Das Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (SAIGRT): von der Entwicklung bis zur Praxisreife

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann.The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation

Das Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (SAIGRT): von der Entwicklung bis zur Praxisreife

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann.The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation

Das Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (SAIGRT): von der Entwicklung bis zur Praxisreife

Das entwickelte Bildgeführte Präzisionsbestrahlungsgerät für Kleintiere (engl. Small Animal Image-Guided Radiation Therapy – SAIGRT) dient der schnellen, hochauflösenden Röntgenbildgebung und präzisen, konformalen Bestrahlung von Kleintieren im Rahmen präklinischer in-vivo Experimente für die translationale Krebsforschung. Speziell programmierte Softwares zur Gerätesteuerung sowie zur Bildkorrektur- und Bildrekonstruktion auf dem zentralen leistungsfähigen Arbeitsplatz-PC stellen alle Gerätefunktionen zur Verfügung und ermöglichen durch automatisierte Abläufe und intuitive grafische Nutzeroberflächen eine einfache, sichere Bedienung. Für die Bestrahlungsplanung wird eine vollwertige, aus der humanen klinischen Strahlentherapie adaptierte 3D-Bestrahlungsplanungssoftware eingesetzt, die etablierte Werkzeuge für den Transfer und die Koregistrierung multimodaler Bilddaten, die Konturierung und Segmentierung von Zielvolumina und Risikoorganen sowie die Erstellung und Validierung von Bestrahlungsplänen enthält. Die resultierende Dosisverteilung wird darin basierend auf dem individuellen CT-Datensatz des Versuchstieres und einem auf das SAIGRT angepassten Maschinenmodell mittels eines Monte-Carlo-Algorithmus exakt und realitätsnah simuliert. Durch geometrische Kalibrierungen und vielfältige Basisdatenmessungen für die Bildgebung und Bestrahlung im Rahmen der Gerätekommissionierung ist eine Zielgenauigkeit von ca. ±0,1 mm mit hoher geometrischer Abbildungstreue und guter Bildqualität bei Bildgebungsdosen vergleichbar denen klinischer Radiografie- und CT-Geräte möglich. Die Dosisverteilung zur Bestrahlung der Versuchstiere spiegelt bei der definierten Strahlungsqualität größenskaliert die humane Strahlentherapie mit hochenergetischer Photonenstrahlung von klinischen Linearbeschleunigern wider. Ein umfassendes Qualitätssicherungsprogramm bestehend aus regelmäßiger Wartung und wiederkehrenden Konstanzprüfungen der Bildgebung und Bestrahlung sichert dauerhaft den technisch einwandfreien Zustand und die ordnungsgemäße Verfügbarkeit aller Gerätefunktionen in gleichbleibender Güte. Das SAIGRT ist somit nachweislich geeignet, bildgeführte Bestrahlungen mit einem Ablauf analog dem einer modernen klinischen Strahlentherapie am Menschen in präklinischen in-vivo Experimenten präzise an Kleintieren zu applizieren. Es leistet dadurch einen essentiellen Beitrag zur translationalen Krebsforschung in Dresden, indem die klinische Situation realistischer modelliert und so potenziell die Übertragbarkeit der Ergebnisse auf Krebspatienten verbessert werden kann.The Small Animal Image-Guided Radiation Therapy (SAIGRT) platform facilitates fast, high resolution X-ray imaging and precise, conformal irradiation of small animals in preclinical in-vivo experiments for translational cancer research. Dedicated software for device control as well as image correction and reconstruction on a central high performance PC provide all device functions and allow simple and safe operation by automated procedures and intuitive graphical user interfaces. A fully 3D treatment planning software adapted from human clinical radiation therapy is used for treatment planning, containing established tools and methods for the transfer and registration of multimodality imaging data, contouring and segmentation of target volumes and organs at risk as well as creation and evaluation of treatment plans. Based on an individual CT scan of the small animal and a machine model adapted for the SAIGRT, the resulting dose distribution is simulated by a Monte-Carlo algorithm in a precise and realistic manner. Geometrical calibrations as well as manifold basic data measurements for X-ray imaging and irradiation during commissioning resulted in a targeting and imaging accuracy of about ±0.1 mm, a correct representation of imaging geometry and a good image quality with imaging doses comparable with those of clinical radiography and CT systems. Dose distribution of the defined beam quality used for irradiation of small animals reflects a downsized human radiation therapy using high energy photon beams of clinical linear accelerators. A comprehensive quality assurance program comprising regular maintenance and periodic constancy tests of X-ray imaging and irradiation ensures permanent technically perfect condition and proper availability of all implemented functions in a stable high quality. The SAIGRT platform is feasible for image-guided irradiations precisely applied to small animals in preclinical in-vivo experiments using a workflow of modern human radiation oncology. Thus, it significantly contributes to translational cancer research by more realistic modelling the clinical situation and potentially brings the results closer to their clinical implementation

