Expanding the Possibilities of Prone Crawl Positioning for Breast Radiotherapy

Borstkanker is de meest voorkomende kanker bij vrouwen wereldwijd. België heeft een van de hoogste incidenties, waarbij momenteel 1 op 9 vrouwen in haar leven de diagnose zal krijgen. De behandeling van borstkanker is vaak multimodaal en wordt besproken door een multidisciplinaire groep van specialisten. In deze thesis leggen we ons toe op radiotherapie na borstsparende heelkunde. Radiotherapie gebruikt hoogenergetische stralen van geïoniseerde deeltjes om kankercellen te doden. Zowel kankercellen als gezonde cellen kunnen beschadigd worden door bestraling. Zodoende is het doel van radiotherapie ook om zo min mogelijk gezonde cellen te bestralen. Voor sommige organen, zoals het hart en de longen, kunnen late neveneffecten zelfs tot sterfte lijden en dus de voordelen van radiotherapie tenietdoen. De patiëntpositie is een van de vele parameters die de bestralingsbehandeling kan beïnvloeden. Daarenboven vergt deze relatief weinig technologische en financiële investeringen. De meeste radiotherapiecentra behandelen hun patiënten in de ruglighouding. Desondanks bestaan er verschillende aanwijzingen die pleiten in het voordeel van de buiklighouding. De buiklighouding kent onder meer een betere dosisverdeling in de borst, spaart vitale organen beter en veroorzaakt minder acute toxiciteit. Ondanks deze voordelen is de buiklighouding in weinig ziekenhuizen de standaardpositie geworden. Dit komt doordat deze positie zich moeilijker exact laat herhalen, hetgeen finaal tot langere tijdsloten in de bestralingsruimte leidt. Daarnaast is het comfort van de patiënt vaak minder groot dan in de ruglighouding. Tot slot laten de meeste buikligtoestellen geen bestraling van de regionale lymfeklieren toe, hetgeen een respectabel deel van de patiëntenpopulatie uitsluit. Klinisch onderzoek aan UZ Gent en UGent richtte sinds 2008 zich op het aanwenden van de voordelen van de buiklighouding en het vermijden van diens nadelen. Dit leidde tot een co-creatietraject tussen de UGent-onderzoeksgroepen Radiotherapie en design.nexus. Het resultaat was een nieuwe buikligpositie en bijbehorend positioneringsplatform, de Prone Crawl Breast Couch (PCBC). Een karakteristieke eigenschap hiervan is de blootstelling van de schouder en het bovenlichaam, hetgeen de bestralingstoegang tot de borst en regionale lymfeklieren (inclusief de mammaria interna-keten) vergroot. Andere nadelen van de klassieke buiklighouding, zoals verlaagd patiëntcomfort en lage set-upprecisie, werden ook aangepakt en bewezen doorheen verschillende studies. Verschillende PCBC-versies werden ontwikkeld en verschillende studies rond de crawl-buiklighouding werden gepubliceerd in de periode voor het huidige doctoraatstraject. Niettegenstaande bleven nieuwe ontwikkelingen nodig en bleven er verschillende onderzoeksopportuniteiten over. Het overkoepelende doel van dit doctoraatstraject was om de toepasbaarheid van de crawl-buiklighouding te vergroten, zodat deze therapie beschikbaar kan worden voor een grotere patiëntenpopulatie. Bij de nieuw PCBC-versies focusten we vooral op de praktische hanteerbaarheid en een hogere gebruikersacceptatie. Bij nieuwe dosimetrische studies focusten we op het verbreden van het medische toepassingsgebied voor de crawl-buiklighouding. Drie PCBC-versies werden (verder) ontwikkeld tijdens dit doctoraat, met name de BC3, BC3-MRI en de BC4. Voor de praktische ontwikkeling hiervan pasten we verschillende ontwerpmethodes toe, waaronder Research through Design, co-design en systeemontwerp. De nadruk lag op de iteratieve ontwikkeling van prototypes in samenspraak met een breed spectrum aan stakeholders, met vele interdisciplinaire interacties tot gevolg. De BC3 werd verder ontwikkeld zodat 16 toestellen ingezet konden worden in de eerste multicentrische studie. Deze studie zou ons naast een grotere steekproefomvang ook voorzien van feedback van externe gebruikers. Een MRI-compatibele subversie van de BC3 werd ontwikkeld voor onderzoeksdoeleinden. Deze BC3-MRI werd vervolgens gebruikt door collega-onderzoekers om a) specifieke contourvoorschriften op te stellen voor de crawl-buiklighouding en b) het ontwikkelen van een nieuw protocol voor verlengde ademhalingstops in functie van een verlaagde bestralingsdosis op het hart. Het BC3-toestel had een opvolger nodig aangezien het ontwerp geen verdere opschaling toeliet en verschillende functionaliteiten miste. Daarop ontwikkelden we de BC4, het laatste onderzoekstoestel