Ultraschall in der strahlentherapie: Bei der bestrahlungsplanung und überwachung des therapieerfolges

Ultrasound in Med. & Biol.. Vol. 1, pp. 149 159.PergamonPress, 1974. Printedin Great Britain.

ULTRASCHALL IN DER STRAHLENTHERAPIE: BEI D E R B E S T R A H L U N G S P L A N U N G UND (JBERWACHUNG DES THERAPIEERFOLGES K. JENTZSCH, K. H. KARCHER und B. B/)HM Aus der Strahlentherapeutischen Klinik und dem Institut fiir klinische Strahlenbiologie der Universit~it Wien, Austria

Zusammenfassung-Die Echographie ist in der Strahlentherapie fiir die Bestrahlungsplanung und die Kontrolle des Behandlungserfolges von grol3em Wert. Die Ausdehnung eines Tumors und seine Lage zu den Nachbarorganen k6nnen direkt sichtbar gemacht werden. Durch Kombination des Fotos des B-Scans und des Isodosenplanes ist eine individuelle Bestrahlungsplanu.ng m6glich. Das wird an einigen Beispielen gezeigt: der praeoperativen Bestrahlung eines Wilms Tumors (Abb. 1), der Bestrahlung einer groBen aortalen Geschwulst, die 3 Stehfelder erfordert (Abb. 2), wahrend ein kleinerer aortaler Tumor fiir die Bewegungsbestrahlung geeignet ist (Abb. 3). Die Kontrolle des Behandlungserfolges zeigt in Abb. 4 die Verkleinerung eines Tumors entsprechend der angewandten Bestrahlungsmethode. Die Strahlenresistenz eines Tumors kann bei manchen Tumorpositionen durch Ultraschall friiher als durch andere Methoden erfal3t werden. Das kann dem Radiotherapeuten helfen, seinen Behandlungsplan rechtzeitig umzustellen (Abb. 6) Schliisselworte: Verlaufskontrolle, Strahlentherapie, Isodosen, Tumor, Ultraschall, Querschnitte.

Abstract--Ultrasonography is of great value in radiotherapy for treatment planning and for the follow up of the treatment results, because the extent of the tumor and its position to the adjacent organs can be visualized directly by cross sections. If photographs of the B-scan are superimposed by isidose curves, individualized treatment planning is possible. This is demonstrated in a few examples: the pre-operative irradiation of a Wilms tumor (Fig. 1), the irradiation of large aortic masses which require 3 treatment ports (Fig. 2) while for a smaller aortic mass moving beam therapy is suitable (Fig. 3). Examples for the follow up of the treatment results are given in Figs. 4-6. Figure 4 demonstrates the reduction of the tumor size corresponding to the different irradiation methods. The lack of radiosensitivity of certain tumors can be documented earlier by ultrasound than by other investigations. This enables the radiotherapist to change his treatment schedule in time (Fig. 6). Key words'." Follow up, Radiotherapy, Isodose, Tumor, Ultrasonography, Cross sections.

keiten haben durch die Ultraschalltomographie eine wertvolle Erg~inzung erfahren. Diese Methode erm6glicht die Organlokalisation durch Darstellung von Organgrenzfliichen. So k6nnen gerade Weichteile gut abgegrenzt werden, die sonst nur indirekt erfal3t werden k6nnen (Ostrum, Goldberg und Isard, 1967; Matherson, 1968; Kratochwil, 1968; Damascelli et al., 1969; Frommhold und Hiinig, 1970; Holm, 1971; Alth, Kratochwil und Hofner, 1971; Mountford et al., 1971; Barnett und Morley, 1971; Templeton und Stuber, 1971; Leopold, Asher und Gomde, 1972).

