Ανάπτυξη αλγορίθμων και μεθόδων ποιοτικού ελέγχου για το δοσιμετρικό σχεδιασμό εφαρμογών βραχυθεραπείας

Abstract

Recently, Model Based Dose Calculation Algorithms (MBDCAs) beyond TG-43 have been incorporated in Treatment Planning Systems (TPSs) for 192Ir High-Dose-Rate (HDR) brachytherapy. The complexity of these algorithms, however, introduces new quality assurance (QA) standards augmentιng current societal recommendations, while an effort is needed towards evaluating the clinical impact of the improved dosimetric accuracy that they obtain in specific treatment sites. To this end, a software tool (BrachyGuide) was developed for the automatic preparation of the Monte Carlo (MC) input files, which is considered the reference method for patient specific dosimetry. Subsequently, a user-oriented QA procedure was developed for two commercially available MBDCAs, based on computational dosimetry. The reference dose distributions were generated using MC simulation with input files prepared using BrachyGuide. The comparison of MC and MBDCA results was found in accordance with corresponding studies in the literature, while the data and tools presented are freely distributed via the web to facilitate the implementation of QA procedures for MBDCAs. In addition, an experimental-based QA procedure was developed using the novel TruView™ radiochromic gel with Optical Tomography. In the absence of relevant literature, the dose response of the TruView™ dosimeter was calibrated and evaluated to demonstrate its suitability for use in experimental commissioning tests in HDR brachytherapy, using MC simulation with BrachyGuide. The results demonstrated that TruView™ in conjunction with Optical Tomography, although not fully characterized yet, could be suitable for the implementation of QA procedures for MBDCAs in HDR brachytherapy. The dosimetric test performed for a TPS employing an MBDCA using TruView™ dosimeter and Optical Tomography showed that the MBDCA provides improved dosimetric accuracy relative to the TG-43 algorithm, in line with previously published data. Furthermore, treatment plan cohorts of breast, head and neck and lip patients treated with HDR brachytherapy were pooled. TG-43 data and corresponding MC calculations using BrachyGuide were compared for each patient. Results showed that the TG-43 algorithm presents a generally significant, yet small, dose overestimation relative to MC simulation for breast and head and neck patient cohorts. Although these differences may not be considered of major clinical significance in terms of plan acceptance criteria, improved dosimetric accuracy offered by MBDCAs could be useful in cases such as re-irradiation and comparison between different techniques for long-term toxicity determination, as well as for secondary cancer induction risk assessment. In terms of lip patients, considerable differences were found between TG-43 and MC-based dosimetry, which imply that the implementation of MBDCA dosimetry in HDR brachytherapy of the lip carcinoma may be of major clinical importance. However, adherence to clinical recommendations for patient selection and good implant quality, followed by optimization and image based planning, remain the decisive elements of treatment quality.

