaczono na podstawie danych zebranych przez szpital i stwierdzono na podstawie analizy statystycznej, że są to elementy w największym stopniu wpływające na czas leczenia. Z analizy danych przedstawionych przez badaczy z UZB [34] wynika, że największy wpływ na czas leczenia ma ostatni etap – napromienianie. Czas jego trwania jest zależny od parametrów optymalizacyjnych zadanych systemowi w trakcie planowania leczenia. Jest to najbardziej przewidywalna zmienna w modelu. Według twórców modelu, ten parametr powinien być brany pod rozwagę podczas układania codziennego harmonogramu pracy aparatu. Przed rozpoczęciem badań dla pacjentów leczonych na tomoterapii rezerwowano zwykle 30 minut. Według obliczeń, rzeczywiste OTT wyniosło średnio 24,4 minuty, czyli ok. 5 minut krócej, niż wcześniej zakładano. Uwzględniając tę zmianę w harmonogramie, w ciągu 8-godzinnego dnia pracy aparatu można było poddać leczeniu 19 pacjentów, zamiast wstępnie ustalonej liczby 16 pacjentów. Aby jednak usprawnić pracę na aparacie i uniknąć niepotrzebnych przerw w pracy, należałoby wziąć pod uwagę wyznaczenie średniego OTT dla różnych lokalizacji i na tej podstawie planować zagospodarowanie czasu pracy aparatu. Praca grupy UZB [34] nie uwzględniała jednak potencjalnej redukcji OTT wynikającej z długoterminowego (dwa lata i więcej) efektu uczenia się nowej technologii przez zespół terapeutyczny i w rezultacie możliwości optymalizacji poszczególnych komponentów OTT opartej na doświadczeniach własnych. Badania przeprowadzone przez grupę poznańską z Wielkopolskiego Centrum Onkologii (WCO) potwierdziły wpływ długoterminowego efektu uczenia się na redukcję OTT [4]. W przypadku tego badania, OTT wyznaczony w pierwszym roku użytkowania aparatu tomoterapeutycznego wynosił 21 minut i 30 sekund i po trzech latach został zredukowany do 13 minut i 50 sekund. Najistotniejszym komponentem OTT był czas napromieniania, którego średnia wartość (dla wszystkich pacjentów) wynosiła odpowiednio 11 minut i 10 sekund w pierwszym roku i 7 minut w trzecim roku użytkowania tomoterapii. Uwzględniając podział pacjentów na grupy według lokalizacji obszaru napromieniania, średni czas napromieniania w ostatnim roku analizy wynosił odpowiednio: 1) dla pacjentów z nowotworami mózgu – 5 minut i 15 sekund, 2) dla pacjentów z nowotworem prostaty – 6 minut i 40 sekund, 3) dla pacjentów z nowotworami głowy i szyi – 7 minut i 10 sekund oraz 4) dla innych lokalizacji, takich jak rdzeniak zarodkowy, mezotelioma czy też zaawansowane nowotwory ginekologiczne – 9 minut i 5 sekund. Zaobserwowano także istotną statystycznie redukcję czasu dla pozycjonowania i fuzji obrazów. W przypadku technologii GammaKnife oraz CyberKnife nie znaleziono prac, które opisywałyby w sposób kompleksowy zagadnienia związane z obciążeniem aparatów terapeutycznych w rutynowej działalności klinicznej.
4. Wnioski Biorąc pod uwagę aparaty terapeutyczne stosowane w radioterapii, takie jak CyberKnife, GammaKnife czy Tomoterapia, należy zauważyć, że każdy z tych aparatów różni się sposobem dostarczania dawki terapeutycznej, nie tylko względem siebie, ale również względem konwencjonalnych akceleratorów terapeutycznych. W wyniku tego żaden z modeli przewidywania czasu trwania leczenia opracowany dla konwencjonalnych aparatów terapeutycznych nie znajduje w tych przypadkach zastosowania. Sytuacja ta wymaga zrewidowania starych modeli i zaproponowania innych, dopasowanych do potrzeb nowych akceleratorów, aby móc skutecznie gospodarować czasem pracy aparatu. Jest to bardzo ważne, ponieważ liczba leczonych pacjentów w radioterapii stale rośnie. Aby można było maksymalnie wykorzystać czas pracy aparatów oraz personelu medycznego, niezbędna jest znajomość i kontrola czasu trwania procedur leczniczych, ich złożoności oraz zmiennych, które w największym stopniu wpływają na wydłużenie czasu leczenia.
