05.11.2019

1

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Dr. med. Rami El Shafie

Heidelberg Institute for Radiation Oncology(HIRO) Heidelberg University Hospital

Stereotactic Radiosurgeryfor intracerebral arteriovenous malformations

Agenda

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

• Indications for Radiosurgery

– Guideline recommentations

• Radiosurgery Techniques

– CyberKnife

– Proton Therapy

• Practical aspects of Radiosurgery

– Target Definition

– Dosimetric Evaluation

– Examples

INDICATIONS FOR STEREOTACTIC  RADIOSURGERY

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Interdisciplinary guidelines

– interdisciplinary AVM board

– consisting of neurosurgeons, neurointerventionalists, radiosurgeons, and  neurologists experienced in the diagnosis and treatment of brain AVM

– primary strategy should be defined by the multidisciplinary team prior to the  beginning of the treatment and should aim at complete eradication of AVM

– Balancing the risk of hemorrhage against the risks of treatment

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Interdisciplinary guidelines

Frequent indications for stereotactic radiosurgery (SRS)

– risk factors for rupturing (e.g. history, deep location, deep venous drainage,…)

– symptoms, deficits

– unresectable, resection risky, patient wish

– embolization not possible

– complementing incomplete embolization

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Efficacy of SRS

– Obliteration rates in literature:40‐90%

– strongly influence by prognostic factors

– average time to obliteration: 18months

– 90% chance of obliteration with a margin dose≥ 20Gy1

– between 12 and 22 Gy: approx. 25% increasein obliteration probability per Gy2

– larger nidus / larger margin dose= dose to healthy brain↑= complication risk↑

favorable prognostic factors:

• S‐M‐grade (I‐III)↓• nidus size↓• margin dose↑• (previous embolization)*• age↓• recent treatment

*complications ↑

unfavorable  prognostic factors:

• S‐M grade↑• age↑• nidus size↑• ruptured AVM• eloquent location

largest publishedmeta‐analysis:– 142 cohors, 13.698 patients, of those 9.436 treated with SRS– median FU: 30 months

1 Lunsford LD, Kondziolka D, Flickinger JC, et al. Stereotactic radiosurgery for arteriovenous  malformations of the brain. J Neurosurg. 1991;75(4):512‐524. doi:10.3171/jns.1991.75.4.0512.

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

2 Milker‐Zabel S et al. Proposal for a new prognostic score for linac‐based  radiosurgery in  cerebral arteriovenous malformations.  IJROBP. 2012;83(2):525‐532.doi:10.1016/j.ijrobp.2011.07.008.

1 2

3 4

5 6

05.11.2019

2

RADIOSURGICAL  TECHNIQUES / MODALITIES

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

A look at what‘s available…

CyberKnife+ robotic precision↑+ frameless

‐ treatment time↑‐ low dose↑

GammaKnife+ precision↑+ longestexperience

‐ frame‐based‐ treatment time↑‐ low dose↑

AdaptedLINAC+ availability↑+ cost↓

‐ frame‐based‐ precision↓‐ low dose↑

Protontherapy+ low dose↓+ large lesions

‐ availability ↓‐ cost↑‐ experience↓

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

robotic  

patientcouch

stereoscopicX‐rays  

(image guidance)

linearaccelerator

X‐ray detectors

Cyberknife M6 – stereotactic radiosurgery (SRS)

robot

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

The robotic approach

• Automated irradiation from multiple different angles “nodes” on a virtual  sphere around the target.

• typically 200‐400 beams per session (vs. 10‐15 at conventional linac)

Images courtesy of Accuray Inc.

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

protons

photons

Why use protons?• inverted depth dose profile

• max. dose deposition at  predefined depth  „Bragg  peak“

• less dose in entry‐ and exit  trajectories

• problems:

– lateral scattering  unsuitable  for small lesions

– range uncertainties for matter  with ↑↑or ↓↓ HU(e.g. air, metal, embolisate)1

.5cm

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Proton SRS

– largest analyzed collective– n = 248, median FU = 35 mo– AVM‐volume (median) = 3.5 ml– Dose (median) = 15 GyRBE– Outcome: 64.6% CO, median time to CO = 31mo

– Pos. prognostic factors:• smaller volume, higher margin dose, higher  

maximum dose– Neg. prognostic factors :

• deep location

Heidelberg experience with  proton SRS:

– 22 Patienten with large cAVM treated since  2012, mostly since 2015

– AVM‐volume (median) = 7,7 ml

– Dose (median) = 17 GyRBE

– median Follow‐up at present < 18Monate

– Early obliteration for 6/22 Patienten (27%)

– longer follow‐up pending

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

7 8

9 10

11 12

05.11.2019

3

Are protons better?