EINFI~HRUNG

F~R DIE Bestimmung der optimalen Bestrahlungsmethode eines Tumors ist die genaue Kenntis der Ausdehnung einer Geschwulst und ihrer Lage zu den Nachbarorganen grundlegende Erfordernis. Bisher dienten dazu der Palpationsbefund und r6ntgendiagnostische MaBnahmen, wobei fOr die Diagnostik yon Tumoren im Abdomen und extraperitonealen Bereich h~iufig Spezialuntersuchungen wie Lymphographie und Angiographie erforderlich waren. Die r6ntgendiagnostischen M6glich149

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Dem Strahlentherapeuten bringt die Ultraschalltomographie des Abdomens und kleinen Beckens die M6glichkeit einer Individualisierung des Bestrahlungsplanes. In Quer- und L/ingsschnitten k6nnen der Tumor und die Nachbarorgane abgebildet werden, wie dies kiirzlich von Leopold (1972) durch Ultraschalltomographien von Leichen belegt wurde. Die im Echogramm dargestellten Organe k6nnen maBstabgetreu in eine K6rperquerschnittszeichnung des Patienten iibertragen werden, die eine wesentlich exaktere Bestrahlungsplanung gestattet (Smith und Holm, 1970; Weyrauch und Schoknecht, 1970; Reisner, Heckrodt und Ay, 1970; K~ircher, 1971 ; Cohen und Curtis Hass, 1971; Alth, Kratochwil und Hofner, 1971). Dadurch wird die r6ntgenologische Transversaltomographie bei der Bestrahlungsplanung z. T. ersetzt oder aber wesentlich erg~inzt. Der Transversaltomographie haften noch viele methodische Nachteile an (Gajewski, 1971), sie ist auch im Abdomen und extraperitonealen Bereich nur bedingt anwendbar. Dariiber hinaus gestattet die beliebig oft wiederholbare und schonende Ultraschallmethode eine fortlaufende Oberpriifung der Feldlage und eine Anpassung der Feldgr6Be an die kleinerwerdende Geschwulst oder auch eine rechtzeitige Anderung des Bestrahlungsplanes bei mangelhafter Tumorriickbildung. Diese Anwendungsbereiche des Ultraschalls in der Strahlentherapie sollen an Hand einiger charakteristischer Beispiele dargestellt werden. Dabei beschr/inken wir uns in unserer Klinik auf die Ultraschalluntersuchung zur Erstellung des Bestrahlungsplanes und zur Kontrolle des Therapieverlaufes. Die Ultraschalldiagnostik wird in der Regel im Zentrum ffir Ultraschalldiagnostik der II. Univ.-Frauenklinik, Wien durch Doz. A. Kratochwil ausgefiihrt. METHODIK

Die Ultraschalltomogramme werden mit einem Ger/it der Firma Kretz-Technik durchgeffihrt. Es gestattet Untersuchungen mit Schallfrequenzen von 1-4 MHz und liefert ein A- und B-Bild. Der Schallkopf ist mit einer Winkelanzeige verbunden, die die ganze Angabe der

Stellung des Schallkopfes zur K6rperebenen gestattet. Auf die methodischen Einzelheiten der Ultraschalluntersuchung soil nicht n/iher eingegangen werden, sie wurden anderenortes beschrieben (Kratochwil, 1968). Mit Quer- und L~ingsschnitten in 2 cm Abst/inden wird die GriSBe des Tumors und seine Beziehung zu den Nachbarorganen ermittelt. Die gr6Bte Tumorausdehnung wird am Bildschirm mit aufgehelltem Basenstrahl im B-Bild markiert, fiber das noch eine Rasterblende gelegt wird. Die Raster entsprechen je nach dem gew/ihlten Mal3stab der Aufzeichnung, Abst/inden von 1-3 cm. Von diesem Bild wird ein Polaroidfoto angefertigt. In der gleichen H6he wird eine Querschnittszeichnung des Patienten gemacht, in die die Skeletanteile eingetragen werden. In den K6rperumriB k6nnen die mit der Ultraschalltomographie festgehaltenen Organe maBstabgetreu eingetragen oder fotographisch projeziert werden. An Hand dieses Querschnitssbildes erfolgt dann die Wahl der Bestrahlungsfelder und die Erstellung des Isodosenplanes. AbschlieBend kann nochmals die Lage des Tumors im endgiiltigen Bestrahlungsfeld mit Ultraschall fiberprfift werden. W/ihrend der Bestrahlung werden jeweils nach Applikation von 1000 rad mittels Ultraschall Feldkontrollen vorgenommen und so das Ansprechen des Tumors auf die Bestrahlung fiberwacht. FALLDEMONSTRATIONEN