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
70
Wkład autorów/Authors' contributions EC – koncepcja pracy, zebranie i interpretacja danych, akceptacja ostatecznej wersji, przygotowanie literatury. TP – zebranie i interpretacja danych, akceptacja ostatecznej wersji, przygotowanie literatury. Konflikt interesu/Conflict of interest Nie występuje. Finansowanie/Financial support Nie występuje. Etyka/Ethics Treści przedstawione w artykule są zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej, dyrektywami EU oraz ujednoliconymi wymaganiami dla czasopism biomedycznych. Piśmiennictwo/References [1] D.I. Thwaites, J. Malicki, Physics and technology in ESTRO and in Radiotherapy and Oncology: past, present and into the 4th dimension, Radiother Oncol 100 (2011) 327–332. [2] J. Malicki, The importance of accurate treatment planning, delivery, and dose verification, Rep Pract Oncol Radiother 17 (2012) 63–65. [3] D. Kaźmierczak, M. Bogusz-Czerniewicz, Identification of patient’s requirements in quality management system in health care institutions, Rep Pract Oncol Radiother 17 (2012) 50–53. [4] T. Piotrowski, E. Czajka, B. Bak, J. Kazmierska, M. Skorska, A. Ryczkowski, et al., Tomotherapy: Implications on daily workload and scheduling patients based on three years' institutional experience, Technol Cancer Res Treat (2013) [ahead of print]. [5] A. Dyzmann-Sroka, A. Roszak, Metody podniesienia jakości danych rejestrów nowotworów złośliwych, Zeszyty Naukowe 9 (2012) 163–168. [6] National Health Service. http://www.nhs.uk. [7] R.F. Mould, Radiotherapy treatment workload statistics, Phys Med Biol 27 (1982) 157–162. [8] H. Probst, Increased work pace caused by the stress of high workloads – the effect on treatment accuracy. Proceedings of the British Institute of Radiology, Br J Radiol 68 (1995) 552. [9] H. Probst, S. Griffiths, Increasing the work speed of radiographers: the effect on the accuracy of a set-up of a complex shaped cranial field, part of a matched cranio spinal junction, Radiother Oncol 38 (1996) 241–245. [10] Inter-society Council for Radiation Oncology. Radiation Oncology in Integrated Cancer Management, Philadelphia Pennsylvania: ISCRO; 1991. [11] G.P. Delaney, V. Gebski, A.D. Lunn, An Assessment of the Basic Treatment Equivalent (BTE) Model as Measure of Radiotherapy Workload, Clin Oncol (R Coll Radiol) 9 (1997) 240–244. [12] G.P. Delaney, M. Rus, V. Gebski, A.D. Lunn, M. Lunn, An Australasian assessment of the basic treatment equivalent model derived from New South Wales data, Australas Radiol 43 (1999) 500–506. [13] G.P. Delaney, R.J. Shafiq, B.B. Jalaludin, M.B. Barton, The development of a new basic treatment equivalent model to assess linear accelerator throughput, Clin Oncol (R Coll Radiol) 17 (2005) 311–318. [14] G.P. Delaney, R.J. Shafiq, B.B. Jalaludin, M.B. Barton, Technology enhancements and changes in radiotherapy throughput in New South Wales, Clin Oncol (R Coll Radiol) 17 (2005) 305–310. [15] N.G. Burnet, D.S. Routsis, P. Murrell, K.E. Burton, P.J. Taylor, S.J. Thomas, et al., A tool to measure radiotherapy complexity and workload: derivation from the basic treatment equivalent (BTE) concept, Clin Oncol (R Coll Radiol) 13 (2001) 14–23. [16] L. Barbera, L.D. Jackson, K. Schulze, P.A. Groome, F. Foroudi, G.P. Delaney, et al., Performance of different radiotherapy workload models, Int J Radiat Oncol Biol Phys 55 (2003) 1143–1149. [17] Eastern Cooperative Oncology Group. http://ecog.dfci.harvard.edu/general/perf_stat.html [18] P. Graighead, C. Herring, C. Hillier, D. Guo, J. Budden, K. Rans, The use of the Australian basic treatment equivalent (BTE) workload measure for linear accelerators in Canada, Clin Oncol (R Coll Radiol) 13 (2001) 8–13. [19] .National Hospital Productivity Improvement Program, Radiation Therapy Workload Measurement System, Health and Welfare Canada, Ottawa, 1989 [20] J.R. Adler, The future of robotics in radiosurgery, Neurosurgery 72 Suppl 1 (2013) 8–11. [21] J.R. Adler, S.D. Chang, M.J. Murphy, J. Doty, P. Geis, S.L. Hancock, The Cyberknife: a frameless robotic system for radiosurgery, Stereotact Funct Neurosurg 69 (1997) 124–128. [22] M. Yamamoto, Gamma Knife radiosurgery: technology, applications, and future directions, Neurosurg Clin N Am 10 (1999) 181–202. [23] C. Lindquist, I. Paddick, The Leksell Gamma Knife Perfexion and Comparisons With Its Predecessors, Neurosurgery 61 (2007) 130–141. [24] A.W. Beavis, Is tomotherapy the future of IMRT? Br J Radiol 77 (2004) 285–295. [25] F. Sterzing, M. Uhl, H. Hauswald, K. Schubert, G. Sroka-Perez, Y. Chen, et al., Dynamic jaws and dynamic couch in helical tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 76 (2010) 1266–1273. [26] P. Kupelian, K. Langen, Helical tomotherapy: image-guided and adaptive radiotherapy, Front Radiat Ther Oncol 43 (2011) 165–180. [27] T. Piotrowski, M. Skórska, A. Jodda, A. Ryczkowski, J. Kaźmierska, K. Adamska, et al., Tomotherapy – a different way of dosedelivery in radiotherapy, Wspolcz Onkol 16 (2012) 16–25. [28] A.P. Shah, K.M. Langen, K.J. Ruchala, A. Cox, P.A. Kupelian, S.L. Meeks, Patient dose from megavoltage computed tomography imaging, Int J Radiat Oncol Biol Phys 70 (2008) 1579–1587.
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
71
[29] W.C. Welch, P.C. Gerszten, Accuray CyberKnife image-guided radiosurgical system, Expert Rev Med Devices 2 (2005) 141–147. [30] D. Schlesinger, Z. Xu, F. Taylor, C.P. Yen, J. Sheehan, Interfraction and intrafraction performance of the Gamma Knife Extend system for patient positioning and immobilization, J Neurosurg 117 (2012) 217–224. [31] G. Bauman, S. Yartsev, G. Rodrigues, C. Lewis, V.M. Venkatesan, E. Yu, et al., A prospective evaluation of helical tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 68 (2007) 632–641. [32] N.G. Burnet, E.J. Adams, J. Fairfoul, G.S.J. Tudor, A.C.F. Hoole, D.S. Routsis, et al., Practical aspects of implementation of helical tomotherapy for intensity-modulated and imageguided radiotherapy, Clin Oncol 22 (2010) 294–312. [33] F. Sterzing, K. Schubert, G. Sroka-Perez, J. Kalz, J. Debus, K. Herfarth, Helical tomotherapy: Experiences of the first 150 patients in Heidelberg, Strahlenther Onkol 184 (2008) 8–14. [34] P. Bijdekerke, D. Verellen, K. Tournel, V. Vinh-Hung, F. Somers, P. Bieseman, et al., TomoTherapy: Implications on daily workload and scheduling patients, Radiother Oncol 86 (2008) 224–230.