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

publication n= media

n FU

median

AVM

volume

total CO

rate

median

time to CO

% COat

5 yrs

% CO at

10 yrs

Photon‐SRS

Milker‐zabel et al.,

IJROBP, 2012

293 50 mo 3,1 ml 48% 26,9 mo 55% ‐

Starke et al.,

JNS, 2013

1012 96 mo 3,5 ml* 69% ‐ n/a ‐

Colombo et al.,

Neurosurgery, 1994

153 43

mo*

‐ 86% ‐ 86% ‐

Pollock, Flickinger,

JNS, 2002

220 ‐ 4,1 ml* 66% ‐ ‐ ‐

Proton‐SRS

Hattagandi et al.,

IJROBP, 2014

248 35 mo 3,5 ml 65% 31 mo 70% 91%

Vernimmen et al.,

IJROBP, 2005

64 ‐ 16,3 ml 67%(<14ml)

43% (>14ml)

‐ ‐ ‐

Blomquist et al.,

Acta oncol., 2016

65 49 mo 3 68% ca. 54 mo 54% 69%

*mean

Conclusion:– no evidence for better or faster

efficacy of proton SRS

– but no directly comparativedata available

– relevant aspects, independentof efficacy:

• dose distribution(less low‐dose for large lesions!)

• patient age( protons advantageous forchildren!)

• treatment time(shorter with protons)

• location(e.g. radionecrosis risk ↑ with protons  for periventricular lesions!)

TARGET DEFINITION

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

DynaCT, ConeBeam CT

significant reduction of the  contoured nidus volume  when using 3D rotational  

angiography

CBCT‐contoursmaller thanMRA‐contour

CBCT‐contoursmaller thanMRA‐contour

lowsimilarity   between  contours

In Summe:

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

– no significant change in  contour size

– median similarity only 52%

– relevant influence on dose  distribution

– no influence on brain  volume receiving more than  12 Gy (V12Gy)

Target definition

– 3D registration of all available imaging:

• treatment planning CT (for dose  calculation)

• 3D‐CBCT / DynaCT

• MRT TOF (native + contrast)

• T1‐weighted sequence (a.e.  MPRAGE, VIBE) for delineation of  organs at risk

– Gross target volume (GTV):• visible nidus, excluding feeders  

and veins– Planning target volume (PTV):

• GTV + 1 mm isotropic margin

– Dosepresciption:• 16 – 18 Gy @ 65%‐Isodose,  

depending on size and location• prescription to the PTV

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Zielvolumendefinition

Gross Target Volume (GTV) = green line

Planning Target Volume (PTV) = red line

margin dose = yellow line

PTV volume = 0.37ml

Gross Target Volume (GTV) = not visible

Planning Target Volume (PTV) = red line

margin dose = yellow line

PTV volume = 1.9ml

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

DOSIMETRIC EVALUATION

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

13 14

15 16

17 18

05.11.2019

4

Prospective treatment plan comparisonHeidelbergWorkflow:treatment planning for all AVM  patients by prospective  dosimetric comparison

target  definition

structure set  export

treatment plan  calculation for  CyberKnife and  

protons

comparisonconsideringall  

relevant  aspects

decision ontreatmenttechnique

Decision criteria:

dosimetric criteria• conformity and dose gradient – High‐dose „spill“ surrounding targetvolume?• coverage – entire target covered?  relevant for complex shapes andgeometries• mid‐ and low‐dose distribution – Comparison of V10Gy and V12Gy volumes• organs at risk –Which technique achieves better sparing of critical adjoining organs at risk?• beam trajectories – Are there relevant limitations? (e.g.embolisate,artefacts)

clinical criteria• treatment time – relevant for pa ents with clinical performance ↓, clasutrophobic patients• location – periventricular lesion?  higher risk for necrosis with protons

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Individual dosimetric comparison

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Individual dosimetric comparison

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Individual dosimetric comparison

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Individual dosimetric comparison

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

Take home

Universitätsklinikum Heidelberg | RadioOnkologie und Strahlentherapie| Dr. med. Rami ElShafie

• Stereotactic radiosurgery is an effective means of treating  AVM, leading to obliteration rates of up to 90%.

• Precision is paramount to lower dose exposure of  surrounding healthy brain and reduce risk of complications

• Choice of ideal treatment modality (e.g. CyberKnife, proton  SRS) is influenced by different factors (size, shape, location,...)  and done individually for each case.

19 20

21 22

23 24