vooraleer een commercialisatie kan plaatsvinden. De BC4 maakt een visuele feedback mogelijk voor diepe ademhalingstops en voorziet een verbeterde gebruikerservaring ten opzichte van diens voorgangers. Alle functionaliteiten van BC3 bleven bewaard, doch startten we van een leeg blad voor de materialisatie ervan. De ontwikkeling van een monocoque-structuur in koolstofvezelcomposiet, als voorname ondersteuningsoppervlak voor het lichaam, bleek de grootste uitdaging. We ontwikkelden een geschikte composietstructuur in verschillende stappen. Als eerste voerden we een experiment met 9 proefpersonen uit rond de verdeling van het lichaamsgewicht. Hierdoor kregen we een zicht op de krachten die op het ondersteunende vlak inwerken. Vervolgens deden we computersimulaties om het vervormingsgedrag onder belasting te analyseren en de invloed van parameters zoals de opbouw te onderzoeken. Samen met onze composietfabrikant ontwikkelden we nadien een nieuwe monocoque in koolstofvezelcomposiet. Tot slot onderwierpen we het geassembleerde toestel ook aan de realiteit door belastingstesten uit te voeren. Hierbij brachten we stapsgewijs gewichten toe als puntlast en onderzochten we het vervormingsgedrag. Voor het medisch onderzoeksgedeelte van dit doctoraat voerden we twee voornamelijk dosimetrische studies uit. In de eerste studie kwantificeerden we de dosimetrische effecten van de combinatie tussen diepe ademhalingstops en de crawl-buiklighouding, voor zowel foton- als protonplannen. Beeldvormingstudies rond de klassieke buiklighouding toonden reeds aan dat een diepe ademhalingstop het hart doet wegtrekken van de doelstructuren, hetgeen leidt tot lagere hartdoses. Daarom leek het interessant om te onderzoeken of deze voordelen zich ook voordoen in de crawl-buiklighouding. Voorts wisten we dat protonbestraling de dosis op vitale organen nog verder kan verlagen dan de traditionele fotonbestraling. Wel zou de ademhalingsbeweging van de ademhalingstop dit voordeel deels teniet kunnen doen. Daar de crawl-buiklighouding een kleinere ademhalingsbeweging kent dan de ruglighouding, vermoedden we dat de combinatie van protonbestraling en diepe ademhalingstops een groter voordeel zou kunnen hebben in de (crawl-)buiklighouding. Deze studie focuste op patiënten die bestraald worden op zowel de borst als de regionale lymfeklieren, omdat deze groep aan hogere hart- en longdoses wordt blootgesteld. Dit was de eerste studie die de effecten van de diepe ademhalingstop op de crawl-buiklighouding onderzocht. Als resultaat zagen we dat de ademhalingstop een significante verlaging van de hartdosis gaf in de crawl-buiklighouding, zowel voor foton- als protonbestraling. Bij de fotonbestraling zagen we dat de combinatie van de crawl-buiklighouding en diepe ademhalingstops voor substantieel lagere hart- en longdoses zorgde dan bij een gewone ademhaling. Deze studie draagt bij tot het bewijs dat de combinatie van buiklig en diepe ademhalingstops een van de meest voordelige manieren is voor borst-en-lymfeklierpatiënten te bestralen met fotonen. Voor de tweede medische studie vergeleken we de dosimetrische uitkomsten van drie patiëntposities (ruglig, traditionele buiklig en crawl-buiklig) voor vier verschillende bestralingstechnieken. Deze studie focuste op patiënten die enkel op de borst bestraald worden en was de eerste studie waarbij de crawl-buiklighouding in deze context bekeken werd. De crawl-buiklighouding werd destijds namelijk specifiek ontworpen voor patiënten die ook bestraald worden op de regionale lymfeklieren. Het was ook de eerste studie waarbij de traditionele buiklig en de crawl-buiklig zowel dosimetrisch als anatomisch vergeleken werden. Deze studie kan in het bijzonder relevant zijn voor centra met een beperkte technische uitrusting, daar een omslag in patiëntpositie een gebrek aan geavanceerde bestralingstechnieken zou kunnen opvangen. In onze resultaten werden de gekende reducties van longdoses bevestigd voor beide buiklighoudingen, waarbij het voordeel het grootst was in de crawl-buiklighouding. Voor het hart vonden we geen verschillen tussen de klassieke buiklighouding en de ruglighouding, terwijl er voor linkszijdige patiënten een bescheiden hartdosisreductie was in de crawl-buiklighouding. De dosisverschillen tussen de klassieke buiklig en de crawl-buiklig werden verklaard door een grotere afstand tussen de doelvolumes en de vitale organen. Samengevat stellen we dat beide buikligposities -op dosimetrisch vlak- een waardig alternatief vormen voor de ruglighouding bij vrouwen