ScienceDirect Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71 www.elsevier.com/locate/onko
Praca poglądowa/Review
Modele opisujące obciążenie aparatów terapeutycznych w radioterapii – przegląd literatury Workload models of accelerators in radiotherapy – literature review Elżbieta Czajka 1,3, Tomasz Piotrowski 2,3,* 1 Zakład Radioterapii I Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań, Polska Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskie Centrum Onkologii, Poznań, Polska 3 Zakład Elektroradiologii, Uniwersytet Medyczny im. Karola Marcinkowskiego, Poznań, Polska 2
Otrzymano: 15.09.2013; Zaakceptowano: 31.10.2013
Abstract The aim of this study was to review the models that allow the prediction of the length of time of irradiation during radiotherapy and to describe the evolution of the problem of effective time management of medical accelerators following the development of radiation therapy. The analysis was based on the literature data selected using the medical search engine PubMed. Of the 234 publications from the years 1982 to 2013, 16 studies were selected for detailed analysis, which included respectively: 1) the evolution of models used in radiotherapy realised by conventional medical accelerators, 2) the determinants of the failure of these models in radiotherapy realised by unconventional medical accelerators, and 3) proposals for alternative models for these accelerators. The analysis showed that the classical models such as ESTV (equivalent simple treatment visit) or BTE (basic treatment equivalent) effectively describe the performance of conventional linear accelerators used in conventional radiation therapy. Nevertheless, implementation of new procedures such as in vivo dosimetry and image guidance or introducing new technology (multi leaf collimator, dynamic techniques) forces modifications of the developed models. The example of the modified model is the solution developed by the Addenbrooke hospital. The analysed models correctly describe the therapeutic efficiency of conventional linear accelerators. In the case of innovative solutions such as the Cyber Knife, Gamma Knife or Tomotherapy there is a need to develop new models. An example of one of the first models describing the performance of non-conventional linear accelerators is OTT (overall treatment time) developed for the Tomotherapy. © 2013 Wielkopolskie Centrum Onkologii. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. Słowa kluczowe: radioterapia; czas napromieniania; obciążenie akceleratorów medycznych; optymalizacja leczenia; kolejkowanie pacjentów Keywords: Radiotherapy; Treatment time; Radiotherapy workload; Treatment optimisation; Queuing patients
1. Wstęp Problem, jakim jest skuteczne zagospodarowanie czasu pracy na aparacie w radioterapii akceleratorowej, istnieje prawdopodobnie tak długo jak sama metoda leczenia. Wraz z rozwojem coraz bardziej wysublimowanych i skomplikowanych technik leczenia w radioterapii narasta problem z określeniem, w jaki sposób produktywnie wykorzystać czas pracy aparatu i jego obsługi [1]. Jest to o tyle ważne, że odpowiednie ułożenie kolejki pacjentów wpływa na komfort chorych (nie będą musieli czekać długo na swoją kolej), personelu medycznego (który pracuje mniej dokładnie i mniej wydajnie, jeśli jest obciążony pracą pod presją czasu) oraz na kwestie finansowe (tj. koszt jednej godziny pracy aparatu) [2,3], ale być może pozwoli również na zwiększenie
* Adres do korespondencji: Zakład Fizyki Medycznej Wielkopolskie Centrum Onkologii, Garbary 15, 61-866 Poznań, Polska. Tel.: +48 (61) 88 50 763. Adres email: [email protected] (T. Piotrowski). 1734-0489/$ © 2013 Wielkopolskie Centrum Onkologii. Published by Elsevier Urban & Partner Sp. z o.o. All rights reserved. http://dx.doi.org/10.1016/j.onko.2013.10.003
66
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
liczby leczonych pacjentów każdego dnia, miesiąca oraz roku [4]. Przy założeniu, że każdego roboczego dnia udałoby się przeprowadzić leczenie choćby jednego pacjenta więcej, w skali roku daje to liczbę ok. 255 pacjentów. W obliczu rosnącej liczby zachorowań na nowotwory [5] zwiększenie wydajności aparatów jest już właściwie koniecznością, przed którą stoją wszystkie ośrodki onkologii. Celem pracy jest dokonanie przeglądu dostępnych modeli pozwalających na przewidywanie długości czasu napromieniania, a także opisanie ewolucji problemu skutecznego zagospodarowania czasu pracy akceleratorów medycznych, następującej wraz z rozwojem radioterapii. 2. Materiał i metoda W celu opisania sposobów skutecznego wykorzystania czasu pracy na aparatach terapeutycznych w radioterapii została wykonana analiza literatury, przy użyciu wyszukiwarki medycznej PubMed. Użyte słowa kluczowe: basic treatment equivalent, workload, helical tomotherapy, IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy), IGRT (Image Guided Radiation Therapy), megavoltage CT (Computed Tomography), cone-beam CT, mathematical model, radiotherapy, treatment planning. W wyniku wyszukiwania do wstępnej analizy zakwalifikowano 234 publikacje pochodzące z lat 1982–2013. Wszystkie prace zostały wydane oryginalnie w języku angielskim. Wyłonione w wyniku wyszukiwania publikacje poddano wstępnej analizie z wykorzystaniem tekstu zawartego w ich streszczeniach. Szczególną uwagę zwrócono na informacje opisujące modele, które umożliwiają oszacowanie czasu napromieniania oraz dziennej liczby pacjentów leczonych na aparacie terapeutycznym. Ostatecznie, do szczegółowej analizy wyłoniono 16 prac, które stanowią podstawę niniejszego opracowania. 