(a) Anwendung des Ultraschallverfahrens bei der Aufstellung des Bestrahlungsplanes

Fall I. Ein 15 Monate alter Knabe wurde wegen eines linksseitigen Wilmstumors zur praeoperativen Bestrahlung iiberwiesen. Das i. v. Pyelogramm zeigte eine normale rechte Niere und an Stelle der linken Niere einen groBen Weichteilschatten mit Deformierung und nur teilweiser Ffillung des linken Nierenhohlsystemes. Die Ultraschalluntersuchung ergab eine 9:12 cm grol3e echonegative Zone, die nach cranial bis zum Diaphragma, nach caudal bis knapp an die Crista iliaca (Abb. l(b)) und nach medial 3 cm tiber die Mittelinie reichte (Abb. l(a)). In der Mittes des Tumors wurde

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Abb. 1 (a). Querschnitt in Riickenlage in H/~he von L 1 bei einem 15 Monate alten Knaben mit Wilmstumor. MaBstab: 1 : 1,5 cm. An Stelle der linken Niere eine dem Tumor (TU) entsprechende echohomogene Zone, 7,5 × 7,5 cm. AuBerdem dargestellt die re. Niere (N) und die Wirbels~iule (WS). eine Q u e r s c h n i t t s z e i c h n u n g a n g e f e r t i g t , i n die d e r T u m o r u n d die i i b r i g e n O r g a n e i i b e r t r a g e n w u r d e n ( A b b . 1 (c)). A u s dieser Z e i c h n u n g g i n g h e r v o r , d a b d a s F e l d 9 : 12 c m groB sein m u B t e ,

u m d e n g e s a m t e n T u m o r z u erfassen. A u B e r d e m muBte der Strahlengang in einem Winkel von 30 G r a d die l i n k e W i r b e l k a n t e t a n g i e r e n , u m die Wirbels/iule und das Riickenmark vor Strahlen-

Abb. 1 (b). L~ngsschnitt des gleichen Felles, in der Mamillarlinie links. An der Bauchdecke sind Rippenbogen und Crista iliaca markiert. Eine echonegative Zone erstreckt sich fiber ein 12 cm langes Gebiet vom Zwerchfell (Z) bis fast an die Crist iliaca. Nach caudal wird sie durch die RiJckenmuskulatur (M) begrenzt.

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Abb. 1 (c). K6rperumriBin Nabelh6he mit den vom UltraschalltomogrammiibertragenenOrganen und dem Bestrahlungsfeld(9:12 cm, Photonen 43 MeV, 30 Grad lat.) schiiden zu schfitzen und gleichzeitig den T u m o r in seiner ganzen Ausdehnung zu erfassen. Fall II. Bei einem 19-jiihrigen Patienten wurde wegen eines malignen Teratoms im AnschluB an die Semikastratio links die Lymphadenektomie vorgenommen. Hierbei muBten metastatisch befallene Drfisen in H6he der A. coeliaca zuriickgelassen werden. Mittels Ultraschall lieB sich bei dem asthenischen Patienten 10-17 cm fiber dem Nabel eine 6:7 cm groBe echonegative Zone darstellen, die vorwiegend praevertebral, aber auch links paravertebral lag (Abb. 2 (a, b)) und zwischen dem linken Leberlappen und der erheblich vergr6Berten Milz lag. Die Splenomegalie wurde durch eine heredit~tre h~imolytisehe Anaemie verursacht. Tumorausdehnung und Organbefunde

