Publication date: Available online 13 November 2018
Source: Journal of Medical Imaging and Radiation Sciences
Author(s): Chandler Sours Rhodes, Hao Zhang, Kruti Patel, Nilesh Mistry, Young Kwok, Warren D. D'Souza, William F. Regine, Rao P. Gullapalli
Abstract
Background
Functional magnetic resonance imaging (fMRI) presents the ability to selectively protect functionally significant regions of the brain when primary brain tumors are treated with radiation therapy. Previous research has focused on task-based fMRI of language and sensory networks; however, there has been limited investigation on the inclusion of resting-state fMRI into the design of radiation treatment plans.
Methods and materials
In this pilot study of 9 patients with primary brain tumors, functional data from the default mode network (DMN), a network supporting cognitive functioning, was obtained from resting-state fMRI and retrospectively incorporated into the design of radiation treatment plans. We compared the dosimetry of these fMRI DMN avoidance treatment plans with standard of care treatment plans to demonstrate feasibility. In addition, we used normal tissue complication probability models to estimate the relative benefit of fMRI DMN avoidance treatment plans over standard of care treatment plans in potentially reducing memory loss, a surrogate for cognitive function.
Results
On average, we achieved 20% (P = 0.002) and 12% (P = 0.002) reductions in the mean and maximum doses, respectively, to the DMN without compromising the dose coverage to the planning tumor volume or the dose-volume constraints to organs at risk. Normal tissue complication probability models revealed that when the fMRI DMN was considered during radiation treatment planning, the probability of developing memory loss was lowered by more than 20%.
Conclusion
In this pilot study, we demonstrated the feasibility of including rs-MRI data into the design of radiation treatment plans to spare cognitively relevant brain regions during radiation therapy. These results lay the groundwork for future clinical trials that incorporate such treatment planning methods to investigate the long-term behavioral impact of this reduction in dose to the cognitive areas and their neural networks that support cognitive performance.
Résumé
Contexte
L'imagerie par résonance magnétique fonctionnelle (IRMf) permet de protéger de manière sélective des régions fonctionnellement importantes du cerveau lorsque des tumeurs cérébrales primaires sont traitées par radiothérapie. Des recherches antérieures ont mis l'accent sur l'IRMf basée sur les tâches des réseaux langagiers et sensoriels; il y a cependant eu peu d'études sur l'inclusion de l'IRMf au repos (IRMf-rs) dans la conception des plans de traitement en radiothérapie.
Méthodologie et matériel
Dans cette étude pilote mené auprès de neuf patients atteints de tumeurs cérébrales primaires, les données fonctionnelles du réseau du mode par défaut (MPD), un réseau qui soutient les fonctions cognitives, ont été obtenues par IRMf-rs et incorporées de manière rétrospective dans les plans de traitement. Nous avons comparé la dosimétrie de ces plans de traitement d'IRMf évitant le MPD avec les plans de traitement de la norme de soins afin d'en démontrer la faisabilité. De plus, nous avons utilisé des modèles de probabilité de complication des tissus sains (NTCP) pour estimer les avantages relatifs des plans de traitement sur les plans de traitement de la norme de soins dans la réduction potentielle de la perte de mémoire, un indicateur de la fonction cognitive.
Résultats
En moyenne, nous avons obtenu des réductions de 20% (P = 0,002) et de 12% (P = 0,002) de la dose moyenne et maximale, en regard du MDN, sans compromettre la couverture de dose du volume tumoral de planification ou les contraintes de dose-volume pour les organes à risque. Les modèles de NTCP montrent que lorsque l'IRMf évitant le MPD était envisagée durant la planification du traitement de radiothérapie, la probabilité de perte de mémoire était réduite de plus de 20%.
Conclusion
Dans cette étude pilote, nous avons démontré la faisabilité d'inclure les données d'IRMf dans la conception des plans de traitement en radiothérapie afin d'épargner les régions cognitivement pertinente du cerveau durant la radiothérapie. Ces résultats établissent les bases pour des essais cliniques futurs incorporant de telles méthodes de planification de traitement afin d'étudier les effets à long terme sur le comportement de cette réduction de dose sur les aires cognitives et les réseaux neuronaux qui appuient le rendement cognitif.
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