3. Wyniki i omówienie W tabeli I przedstawiono podstawowe informacje dotyczące publikacji poddanych szczegółowej analizie. Niniejsze zestawienie zawiera odpowiednio: 1) nazwisko pierwszego autora, rok publikacji oraz informacje o ośrodkach partycypujących w badaniu, 2) liczbę pacjentów, na których przeprowadzono badanie, 3) okres objęty badaniem, 4) technologię radioterapeutyczną uwzględnioną w badaniu oraz 5) metodę analizy danych. W 1982 roku, w liście do redakcji pisma naukowego Physics in Medicine and Biology, dr Richard F. Mould z Zakładu Fizyki Medycznej szpitala Wesminster w Londynie przytoczył dane, w których wg NHS (National Health Service) [6] każdy akcelerator liniowy powinien być tak wydajny, by leczyć 800 pacjentów rocznie lub 60 pacjentów dziennie [7]. Przedstawione wielkości zostały oszacowane na podstawie analizy czasu trwania leczenia pacjentów napromienianych techniką dwuwymiarową (2D). Jak się okazało, w większości placówek liczby te były górnymi granicami możliwości aparatów. Jedynie trzem z szesnastu udało się przekroczyć pułap 800 pacjentów rocznie. Przyczyną, dla której znakomita większość ośrodków nie była w stanie osiągnąć określonego przez NHS limitu, nie była jednak niewydolność tych placówek, a przecenienie ich możliwości [8,9]. Prawdopodobnie były to pierwsze sygnały, że metody szacowania długości czasu leczenia zaczęły odstawać od rzeczywistości, w której procedury leczenia stawały się coraz bardziej złożone i wymagały zrewidowania dotychczasowych modeli. Odkąd w radioterapii zaczęły pojawiać się wysublimowane metody leczenia, stosujące narzędzia, takie jak kolimator wielolistkowy czy kliny dynamiczne, czas trwania leczenia wydłużył się. W przypadku techniki 2D można powiedzieć, że każdy pacjent otrzymywał leczenie realizowane w podobny sposób (pod względem liczby pól), więc można było założyć z góry, że czas jego trwania będzie porównywalny, a liczba pacjentów leczonych dziennie na aparacie – taka sama. W przypadku trójwymiarowej techniki konformalnej (3DCRT) i technik powstałych później nastąpił znaczny wzrost indywidualizacji leczenia oraz związane z tym zróżnicowanie w czasie trwania procedur i problem z jego określeniem. Jednym z pierwszych sposobów opisywania wydajności aparatu było oszacowanie ilości pól lub pacjentów leczonych na aparacie w ciągu godziny. Zakładano, że całkowity czas potrzebny do realizacji napromieniania jednym polem terapeutycznym wynosi 5 minut. Standardowo przyjmowano również, że leczenie jednego pacjenta trwa 10 minut [10– 14]. Wytyczne dotyczące leczenia z wykorzystaniem promieniowania, wydane przez Inter-Society Council for Radiation Oncology w 1991 roku (tzw. Błękitna Księga, ang. Blue Book) [10] określały przepustowość aparatów, szacując ją na ok. 4 jednostki ESTV (equivalent simple treatment visit; ekwiwalent prostej procedury leczenia) na godzinę, co przy 7-godzinnym dniu pracy daje rocznie ok. 6500 jednostek ESTV. ,,Błękitna Księga’’ [10] podaje, że 1 ESTV jest to czas realizacji procedury leczenia megawoltowego, należącej do kategorii ,,prostych’’, który wynosi ok. 15 minut. Model ESTV jako pierwszy uwzględniał stopień złożoności procedur – wszystkie techniki leczenia zostały podzielone na trzy kategorie: ,,proste’’, ,,pośrednie’’ i ,,złożone’’, a procedury ,,pośrednie’’ i ,,złożone’’ otrzymały odpowiednio 1,1 ESTV oraz 1,25 ESTV [10,14–16]. Do kategorii ,,prostych’’ zaliczono procedury obejmujące leczenie dwóch pól przeciwstawnych lub jednej lokalizacji, z maksymalnie jedną, prostą osłoną. Leczenie ,,pośrednie’’ to leczenie więcej niż jednej lokalizacji, trzech lub więcej pól dla jednej lokalizacji lub użycie skomplikowanej osłony (model ten nie określał jednak, jakie to osłony). Leczenie ,,złożone’’ to leczenie trzech lub więcej lokalizacji, wykorzystanie pól tangencjalnych z klinami, techniki rotacyjne bądź łukowe lub użycie innych specjalnych rozwiązań (np. kompensatory). Niektóre bardziej czasochłonne procedury otrzymały dodatkowe
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
67
Tabela I Publikacje poddane analizie Table I Analyzed publications Badanie, rok publikacji (Ośrodki partycypujące)
Liczba pacjentów
Okres objęty analizą
Technologia radioterapeutyczna
Analiza lub metody przewidywania długości czasu napromieniania
Mould RF, 1982 [7] (Dane NHS)
—
10 lat
Konwencjonalne akceleratory liniowe
ISCRO,1991 [10] (Konsensus Amerykańskich Towarzystw Naukowych) 1
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Probst H, 1995, 1996 [8,9] (Leeds, Anglia)
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Delaney GP, 1997 [11] (10 ośrodków z regionu New South Wales, Australia) Delaney GP, 1999 [12] (36 ośrodków z Australii i Nowej Zelandii) Delaney GP, 2005 [13,14] (13 ośrodków z regionu New South Wales, Australia) Craighead P, 2001 [18] (Calcary, Kanada)