Data publication: SAPPHIRE - Establishment of small animal proton and photon image-guided radiation experiments

This repository contains the data shown in the results part of the paper entitled: SAPPHIRE - Establishment of small animal proton and photon image-guided radiation experiments

Data publication: SAPPHIRE - Establishment of image-guided small animal proton and photon irradiation experiments

This repository contains the data shown in the results part of the paper entitled: SAPPHIRE - Establishment of image-guided small animal proton and photon irradiation experiments

Orthotopic Glioblastoma Models for Evaluation of the Clinical Target Volume Concept

In times of high-precision radiotherapy, the accurate and precise definition of the primary tumor localization and its microscopic spread is of enormous importance. In glioblastoma, the microscopic tumor extension is uncertain and, therefore, population-based margins for Clinical Target Volume (CTV) definition are clinically used, which could either be too small—leading to increased risk of loco-regional recurrences—or too large, thus, enhancing the probability of normal tissue toxicity. Therefore, the aim of this project is to investigate an individualized definition of the CTV in preclinical glioblastoma models based on specific biological tumor characteristics. The microscopic tumor extensions of two different orthotopic brain tumor models (U87MG_mCherry; G7_mCherry) were evaluated before and during fractionated radiotherapy and correlated with corresponding histological data. Representative tumor slices were analyzed using Matrix-Assisted Laser Desorption/Ionization (MALDI) and stained for putative stem-like cell markers as well as invasion markers. The edges of the tumor are clearly shown by the MALDI segmentation via unsupervised clustering of mass spectra and are consistent with the histologically defined border in H&E staining in both models. MALDI component analysis identified specific peaks as potential markers for normal brain tissue (e.g., 1339 m/z), whereas other peaks demarcated the tumors very well (e.g., 1562 m/z for U87MG_mCherry) irrespective of treatment. MMP14 staining revealed only a few positive cells, mainly in the tumor border, which could reflect the invasive front in both models. The results of this study indicate that MALDI information correlates with microscopic tumor spread in glioblastoma models. Therefore, an individualized CTV definition based on biological tumor characteristics seems possible, whereby the visualization of tumor volume and protein heterogeneity can be potentially used to define radiotherapy-sensitive and resistant areas

DataSheet_1_Combined proton radiography and irradiation for high-precision preclinical studies in small animals.pdf

Background and purposeProton therapy has become a popular treatment modality in the field of radiooncology due to higher spatial dose conformity compared to conventional radiotherapy, which holds the potential to spare normal tissue. Nevertheless, unresolved research questions, such as the much debated relative biological effectiveness (RBE) of protons, call for preclinical research, especially regarding in vivo studies. To mimic clinical workflows, high-precision small animal irradiation setups with image-guidance are needed.Material and methodsA preclinical experimental setup for small animal brain irradiation using proton radiographies was established to perform planning, repositioning, and irradiation of mice. The image quality of proton radiographies was optimized regarding the resolution, contrast-to-noise ratio (CNR), and minimal dose deposition in the animal. Subsequently, proof-of-concept histological analysis was conducted by staining for DNA double-strand breaks that were then correlated to the delivered dose.ResultsThe developed setup and workflow allow precise brain irradiation with a lateral target positioning accuracy ofConclusionProton radiography enables fast and effective high-precision lateral alignment of proton beam and target volume in mouse irradiation experiments with limited dose exposure. In the future, this will enable irradiation of larger animal cohorts as well as fractionated proton irradiation.</p