wurden wiederum in die Querschnittszeichnung fibertragen (Abb. 2(c)). Um der paravertebralen Tumorausbreitung zu begegnen, wurde zun~ichst mit einer Bestrahlung von dorsal mit zwei um 30 Grad nach medial geneigten Photonenfeldern begonnen, die Dosis sollte nach Verabreichung von 1500 rad/Seite zur Schonung der Nieren von einem ventralen Elektronenfeld aus aufges~ittigt werden. Der in der Abb. 2 (c) dargestellte Isodosenverlauf zeigt, daB der T u m o r innerhalb der 100-80 Prozent Isodosen liegt, die 50 Prozent Isodose liegt praevertebral und die Nieren liegen im Bereich der 20 Prozent Isodose, das Rfickenmark liegt auBerhalb der 20 Prozent Isodose. Fall III, zeigt das Ultraschalltomogramm eines 17-jiihrigen Patienten in H6he von L2

Abb. 2 (a). Ultraschalltomogramm in Riickenlage oberhalb des Nabels (MaBstab 1:3 cm). Vor der Wirbels~iule(WS)und links neben diese reichendliegteine echoarmeZone, die vergr6BertenLymphknoten (LK) entspricht. Sie wird nach links durch die Leber (L), nach rechts durch die vergr6Berte Milz (M) begrenzt.

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Abb. 2 (b). L/ingsschnitt des gleichen Patienten in der Mittelinie. Unterhalb der Leber (L) und vor der Aorta (A) ist eine echoarme Zone zu erkennen (LK).

Abb. 2 (c). Quersehnittszeichnung des gleichen Pat., in die photographisch das Ultraschalitomogramm und die Bestrahlungsfelder mit dem Isodosenplan projeziert wurden. Der Tumor liegt innerhalb der 100-80 Prozent Isodose, die Nieren innerhalb der 20 Prozent Isodose, das Riickenmark au6erhalb der 20 Prozent Isodose. Die Bestrahlung erfolgt yon 2 dorsalen, 30 Grad med. geneigten Photonenfeldern mit 43 MeV und einem ventralen Elektronenfeld aus mit 25 MeV.

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Abb. 3 (a). Querschnittstomogramm in H6he von L2, in Riickenlage (MaBstab 1 : 3 cm). Vor der Wirbels~iule liegt ein echoarmes Areal (7 × 3 cm). A u ~ r d e m sind dargestellt: die Leber (L), beide Nieren (N) und die Wirbels~iule (WS).

(Abb. 3 (a)). Praevertebral liegt eine echonegative Zone, die den lymphographisch nachgewiesenen Metastasen eines Seminoms entspricht. Durch eine bisegmentale Telecobalt-

pendelbestrahlung mit einem Pendelwinkel von +40 bis + 140 Grad wiirde eine giinstige Dosisverteilung erreicht Abb. 3 (b) gibt den Isodosenverlauf wieder und zeigt die Lage des

Abb. 3 (b). Projektion des K0rperumrisses des gleichen Pat. auf das Ultraschalltomogramm. Der Isodosenverlauf bei bisectoraler Pendelbestrahlung zeigt die Dosisspitze im Tumor, bei geringer Belastung yon Darm, Nieren und Riickenmark.

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Tumors innerhalb des Bestrahlungsfeldes, bei geringer Strahlenbelastung von Darm, Nieren und Riickenmark. (b) Kontrolle des Therapieerfolges mit Ultraschall Fall IV. Bei einem 39-j~ihrigen Patienten mit

einem embryonalen Carcinom des linken Hodens ergab die Lymphographie einen ausgedehnten Befall der retroperitonealen LymphknOten (Abb. 4 (a)). Durch die Ultraschalluntersuchung konnte eine prae- und links paravertebral gelegene echonegative Zone dar-

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Abb. 4 (a). Lymphographie eines Pat. mit malignem Teratom. S~imtliche Lymphknoten sind aufgelockert und vergr6Bert.