18466 *
4 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
56483 *
4 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Analiza opisowa. Estymacja optymalnej liczby pacjentów na podstawie danych retrospektywnych zgromadzonych w NHS Opracowanie wytycznych dotyczących metod przewidywania długości czasu napromieniania, propozycja modelu ESTV Analiza czasu realizacji procedur obrazowych według wytycznych ISCRO w warunkach quasi-klinicznych (na fantomie tkankopodobnym) Propozycja modelu BTE i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza w oparciu o model BTE
4316 *
135 dni
Konwencjonalne akceleratory liniowe
—
—
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Burnet G, 2001 [15] (Cambridge, Anglia)
282
2 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Barbera L, 2003 [16] (Kingston, Kanada) (Liverpool, Australia)
151
2 tygodnie
Konwencjonalne akceleratory liniowe
Bauman G, 2007 [31] (London, Kanada) Burnet NG, 2010 [32] (Cambridge, Anglia) Sterzing F, 2008 [33] (Heidelberg, Niemcy) Bijdekerke P, 2008 [34] (Bruksela, Belgia)
60
1,5 roku
Tomoterapia
Propozycja zmodyfikowanego modelu BTE i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza porównawcza modeli BTE i ESTV na podstawie literatury, rekomendacja modelu BTE dla ośrodków kanadyjskich Propozycja modelu Addenbrooke i analiza porównawcza własnych danych w oparciu o modele BTE i Addenbrooke Analiza porównawcza modeli ESTV, BTE, zmodyfikowanego modelu BTE oraz Addenbrooke na podstawie danych własnych. Rekomendacja zmodyfikowanego modelu BTE. Analiza opisowa
114
1 rok
Tomoterapia
Analiza opisowa
150
2 lata
Tomoterapia
Analiza opisowa
99
1 rok
Tomoterapia
Piotrowski T, 2013 [4] (Poznań, Polska)
656
3 lata
Tomoterapia
Propozycja modelu OTT i analiza danych własnych w oparciu o zaproponowany model Analiza w oparciu o model OTT
1
Towarzystwa partycypujące w opracowaniu raportu: American Association of Physicist in Medicine, American College of Medical Physicist, American College of Radiology, American Radium Society, American Society for Therapeutic Radiology and Oncology, North American Hypertermia Group, Radiation Research Society, Radiological Society of North America, Society of Chairmen of Academic Radiation Oncology Programs. * liczba dotyczy ilości frakcji terapeutycznych, które zostały poddane analizie Skróty: NHS – National Health Service, ISCRO – Inter-Society Council for Radiation Oncology, ESTV – Equivalent Simple Treatment Visit, BTW – Basic Treatment Equivalent, OTT – Overall Treatment Time
jednostki ESTV, np. TBI (total body irradiation; napromienianie całego ciała) – 4 ESTV; IORT (intra-operational radiotherapy; radioterapia śródoperacyjna) – 10 ESTV; 3DCRT – 1,5 ESTV; SRS (stereotactic radiosurgery; radioterapia stereotaktyczna) – 3 ESTV. Według Delaney'a, wartości przypisane wszystkim procedurom w tym modelu zostały wyznaczone nie doświadczalnie, a arbitralnie, w oparciu o subiektywne odczucia autorów [14,15]. Model ten nie tłumaczy, dlaczego jedne procedury są bardziej czasochłonne od innych – fakt ten został przyjęty per se.
68
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
Jako odpowiedź na zróżnicowanie w czasie trwania procedur zwrócono uwagę na istnienie pewnych zmiennych, poza ilością pól terapeutycznych, które w największym stopniu wpływają na czas leczenia [11]. Są to odpowiednio: 1) zmienne zależne od pacjenta (wiek, stabilność pozycji terapeutycznej, dodatkowe wymagania, takie jak tlen, oraz zdolność komunikacji pacjenta z personelem) i 2) zmienne zależne od sposobu leczenia (złożoność leczenia, liczba klinów, kompensatorów, osłon, pomiar dozymetryczny, doświadczenie personelu itp.). Na ich podstawie został zaproponowany model BTE – Basic Treatment Equivalent (ekwiwalent podstawowego leczenia). Jedna jednostka BTE odpowiada 10 minutom. Aby uzyskać informację o ilości jednostek BTE dla danego typu leczenia, należy wykonać następujące obliczenie: p D ¼ FðN þ S þ E þ AÞ; gdzie : D – przewidywany czas trwania realizacji frakcji w trakcie kursu radioterapii; F – frakcje napromieniania (jeśli pierwsza frakcja, F = 1,7, jeśli kolejna, F = 1); N – liczba pól (0,3 za każde dodatkowe pole powyżej drugiego); S – liczba użytych osłon, 0,10 za każde 3 dodatkowe osłony (0, jeśli <3 osłon, 0,1, jeśli 3–5 osłon, 0,2, jeśli 6–8 osłon, 0,3, jeśli 9–11 osłon, 0,4, jeśli 12–14 osłon); E – liczba punktów w skali ECOG (Eastern Cooperative Oncology Group), 5-stopniowa skala sprawności, gdzie 5 oznacza zgon, a 5 pełną sprawność [17] (E = 0,1, jeśli ECOG >2, E = 0, jeśli ECOG <2); A – znieczulenie ogólne (A = 0, jeśli nie zostało użyte, A = 0,6, jeśli zostało użyte). Za każde wykonane w trakcie napromieniania zdjęcie portalowe do otrzymanego już wyniku dodawano 0,3 BTE (poza zdjęciami wykonanymi w trakcie pierwszej frakcji). Na przykład, dla najprostszego leczenia, z użyciem 1–2 pól oraz 1–2 osłon indywidualnych, dla pacjenta przytomnego, bez zastosowania znieczulenia ogólnego, w przypadku innej niż pierwsza frakcji leczenia BTE wyniesie: BTE ¼ 1ð1 þ 0 þ 0 þ 0Þ ¼ 1; czyli 10 min Zgodnie ze wzorem, w trakcie badań udało się wyznaczyć średnią ilość jednostek BTE dla różnych technik leczenia, np. SRS – 9 BTE, TBI – 6 BTE itd. Według