Thermography guided Irradiation using Water-filtered Infrared-A (wIRA) and Radiotherapy on Recurrent Breast Cancer - First Experiences and Temperature Analysis

M. Notter ¹, J.-F. Germond ¹, E. Wolf ², R. Berz ³, J. P. Berz³

1 Service cantonal de radiothйrapie Neuchatel La Chaux de Fonds, Switzerland
2 Hydrosun GmbH, Muellheim, Germany
3 InfraMedic GmbH, Moerfelden, Germany

SUMMARY

PURPOSE: The response of cancerous tissue to ionizing radiation is significantly increased by local hyperthermia, as shown in many randomized clinical trials. However, there is a lack of data regarding hyperthermia dose application and administration. The risk of thermal skin overload and severe burns is always present when trying to reach the maximum of therapeutic tissue heat. To solve this problem, new equipment for safe and self controlling local hyperthermia was designed, including a high precision and high resolution medical infrared thermography unit.

METHODS: In addition to electron radiotherapy (linear accelerator), local hyperthermia was applied to women with inoperable recurrent breast cancer who were classified as resistive to further therapy. Due to the depth of the cancerous clusters (1 to 2 cm), water-filtered Infrared-A(wIRA, 800 - 1400 nm wavelength) irradiation was chosen to transfer the heat into the target tissue. The advantage of wIRA is that the heat is deposed in a depth of 1 to 2cmbelowthe skin.The infrared radiation wavelengths that lead to skin burns are mostly filtered. To monitor the wIRA irradiation, to control the amount of heat radiation from the heat source and to avoid heat overload and burden of the skin, the whole equipment is controlled by a computer in combination with a specialized medical infrared thermography unit. The whole irradiated area is continuously monitored by the temperature measurement unit with a

permanent real time measurement data stream to the computer. An adjustable skin burn avoiding upper threshold limits the wIRA irradiation. Another lower threshold ensures the maximum of available therapeutic heat deposit.

RESULTS: Eight patients have been treated with this new device. The equipment worked well within the expected range. Although the thermal pattern of the irradiated area was very inhomogeneous (scars etc.), no heat burden or skin burn sign occurred. The system was perceived as comfortable and reliable for patients and physicians. Compared to the previous standard method (without infrared thermal measurement unit) the efficiency of the wIRA therapy could be remarkably enhanced. The equipment kept the skin temperature reliably below the critical limits.

CONCLUSION: Thermography guided wIRA irradiation of women with inoperable recurrent breast cancer is a crucial advantage and superior to infrared irradiation without thermal monitoring. Due to the inhomogeneous heat pattern, the measurement device must ensure high accuracy, stability, thermal and spatial resolution. Simple medical contact or infrared thermometers will not be able to recognize hot spots within the irradiated area. Further developed equipment will control more than one wIRA unit and provide exact infrared dose information.

KEYWORDS:Water-filtered infrared-A (wIRA), infrared thermography, breast cancer, hyperthermia, temperature measurement, infrared irradiation.

THERMOGRAPHIE GESTÜTZE BESTRAHLUNG MIT WASSER GEFILTERTEM INFRAROT A UND RADIOTHERAPIEFBEI WIEDER AUFTRETENDEN BRUSTKREBS- ERSTE ERFAHRUNGEN UND TEMPERATURAUSWERTUNG

ZWECK: Zahlreiche randomisierte klinische Studien haben gezeigt, dass die Empfindlichkeit von Krebsgewebe auf ionisierende Strahlung durch lokale Hyperthermie erhöht wird. Allerdings besteht ein Mangel an Daten über die Durchführung der optimalen Hyperthermie-Dosis. Das Risiko einer Überwärmung der Haut und von schweren Verbrennung besteh beim Versuch einer maximalen therapeutischen Überwärmung immer. Für die Lösung dieses Problems wurde eine neues Gerät zu sicheren und selbst kontrolliertem lokalem Hyperthermiebehandlung entwickelt, das auch eine zuverlässige und hochauflösenden Infrotkamera beinhaltet.

METHODE: Zusätzlich zur Elektronen-Strahlentherapie (Linearbeschleuniger) wurden Frauen mit inoperablen, Therapie resistenten, rezidivierenden Brustkrebsmit lokaler Hyperthermie behandelt. Angesichts der Loklisation der Krebszellen 1-2cm unterhalb der Oberfläche wurde ein Wasser gefilterter Infrarot A Strahler (wIRA, 800 - 1400 nmWellenlänge) für die Hyperthermie des Zielgewebes ausgewählt. Der Vorteil von wIRA liegt darin, dass dadurch eine Überwärmung 1-2 cm unterhalb der Haut erzielt werden kann, da die Infrarot strahlen, welche an der Haut zu Verbrennungen führen können, bereits gefiltert werden. Die gesamte Hyperthermie-Einheit wird durch einen Computer in Verbindung mit einer speziellen medizinischen Infrarot-Thermographie Einheit kontrolliert, um die wIRA Bestrahlung zu überwachen, indem die Gesamtheit der Wärmestrahlung von der Wärmequelle kontrolliert wird, um eine zu große Wärmebelastung der Haut zu vermeiden. Das gesamte bestrahlte Areal wird kontinuierlich durch die Temperaturmesseinheit überwacht, die in Echtzeit einen andauernden Datenstrom dem Computer zuführt. Die wIRA Bestrahlung wird durch eine einstellbaren oberen Grenzwert eingeschränkt, um Verbrennungen zu vermeiden. Ein zweiter unterer Grenzwert erlaubt die maximal mögliche Wärmeaufnahme.

ERGEBNISSE: Acht Patientinnen wurden mit diesem neuen Gerät behandelt. Das Gerät funktionierte erwartungsgemäß sehr gut. Obwohl das thermische Muster des bestrahlten Gebiets sehr inhomogen war (Narben usw.)wurde keine Wärmeüberladung oder Verbrennungen beobachtet. Das System wurde als angenehm und zuverlässig von Patienten und Ärzten wahrgenommen. Im Vergleich zur bisherigen Standardmethode (ohne Infrarot basierter Temperaturmesssung) konnte die Wirksamkeit der wIRa-Therapie deutlich erhöht werden. Mit dieser Therapie-Einheit wurden kritische Temperaturgrenzwerte nie erreicht oder überschritten.

CONCLUSION: Die Thermographie gestützte wIRA Bestrahlung von Frauen mit inoperablen, wieder auftretenden Brustkrebs stellt einen entscheidenden Fortschritt dar und ist der Infrarotbestrahlung ohne Temperaturüberwachung überlegen. Auf Grund der inhomogenen Wärmeverteilung an der Hautoberfläche, muss die Messeinheit einen hohen Grad von Stabilität und Messgenauigkeit sowie hohe thermische und räumliche Auflösung garantieren. Einfache Kontaktthermometer oder Infrarotradiometer können heiße Zonen innerhalb des bestrahlten Gebiets nicht entdecken.

Weiter entwicklete Therapiegeräte werden mehr als eine wIRA Bestrahlungserinheit überwachen können und eine exakte Dosis der Infrarotstrahlung zur Verfügung stellen.

SCHLÜSSELWÖRTER: Wasser-gefiltertes Infrarot-A (wIRA), Infrarot -Thermographie, Brustkrebs, Hyperthermie, Temperaturmessung, Infrarotbestrahlung.

Thermology international 2011, 21(2) 47-53