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Abb. 4 (b). Kontrolleder Lymphographienach Bestrahlungder paravertebralen Lymphknotenvon dorsal. Der Lymphknotenlinks paravertebral, in H6he von L3 hat sich verkleinert. gestellt werden (Abb. 5 (a)). Ebenso wie bei dem oben erw/ihnten Patienten (Abb. 2 (c)) wurde die Bestrahlung von zwei dorsalen nach medial geneigten Photonenfeldern aus begonnen und

sollte sp~iter von einem ventralen Elektronenfeld aus aufges~ittigt werden. Laufende Kontrollen des Befundes zeigten w/ihrend der Bestrahlung von dorsal eine Verkleinerung der

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Abb. 5 (a). Ultraschalltomogrammin Rtickenlage des Pat. von Abb. 4. Es findet sich eine echonegative Zone prae- und finks paravertebral, die vergr6~rten Lymphknoten (LK) entspricht. AuBerdemsind die Nieren (M) und die Wirbels~iule(WS) dargestellt. links paravertebral gelegenen Tumoranteile (Abb. 5 (b)), (Abb. 4 (b)), w~ihrend das praevertebrale echonegative Areal noch keine Befund~inderung erkennen lieB. Fall V. Veranschaulicht, dab Verlaufskontrollen eine ~ n d e r u n g des Bestrahlungsplanes herbeifiihren k6nnen. Bei der 62-j~ihrigen Patientin wurde 1969 die Exstirpation beider Adnexe wegen eines schleimbildenden Adenocarcinoms des Ovars durchgeftihrt. Die anschlieBende Strahlentherapie bestand in intrauterinen Radiumeinlagen und einer perkutanen Bestrahlung des kleinen Beckens. 1972 wurde bei einer gyn~ikologischen Kontrolluntersuchung ein retrouterin gelegenes Tumorrezidiv festgestellt. Die Ultraschalluntersuchung (II. Univ. Frauenklinik) zeigte einen 11 : 11 : 7 cm groBen retrouterin gelegenen Tumor. Das

Tumorrezidiv (Abb. 6) wurde durch eine Bewegungsbestrahlung mit Photonen behandelt. Laufende Befundkontrollen konnten auch nach Applikation von 3000 rad keinen Tumorriickgang registrieren. Die [Jberprtifung des Feldes best~itigte seine korrekte Lage. Es muBte deswegen eine Strahlenresistenz des Tumors angenommen werde, die eine Umstellung der Behandlung auf Bestrahlung bei Sauerstoffiiberdruck erforderte. DISKUSSION

Die Falldemonstrationen sollten ein Beispiel fiir charakteristische Situationen in der Strahlentherapie geben. Sie zeigen, dab der Ultraschall bei der Aufstellung des Bestrahlungsplanes fiir den Abdominal- und extraperitonealen Bereich eine Individualisierung

Abb. 5 (b). Kontrolledes Befundesnach Applikationvon 3000rad von zweidorsalenPhotonenfeldernaus: Schrumpfung und Durchsetzungmit Echos des links paravertebral gelegenenGebietes. Keine Anderung des praevertebralgelegenenTumoranteiles(LK).