badań przeprowadzonych w Australii przez Delaney'a i wsp. [12], model BTE znacznie lepiej określał wydajność pracy aparatów niż liczba pól na godzinę czy liczba pacjentów na godzinę. Wydajność wyznaczona na podstawie nieskomplikowanych obliczeń w przypadku ośrodków, które wykonywały jedynie proste procedury lecznicze, była sztucznie zawyżona, w stosunku do tych, w których stosowano złożone metody leczenia lub przyjmowano więcej pacjentów wymagających zastosowania procedur specjalistycznych, jak SRS lub TBI. W tych ośrodkach liczba pacjentów czy pól leczonych na godzinę była mniejsza niż w przypadku ośrodków realizujących radioterapię metodami 2D, a ilość jednostek BTE była podobna. Model BTE doczekał się w późniejszych latach kilku modyfikacji, jedną z nich był model Addenbrooke, stworzony na potrzeby uniwersyteckiego szpitala Addenbrooke w Cambridge, w Wielkiej Brytanii [15,16]. Na podstawie przeprowadzonych badań wykazano, że model ten nie tylko w lepszym stopniu opisywał wydajność aparatów niż ilość pacjentów lub pól na godzinę, ale na tym polu spisywał się również lepiej niż model BTE czy ESTV. W modelu Addenbrooke dodano dwie zmienne (poza tymi, które zostały uwzględnione w modelu BTE), wpływające na czas leczenia, tj. pomiary dawki in vivo, dokonywane w trakcie leczenia za pomocą komór jonizacyjnych, oraz lokalizacja leczonej zmiany. Wszystkie techniki leczenia, a także najbardziej specyficzne anatomiczne lokalizacje zmian nowotworowych, podzielono na potrzeby modelu na 14 kategorii, którym przypisano pewne stałe wartości. Obie zmienne znajdują się we wzorze: czas trwania leczenia ¼ 0;17 þ 2;72 F þ 2;31 N þ 0;38 S þ 0;74 E þ 8;58 A þ 2;11B þ 0;80 D þ stała dla techniki=strony D oznacza liczbę komór jonizacyjnych, służących do pomiaru dawki metodą in vivo. Parametr ,,stała dla techniki/strony’’ wyrażony jest w wartościach stałych, przypisanych dla 14 różnych kategorii leczenia, odnoszących się zarówno do techniki leczenia, jak i do anatomicznej lokalizacji leczonej zmiany (wykaz stałych wraz z wartościami liczbowymi znajduje się w materiale źródłowym [15,16]). B określa ilość zdjęć weryfikacyjnych wykonanych w trakcie frakcji napromieniania. Parametry F, N, S, E i A są tożsame z parametrami modelu BTE i oznaczają odpowiednio frakcję napromieniania, liczbę pól, liczbę osłon, liczbę punktów w skali ECOG oraz znieczulenie ogólne. W przypadku terapii na klasycznych aparatach, już pojawienie się kolimatora wielolistkowego wywołało niemałe zamieszanie, ponieważ żaden istniejący wówczas model nie potrafił uwzględnić w obliczeniach pola dynamicznie modulowanego przez jego listki. Aby można było obliczyć czas trwania terapii z jego wykorzystaniem, model BTE został później odpowiednio przystosowany [16,19]. Pojawienie się w radioterapii takich rozwiązań, jakie zastosowano np. w aparacie CyberKnife [20,21], GammaKnife [22,23] lub Tomoterapii [24–26], stało się barierą nie do pokonania dla istniejących modeli opisujących obciążenie aparatów terapeutycznych. W tych aparatach mamy do czynienia nie tylko z odmiennym sposobem dostarczania dawki terapeutycznej, ale również z zupełnie różnymi systemami weryfikacji pozycjonowania i dokładności leczenia. W przypadku aparatu tomoterapeutycznego weryfikacja odbywa się na podstawie megawoltowych obrazów tomograficznych, zaś długość (względem osi długiej pacjenta) obszaru poddanego weryfikacji obrazowej uwarunkowana jest wielkością objętości tarczowej [27]. Ze względu na akceptowalną dawkę dostarczaną w trakcie obrazowania (1–3 cGy) [28] weryfikacja przeprowadzana jest
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
69
w większości przypadków codziennie. Na aparacie CyberKnife weryfikacja odbywa się na podstawie planarnych i ortogonalnych względem siebie obrazów kilowoltowych i przeprowadzana jest wielokrotnie podczas każdej frakcji napromieniania (co 15–60 s) [29]. W przypadku GammaKnife, systemu, który przeznaczony jest do radiochirurgii śródczaszkowej, weryfikacja pozycjonowania odbywa się na podstawie automatycznej (systemowej) kontroli pozycji czaszki pacjenta i nie jest wspomagana danymi obrazowymi [30]. Problem nieadekwatności modeli opisujących obciążenie aparatów terapeutycznych w przypadku aparatów niekonwencjonalnych dostrzeżony został przez badaczy, którzy starali się opisać doświadczenia związane z pracą aparatów tomoterapeutycznych [31–33]. Niemożność dostosowania modeli BTE, ESTV czy Addenbroke do specyfiki pracy aparatu tomoterapeutycznego zmuszała ich do przedstawiania swoich wyników w iście opisowy i, niestety, nieusystematyzowany sposób, co wiązało się w rezultacie z dużą subiektywnością wniosków płynących z niniejszych doniesień. Grupa badaczy z belgijskiego szpitala UZB (Universitair Ziekenhuis Brussel) jako pierwsza zaproponowała zobiektywizowanie wyników dotyczących obciążenia aparatu tomoterapeutycznego, proponując model OTT (overall treatment time; całkowity czas leczenia) [34]. Zmienne, które zostały włączone do modelu, to: 1) pozycjonowanie pacjenta, 2) skanowanie MVCT, 3) fuzja obrazów, 4) repozycjonowanie i 5) napromienianie. Suma czasów trwania wszystkich składowych jest równa OTT. Można zauważyć, że poszczególne elementy modelu są