Martijn De Vries

Brachytherapie (BT) is een veilige en effectieve techniek om niet-uitgezaaide prostaatkanker te behandelen (lokale prostaatkanker). In de huidige klinische praktijk komen echter toch geregeld problemen voor bij het plaatsen van de BT-naalden in de prostaat ten behoeve van de daaropvolgende bestraling. Tussengelegen structuren kunnen de toegang tot de prostaat blokkeren, terwijl naald-weefsel interacties een onverwachte afbuiging van de naald kunnen veroorzaken. Deze situaties zijn ongewenst, aangezien ze kunnen leiden tot onvoldoende bestraling van de prostaat. Dit kan resulteren in een minder effectieve behandeling of kan zelfs leiden tot de exclusie van patiënten. In de literatuur zijn er verschillende technieken gepresenteerd om deze gevaren te mitigeren. Een actief stuurbare naald wordt hierbij als veelbelovend concept beschouwd. Het vervaardigen en reinigen van dergelijke ontwerpen is echter vaak complex, terwijl de lage rigiditeit van de naalden de controle kan beperken en het risico op knikken vergroot tijdens het penetreren van stijvere weefsels zoals de prostaat. Deze factoren zorgden er tot op heden voor dat implementatie in BT-protocollen een uitdaging was.

In dit proefschrift wordt een unieke stuurtechniek voorgesteld waarmee flexibiliteit bij het positioneren van BT-naalden verbeterd zou kunnen worden, terwijl naaldrigiditeit behouden blijft. Met behulp van actieve sturing aan de tip van de naald kunnen onverwachte afbuigingen in het weefsel beheerst worden en kunnen er gecontroleerde kromme naaldtrajecten worden gecreëerd om tussengelegen structuren te omzeilen. In dit onderzoek evalueren wij of deze oplossing ervoor kan zorgen dat een grotere groep prostaatkankerpatiënten behandeld zou kunnen worden door middel van high-dose-rate (HDR) BT. Daarnaast onderzoeken wij twee andere sturingstechnieken voor BT in de prostaat en hersenen.

Om de criteria voor naaldsturing bij prostaat BT te definiëren, zijn de potentiële gevaren met betrekking tot de plaatsing van naalden onderzocht, met speciale aandacht voor (1) beperkingen bij het bereiken van de prostaatklier doordat het schaambeen in de weg ligt, gewoonlijk aangeduid als pubic arch interferentie (PAI), en (2) fouten bij het positioneren van de naald. De mate van PAI is gekwantificeerd om de benodigde sturing van de naald te bepalen, terwijl momenteel gehanteerde klinische richtlijnen inzicht gaven in de maximaal toegestane fout bij het positioneren van een naald. Daarnaast zijn er datasets van patiënten met een groot prostaatvolume geanalyseerd, omdat normaliter verwacht wordt dat deze groep patiënten een grotere kans op PAI heeft. Daarom komt het vaak voor dat deze patiënten op voorhand al niet in aanmerking komen voor BT. In tegenstelling tot de relatie die in de literatuur is gerapporteerd, vonden wij geen duidelijk verband tussen prostaatvolume en PAI. Onze analyse toonde aan dat het niveau van PAI tussen patiënten varieert van geen PAI tot een significante hoeveelheid PAI. Deze variatie impliceert dat de huidige benadering mogelijk patiënten uitsluit die potentieel in aanmerking zouden kunnen komen voor een behandeling met BT. De bevindingen van dit onderzoek pleiten daarom voor een meer intra-operatieve benadering met een grotere flexibiliteit bij het positioneren van de naalden, hetgeen door onze stuurtechniek kan worden geboden.

Prototypes van het naaldontwerp zijn ontwikkeld en vervolgens getest in fantomen en ex-vivo weefsel. De resultaten toonden aan dat de stuurbare naald een vergelijkbare plaatsingsnauwkeurigheid heeft als de conventionele rigide HDR BT-naald, terwijl de stuurbare naald ook langs een gebogen traject ingebracht kan worden. Tevens is een preklinische validatietest van de stuurbare naalden uitgevoerd in de conventionele BT-setting met een ontwikkeld prostaatfantoom door ervaren clinici op het gebied van BT. Het plannen van de gebogen trajecten om het schaambeen te omzeilen was eenvoudig te realiseren en de stuurbare naalden werden succesvol ingebracht. Het resultaat was een uitstekende consistentie tussen de behandelplannen voorafgaand aan en na afloop van de naaldimplantaties. Dit experiment leverde overtuigend bewijs dat stuurbare naalden een zeer conforme dosisverdeling in de prostaat kunnen bereiken.

In dit onderzoek zijn alle noodzakelijke stappen voltooid om in de toekomst klinische testen uit te voeren met dit medische instrument, waarbij CE-certificering nog niet aanwezig is. Wij hebben het Investigational Medical Device Dossier (IMDD) samengeld in overeenstemming met de Medical Device Regulation 2017/745 (MDR) om de veilige toepassing van deze stuurbare naald bij menselijke patiënten te waarborgen.

Dit proefschrift presenteert een unieke stuurbare naald die gereed is voor klinisch onderzoek. De experimenten, geometrische analyse en de dosimetrische analyse tonen de meerwaarde van dit instrument aan voor HDR prostaat BT. Deze ontwerpoplossing biedt de clinicus een verbeterde controle en flexibiliteit bij het plaatsen van de naald en garandeert een meer intra-operatieve en patiënt-specifieke aanpak. Hierdoor kan deze doorbraak ervoor zorgen dat HDR BT een mogelijke behandeloptie wordt voor prostaatkankerpatiënten die momenteel niet in aanmerking komen vanwege een te grote prostaat en/of PAI. Door middel van eenvoudige aanpassingen aan de ontwerpparameters kan dit sturingsprincipe ook voor andere medische toepassingen worden gebruikt die mogelijk baat hebben bij de stuurbaarheid van een instrument.

Introduction

1.1 BACKGROUND

Worldwide, cancer is a serious health problem with an estimated amount of 19.3 million new cases presented every year and 10.0 million deaths in 2020 [1]. This destructive disease, characterised by uncontrolled cell differentiation, is rated second in leading causes of death in the United States [2]. Current possible cancer treatments include surgery, medicines and radiation therapy to kill or stunt the growth of malignant tumour cells. One type of radiation therapy can be applied internally, known as brachytherapy (BT). This modality has gained wide acceptance as a treatment option for organ-confined tumours. The success of BT has increased with the emerging imaging modalities, technological advances and individual treatment planning possibilities.

1.2 BRACHYTHERAPY

BT is a minimally invasive procedure that is well-suited for treating various tumour sites in the body, including the breast, cervix and prostate. The term "brachy" is derived from the Greek word for "short", referring to the fact that radioactive sources are positioned inside or in the vicinity of the area that requires treatment. The sources are delivered through needles and left in situ for a specified amount of time to deliver the required doses of radiation, depending on the cancer type, the specific BT technique and the treatment plan. In interstitial BT, the needles are inserted through the skin and into soft tissue, guided towards the target volume using imaging techniques such as ultrasound (US), magnetic resonance imaging (MRI), or computed tomography (CT). Because each source contribution has a heterogeneous dose distribution, the dose around the needles is much higher compared to the