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Abb. 6. Ultraschalltomogramm2 cm oberhalb der Symphysebei einer Pat. mit einemOvarialtumor. Die Blasenhinterwand(BL)wirddurch den Uterus (UT)vorgew61bt.An den Uterusgrenztdorsalan ein echoarmesgut begrenztesGebeit(TU),dessenlateraleGrenzenmarkiertsind. Siereichenbis an die Beckenwand (BW) rechts. des Bestrahlungsplanes gestattet, wie sie durch keine andere Methode erreicht werden kann. Damit daft weitgehend auf die schematisierenden Atlanten verzichtet werden, die zu Fehlern in der Bestrahlungsplanung fiihren miissen. Ein ganz wesentlicher Vorteil der Ultraschalltomographie ist auch die Erfassung von Feldverschiebungen durch ,~nderungen des Funktionszustandes von Nachbarorganen. Von Cohen (1971) wurde auf die Feldverschiebung durch Respiration hingewiesen. Die Wanderung eines Blasentumors innerhalb der Isodosenfelder bei )i,nderung des Fiillungszustandes der Blase hat Weyrauch 1971 beschrieben. Gleiches gilt auch fiir die Bestrahlungsplanung bei gyn~ikologischen Tumoren, deren Lokalisation und Bestrahlungsplanung mittels Ultraschall bei extrem gefiillter Blase und z. T. auch stark luftgebl~ihtem Rectum (Reisner, 1970) vorgenommen wird. Hier wird kiinstlich eine Lageverschiebung der Organe erzeugt, deswegen sollte die Untersuchung mit stark gefiillter Blase nut zu diagnostischen Zwecken beniitzt werden. Das Verfolgen des Therapieverlaufes durch h/iufige Ultraschallkontrollen erm6glicht eine laufende Adaptation des Behandlungsplanes

an den Befund. Die Feldgr6Be kann dem kleinerwerdenden Tumor angepaBt werden und dadurch die den Pat. erheblich belastende Volumendosis reduziert werden. Dabei zeigt sich die Riickbildung des Tumors an der Verkleinerung der echonegativen Zone, oft auch erst im Auftreten von Wiederholungsechos in vorher ganz homogenen Arealen. Die Feldeinstellung kann im Abdominalbereich durch Ultraschal! genauer als durch die iJblichen r6tgenologischen Feldkontrollen iiberpriift werden. Es kann z. B. die mit dem Backpointer markierte Pendelebene im Ultraschalltomogramm durch ein stehendes Echo markiert werden und so veranschaulicht werden, ob der Tumor in der Pendelebene liegt oder nicht. Dadurch ist es m6glich, Fehler zu vermeiden, oder rechtzeitig zu korrigieren. Bei korrekter Lage des Feldes und fehlender Riickbildungstendenz des Tumors muB an eine Strahlenresistenz der Geschwulst gedacht werden, die eine rechtzeitige Umstellung des Bestrahlungsplanes, z. B. auf die Sauerstoffiiberdruckbehandlung, erforde~'t. Durch die Ultraschalltomographie wird es m6glich, bei geeigneter Tumorlage die Wirkung unterschiedlicher Fraktionierungsschemata

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oder unterschiedlicher Strahlenqualit/iten zu objektivieren. Die skizzenhaft aufgezeigten Anwendungsbereiche des Ultraschalls in der Strahlentherapie zeigen, dab dieses Verfahren schon jetzt seinen festen Aufgabenbereich hat und dern Strahlentherapeuten neben der reinen Organlokalisation auch einen Einblick in die biologische Reaktion der Geschwulst erm6glichen kann. LITERATUR Alth, G., Kratochwil, A. und Hofner, W. (1971) Zur Herdsuche in der gyn~ikologischen Strahlentherapie. Strahlentherapie 142, 303-307. Barnett, E. und Morley, P. (1971): Ultrasound in the investigation of space-occupying lesions of the urinary tract. Brit. J. Radiol. 44, 733-742. Cohen, W. N. und Curtis Hass, A. (1971) The Application of B-scan ultrasound in the planning of radiation therapy treatment ports. Am. J. Roentgen. 111, 184-188. Damascelli, B., Fossatti, F., Livraghi, T. und Severini, A. (1969) B-scan ultrasound exploration of neoplastic disease. Am. J. Roentgen. 105, 428-437. Frommhold, H. und Hfinig, R. (1970) Leistungsf~ihigkeit und Grenzen der Ultraschallecholaminographie. Fortsch. Roentgen. 112, 83-97. K~ircher, K. H. (1971) Die Anwendung des Ultraschalls in der Strahlentherapie. Strahlentherapie 141, 666-668.

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