jednocześnie kolejnymi etapami postępowania z pacjentem podczas frakcji napromieniania w tomoterapii. Czasy trwania tych etapów wyznaczono na podstawie danych zebranych przez szpital i stwierdzono na podstawie analizy statystycznej, że są to elementy w największym stopniu wpływające na czas leczenia. Z analizy danych przedstawionych przez badaczy z UZB [34] wynika, że największy wpływ na czas leczenia ma ostatni etap – napromienianie. Czas jego trwania jest zależny od parametrów optymalizacyjnych zadanych systemowi w trakcie planowania leczenia. Jest to najbardziej przewidywalna zmienna w modelu. Według twórców modelu, ten parametr powinien być brany pod rozwagę podczas układania codziennego harmonogramu pracy aparatu. Przed rozpoczęciem badań dla pacjentów leczonych na tomoterapii rezerwowano zwykle 30 minut. Według obliczeń, rzeczywiste OTT wyniosło średnio 24,4 minuty, czyli ok. 5 minut krócej, niż wcześniej zakładano. Uwzględniając tę zmianę w harmonogramie, w ciągu 8-godzinnego dnia pracy aparatu można było poddać leczeniu 19 pacjentów, zamiast wstępnie ustalonej liczby 16 pacjentów. Aby jednak usprawnić pracę na aparacie i uniknąć niepotrzebnych przerw w pracy, należałoby wziąć pod uwagę wyznaczenie średniego OTT dla różnych lokalizacji i na tej podstawie planować zagospodarowanie czasu pracy aparatu. Praca grupy UZB [34] nie uwzględniała jednak potencjalnej redukcji OTT wynikającej z długoterminowego (dwa lata i więcej) efektu uczenia się nowej technologii przez zespół terapeutyczny i w rezultacie możliwości optymalizacji poszczególnych komponentów OTT opartej na doświadczeniach własnych. Badania przeprowadzone przez grupę poznańską z Wielkopolskiego Centrum Onkologii (WCO) potwierdziły wpływ długoterminowego efektu uczenia się na redukcję OTT [4]. W przypadku tego badania, OTT wyznaczony w pierwszym roku użytkowania aparatu tomoterapeutycznego wynosił 21 minut i 30 sekund i po trzech latach został zredukowany do 13 minut i 50 sekund. Najistotniejszym komponentem OTT był czas napromieniania, którego średnia wartość (dla wszystkich pacjentów) wynosiła odpowiednio 11 minut i 10 sekund w pierwszym roku i 7 minut w trzecim roku użytkowania tomoterapii. Uwzględniając podział pacjentów na grupy według lokalizacji obszaru napromieniania, średni czas napromieniania w ostatnim roku analizy wynosił odpowiednio: 1) dla pacjentów z nowotworami mózgu – 5 minut i 15 sekund, 2) dla pacjentów z nowotworem prostaty – 6 minut i 40 sekund, 3) dla pacjentów z nowotworami głowy i szyi – 7 minut i 10 sekund oraz 4) dla innych lokalizacji, takich jak rdzeniak zarodkowy, mezotelioma czy też zaawansowane nowotwory ginekologiczne – 9 minut i 5 sekund. Zaobserwowano także istotną statystycznie redukcję czasu dla pozycjonowania i fuzji obrazów. W przypadku technologii GammaKnife oraz CyberKnife nie znaleziono prac, które opisywałyby w sposób kompleksowy zagadnienia związane z obciążeniem aparatów terapeutycznych w rutynowej działalności klinicznej.
4. Wnioski Biorąc pod uwagę aparaty terapeutyczne stosowane w radioterapii, takie jak CyberKnife, GammaKnife czy Tomoterapia, należy zauważyć, że każdy z tych aparatów różni się sposobem dostarczania dawki terapeutycznej, nie tylko względem siebie, ale również względem konwencjonalnych akceleratorów terapeutycznych. W wyniku tego żaden z modeli przewidywania czasu trwania leczenia opracowany dla konwencjonalnych aparatów terapeutycznych nie znajduje w tych przypadkach zastosowania. Sytuacja ta wymaga zrewidowania starych modeli i zaproponowania innych, dopasowanych do potrzeb nowych akceleratorów, aby móc skutecznie gospodarować czasem pracy aparatu. Jest to bardzo ważne, ponieważ liczba leczonych pacjentów w radioterapii stale rośnie. Aby można było maksymalnie wykorzystać czas pracy aparatów oraz personelu medycznego, niezbędna jest znajomość i kontrola czasu trwania procedur leczniczych, ich złożoności oraz zmiennych, które w największym stopniu wpływają na wydłużenie czasu leczenia.
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
70
Wkład autorów/Authors' contributions EC – koncepcja pracy, zebranie i interpretacja danych, akceptacja ostatecznej wersji, przygotowanie literatury. TP – zebranie i interpretacja danych, akceptacja ostatecznej wersji, przygotowanie literatury. Konflikt interesu/Conflict of interest Nie występuje. Finansowanie/Financial support Nie występuje. Etyka/Ethics Treści przedstawione w artykule są zgodne z zasadami Deklaracji Helsińskiej, dyrektywami EU oraz ujednoliconymi wymaganiami dla czasopism biomedycznych. Piśmiennictwo/References [1] D.I. Thwaites, J. Malicki, Physics and technology in ESTRO and in Radiotherapy and Oncology: past, present and into the 4th dimension, Radiother Oncol 100 (2011) 327–332. [2] J. Malicki, The importance of accurate treatment planning, delivery, and dose verification, Rep Pract Oncol Radiother 17 (2012) 63–65. [3] D. Kaźmierczak, M. Bogusz-Czerniewicz, Identification of patient’s requirements in quality management system in health care institutions, Rep Pract Oncol Radiother 17 (2012) 50–53. [4] T. Piotrowski, E. Czajka, B. Bak, J. Kazmierska, M. Skorska, A. Ryczkowski, et al., Tomotherapy: Implications on daily workload and