die enkel op de borst bestraald worden. Het grootste dosisvoordeel vonden we voor de longen, terwijl de verschillen voor de hartdosis eerder beperkt waren. Dit laatste bevestigt de rol van diepe ademhalingstops voor hartdosisreductie in de verschillende houdingen. De PCBC wordt momenteel gebruikt in drie Belgische ziekenhuizen in de eerste multicentrische studie rond de crawl-buiklighouding. Alsook werd onlangs een eerste opvolgstudie rond acute toxiciteit gepubliceerd. Met Radion-D werd een universitaire spin-off opgericht die instaat voor de ontwikkeling en valorisatie van een commerciële PCBC-versie. Deze stap is nodig om uit de academische muren te breken en deze therapie breed toegankelijk te maken in vele radiotherapiecentra.Breast cancer is the most frequent cancer for women worldwide. Belgium has one of the highest incidence rates, with 1 out of 9 females that are currently expected to get diagnosed in their lifetime. The treatment of breast cancer is mostly multimodal and decided upon by a multidisciplinary team. In this thesis we focus on radiotherapy after breast-conserving surgery. Radiation therapy uses high-energy beams of ionised particles to kill cancer cells. Both healthy and cancerous cells get damaged through irradiation, so the goal of radiotherapy should also be to destroy as few healthy cells as possible. For some organs, like the heart and lungs, late side effects may even lead to mortality and thus counteract the benefits of radiotherapy. The patient position is one of many parameters to influence the radiation treatment and requires relatively little technology and investments. Most radiotherapy centres treat their patients in the supine position, although there are well described advantages for treatment in the prone position. These include better dose distribution to the target structures, better sparing of vital organs, and less acute toxicity. Despite its advantages, prone positioning has never been able to counter the dominance of supine positioning. It has been suggested that prone positioning is more difficult to reproduce, making it less accurate and finally leads to longer treatment slots. The patient’s comfort is also not always guaranteed. Finally, the traditional prone position does usually not allow for targeting regional lymph nodes, which excludes a respectable part of the patient population. Research at Ghent University Hospital was aimed at exploiting the benefits of prone positioning while avoiding its disadvantages. This evolved into a co-creation trajectory between Ghent University’s Radiation Oncology Research Group and design.nexus Research Group. The result was a novel patient position and an according positioning device, the Prone Crawl Breast Couch (PCBC). A distinguishing feature hereby is the exposure of the patient’s shoulder and upper torso, which improves beam access to the breast, regional lymph nodes and the internal mammary chain. Other disadvantages of traditional prone positioning such as patient discomfort and low setup accuracy, were also tackled and proven through studies. Different PCBC versions were developed and several studies on prone crawl positioning were published prior to this PhD-trajectory. Nonetheless, novel developments were necessary and various research opportunities remained. Altogether, the purpose of this PhD-trajectory was to broaden the applicability of prone crawl positioning, in order to make prone crawl radiotherapy accessible for a larger patient population. New device versions focussed on the practical employability and improved user acceptance, while new dosimetrical studies focussed on broadening the medical scope of prone crawl positioning. Three PCBC versions were (further) developed during this PhD: BC3, BC3-MRI and BC4. For the practical development we applied different approaches including Research through Design, co-design, and systemic design. An emphasis was placed on the iterative development of physical prototypes together with a variety of stakeholders, with many interdisciplinary interactions. The BC3 was further adapted to enable the deployment of 16 devices in the first multicentric study, which delivered us with external user feedback and larger sample sizes. An MRI-compatible subversion of the BC3 was developed for research purposes. The BC3-MRI was subsequently used by fellow researchers in a) the development of specific delineation guidelines for prone crawl positioning, and b) the investigation of a novel protocol for prolonged deep-inspiration breath holds. The BC3 needed a successor as it could not be scaled up any further and lacked some functionalities. The latest version, BC4, is the last research device before commercialisation and was developed for further upscaling the research. BC4 enables a visual feedback for deep-inspiration breath hold and brings improved user experience compared to its predecessors. All functionalities of BC3 were maintained, yet we started from a blank page for the materialisation. The development of a carbon monocoque structure for the main body support surface proved the most challenging. We developed a suitable composite via different steps. First, we performed a weight distribution experiment with volunteers to find out what forces the body support surface endures. Next, we did a Computer Aided Engineering analysis to investigate the deformation behaviour under load and the influence of parameters such as the composite lay-up. Together with our composite manufacturer we then developed the new monocoque structure in carbon composite. Finally, the assembled device was structurally tested by gradually loading weights and investigating its deformation behaviour. For the medical research we performed two mainly dosimetrical studies. In the first study we quantified the dosimetrical effects of combining deep-inspiration breath hold (DIBH) with prone crawl positioning, for both photon and proton plans. Imaging studies in the traditional prone position showed that DIBH retracts the internal mammary chain away from the heart, which causes lower heart doses. It was relevant to investigate whether these benefits alco occur with prone crawl positioning. Furthermore, proton therapy is able to decrease doses to organs-at-risk beyond what is possible with photon techniques. Nonetheless, the breathing motion of DIBH could potentially diminish this advantage. As the prone crawl position reduces the breathing motion of important areas, the benefit of applying proton therapy with DIBH could be larger in prone crawl than in supine position. This study focussed on patients requiring breast and locoregional therapy, as this patient group risks higher doses to heart and lungs than breast-only patients. This was the first study to evaluate the effect of DIBH on prone crawl positioning. DIBH in prone crawl position significantly decreased doses to heart, for both proton and photon radiotherapy. For photon treatment, combining prone crawl and DIBH allows for achieving substantially lower heart and lung doses than prone crawl with SB. This study adds to the evidence that prone-DIBH might become the most promising way for breast cancer patients to undergo photon radiotherapy. For the second medical study we compared the dosimetrical outcomes of three patient positions (supine, traditional prone, and prone crawl) for four irradiation techniques in breast-only radiotherapy. This was the first study to compare traditional prone and prone crawl positioning dosimetrically and anatomically. It was also the first study to investigate prone crawl positioning in breast-only radiotherapy, as the PCBC was originally developed for breast and locoregional therapy. This study is of particular interest to radiotherapy centres with limited technical resources, as a switch in patient setup may counter the lack of advanced irradiation techniques. The important lung-sparing effect was confirmed for both traditional prone and prone crawl positioning, and was largest for prone crawl. For the heart, no differences were found between traditional prone and supine, whilst the left-sided prone crawl position showed cardiac advantages. Compared to traditional prone, advantages for prone crawl positioning can be explained by a larger distance between the target volume and the organs-at-risk. Altogether, both prone positions proved to be valid alternatives to the supine position in breast-only irradiation, with largest advantages for the lung structures. For the heart, differences were small which establishes the role of deep-inspiration breath holding in the different patient positions. The PCBC is currently being used in three Belgian hospitals for the first multicentric trial on prone crawl positioning. Also, the first follow-up study on acute toxicity was recently published. A university spin-off , Radion-D, was established to develop and distribute a commercial version of the PCBC. This is a necessary step to get the device beyond academic research into broad adoption by radiotherapy centres