scheduling patients based on three years' institutional experience, Technol Cancer Res Treat (2013) [ahead of print]. [5] A. Dyzmann-Sroka, A. Roszak, Metody podniesienia jakości danych rejestrów nowotworów złośliwych, Zeszyty Naukowe 9 (2012) 163–168. [6] National Health Service. http://www.nhs.uk. [7] R.F. Mould, Radiotherapy treatment workload statistics, Phys Med Biol 27 (1982) 157–162. [8] H. Probst, Increased work pace caused by the stress of high workloads – the effect on treatment accuracy. Proceedings of the British Institute of Radiology, Br J Radiol 68 (1995) 552. [9] H. Probst, S. Griffiths, Increasing the work speed of radiographers: the effect on the accuracy of a set-up of a complex shaped cranial field, part of a matched cranio spinal junction, Radiother Oncol 38 (1996) 241–245. [10] Inter-society Council for Radiation Oncology. Radiation Oncology in Integrated Cancer Management, Philadelphia Pennsylvania: ISCRO; 1991. [11] G.P. Delaney, V. Gebski, A.D. Lunn, An Assessment of the Basic Treatment Equivalent (BTE) Model as Measure of Radiotherapy Workload, Clin Oncol (R Coll Radiol) 9 (1997) 240–244. [12] G.P. Delaney, M. Rus, V. Gebski, A.D. Lunn, M. Lunn, An Australasian assessment of the basic treatment equivalent model derived from New South Wales data, Australas Radiol 43 (1999) 500–506. [13] G.P. Delaney, R.J. Shafiq, B.B. Jalaludin, M.B. Barton, The development of a new basic treatment equivalent model to assess linear accelerator throughput, Clin Oncol (R Coll Radiol) 17 (2005) 311–318. [14] G.P. Delaney, R.J. Shafiq, B.B. Jalaludin, M.B. Barton, Technology enhancements and changes in radiotherapy throughput in New South Wales, Clin Oncol (R Coll Radiol) 17 (2005) 305–310. [15] N.G. Burnet, D.S. Routsis, P. Murrell, K.E. Burton, P.J. Taylor, S.J. Thomas, et al., A tool to measure radiotherapy complexity and workload: derivation from the basic treatment equivalent (BTE) concept, Clin Oncol (R Coll Radiol) 13 (2001) 14–23. [16] L. Barbera, L.D. Jackson, K. Schulze, P.A. Groome, F. Foroudi, G.P. Delaney, et al., Performance of different radiotherapy workload models, Int J Radiat Oncol Biol Phys 55 (2003) 1143–1149. [17] Eastern Cooperative Oncology Group. http://ecog.dfci.harvard.edu/general/perf_stat.html [18] P. Graighead, C. Herring, C. Hillier, D. Guo, J. Budden, K. Rans, The use of the Australian basic treatment equivalent (BTE) workload measure for linear accelerators in Canada, Clin Oncol (R Coll Radiol) 13 (2001) 8–13. [19] .National Hospital Productivity Improvement Program, Radiation Therapy Workload Measurement System, Health and Welfare Canada, Ottawa, 1989 [20] J.R. Adler, The future of robotics in radiosurgery, Neurosurgery 72 Suppl 1 (2013) 8–11. [21] J.R. Adler, S.D. Chang, M.J. Murphy, J. Doty, P. Geis, S.L. Hancock, The Cyberknife: a frameless robotic system for radiosurgery, Stereotact Funct Neurosurg 69 (1997) 124–128. [22] M. Yamamoto, Gamma Knife radiosurgery: technology, applications, and future directions, Neurosurg Clin N Am 10 (1999) 181–202. [23] C. Lindquist, I. Paddick, The Leksell Gamma Knife Perfexion and Comparisons With Its Predecessors, Neurosurgery 61 (2007) 130–141. [24] A.W. Beavis, Is tomotherapy the future of IMRT? Br J Radiol 77 (2004) 285–295. [25] F. Sterzing, M. Uhl, H. Hauswald, K. Schubert, G. Sroka-Perez, Y. Chen, et al., Dynamic jaws and dynamic couch in helical tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 76 (2010) 1266–1273. [26] P. Kupelian, K. Langen, Helical tomotherapy: image-guided and adaptive radiotherapy, Front Radiat Ther Oncol 43 (2011) 165–180. [27] T. Piotrowski, M. Skórska, A. Jodda, A. Ryczkowski, J. Kaźmierska, K. Adamska, et al., Tomotherapy – a different way of dosedelivery in radiotherapy, Wspolcz Onkol 16 (2012) 16–25. [28] A.P. Shah, K.M. Langen, K.J. Ruchala, A. Cox, P.A. Kupelian, S.L. Meeks, Patient dose from megavoltage computed tomography imaging, Int J Radiat Oncol Biol Phys 70 (2008) 1579–1587.
E. Czajka, T. Piotrowski / Zeszyty Naukowe WCO, Letters in Oncology Science 10 (2013) 65–71
71
[29] W.C. Welch, P.C. Gerszten, Accuray CyberKnife image-guided radiosurgical system, Expert Rev Med Devices 2 (2005) 141–147. [30] D. Schlesinger, Z. Xu, F. Taylor, C.P. Yen, J. Sheehan, Interfraction and intrafraction performance of the Gamma Knife Extend system for patient positioning and immobilization, J Neurosurg 117 (2012) 217–224. [31] G. Bauman, S. Yartsev, G. Rodrigues, C. Lewis, V.M. Venkatesan, E. Yu, et al., A prospective evaluation of helical tomotherapy, Int J Radiat Oncol Biol Phys 68 (2007) 632–641. [32] N.G. Burnet, E.J. Adams, J. Fairfoul, G.S.J. Tudor, A.C.F. Hoole, D.S. Routsis, et al., Practical aspects of implementation of helical tomotherapy for intensity-modulated and imageguided radiotherapy, Clin Oncol 22 (2010) 294–312. [33] F. Sterzing, K. Schubert, G. Sroka-Perez, J. Kalz, J. Debus, K. Herfarth, Helical tomotherapy: Experiences of the first 150 patients in Heidelberg, Strahlenther Onkol 184 (2008) 8–14. [34] P. Bijdekerke, D. Verellen, K. Tournel, V. Vinh-Hung, F. Somers, P. Bieseman, et al., TomoTherapy: Implications on daily workload and scheduling patients, Radiother Oncol 86 (2008) 224–230.