Πρόσφατα, αλγόριθμοι εξατομικευμένης δοσιμετρίας (Model Based Dose Calculation Algorithms – MBDCAs) πέραν του TG-43 έχουν ενσωματωθεί σε Συστήματα Σχεδιασμού Θεραπείας (ΣΣΘ) για εφαρμογές High-Dose-Rate (HDR) βραχυθεραπείας με 192Ir, εξασφαλίζοντας βελτιωμένη δοσιμετρική ακρίβεια. Η πολυπλοκότητα της εφαρμογής των MBDCAs, ωστόσο, καθιστά επιτακτική την επαύξηση των δοκιμασιών επιδόσεων των σχετικών ΣΣΘ, ενώ απαιτείται μια προσπάθεια αποτίμησης των πλεονεκτημάτων της βελτιωμένης ακρίβειας που προσφέρουν για συγκεκριμένες εφαρμογές βραχυθεραπείας. Στο πλαίσιο αυτό, αναπτύχθηκε στην παρούσα διατριβή ένα εργαλείο λογισμικού (BrcahyGuide) για την επίσπευση της διαμόρφωσης των αρχείων εισροής δεδομένων της Monte Carlo (MC) προσομοίωσης, η οποία αποτελεί τη μέθοδο αναφοράς για εξατομικευμένη δοσιμετρία. Κατόπιν, σχεδιάστηκε και υλοποιήθηκε προσαρμοσμένη στο χρήστη διαδικασία ποιοτικού ελέγχου δύο εμπορικών MBDCAs, βασισμένη σε υπολογιστική δοσιμετρία. Οι δοσιμετρικές κατανομές αναφοράς υπολογίστηκαν με χρήση MC προσομοίωσης με αρχεία εισροής δεδομένων που ετοιμάστηκαν με χρήση του BrachyGuide. Η σύγκριση των MC και των MBDCA αποτελεσμάτων επέδειξε συμφωνία με τη σχετική βιβλιογραφία, ενώ τα δεδομένα και εργαλεία που παρουσιάστηκαν διατίθενται ελεύθερα στο διαδίκτυο για τη διευκόλυνση δοκιμασιών επιδόσεων των MBDCΑs. Επιπρόσθετα, σχεδιάστηκε και εφαρμόστηκε μια διαδικασία ποιοτικού ελέγχου βασισμένη σε πειραματική δοσιμετρία, χρησιμοποιώντας το καινοφανές δοσιμετρικό υλικό TruView™ σε συνδυασμό με απεικόνιση Οπτικής Τομογραφίας. Πραγματοποιήθηκε βαθμονόμηση της απόκρισης του δοσιμέτρου και εκτίμηση της καταλληλόλητάς του για σχετικούς πειραματικούς ποιοτικούς ελέγχους, χρησιμοποιώντας MC προσομοίωση με χρήση του BrachyGuide. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι, καίτοι ελλιπώς χαρακτηρισμένο δοσιμετρικά στην παρούσα φάση, το TruView™, θα μπορούσε να θεωρηθεί κατάλληλο για την ανάπτυξη δοκιμασιών ελέγχου. Ο ποιοτικός έλεγχος που πραγματοποιήθηκε στη συνέχεια επέδειξε τη βελτιωμένη δοσιμετρική ακρίβεια που εξασφαλίζει ο MBDCA συγκριτικά με τον TG-43 αλγόριθμο, σε συμφωνία με τη βιβλιογραφία. Επιπλέον, συγκροτήθηκαν δείγματα εφαρμογών HDR βραχυθεραπείας καρκίνου του μαστού, της κεφαλής-τραχήλου, και του χείλους, για τα οποία συγκρίθηκαν τα αποτελέσματα της TG-43 και MC δοσιμετρίας με χρήση του BrachyGuide. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι ο αλγόριθμος TG-43 παρουσιάζει γενικά στατιστικά σημαντική, αν και μικρή, υπερεκτίμηση της δόσης, για τους ασθενείς με καρκίνο μαστού και κεφαλής-τραχήλου, η οποία δεν επηρεάζει τον έλεγχο της νόσου και τις πιθανότητες επιπλοκών και κατά συνέπεια δεν απαιτεί αλλαγή των σημερινών πρωτοκόλλων από απόψεως χορηγούμενης δόσης. Η βελτιωμένη δοσιμετρική ακρίβεια των MBDCAs θα μπορούσε να είναι χρήσιμη σε περιπτώσεις επανακτινοβόλησης ή/και σύγκρισης διαφορετικών τεχνικών για τον καθορισμό της μακροπρόθεσμης τοξικότητας και του ρίσκου επαγωγής δευτεροπαθούς καρκίνου. Σχετικά με τον καρκίνο στο χείλος, σημαντικές διαφορές βρέθηκαν μεταξύ της TG-43 και MC δοσιμετρίας, υποδηλώνοντας ότι η υιοθέτηση της MBDCA δοσιμετρίας στην HDR βραχυθεραπεία καρκίνου του χείλους μπορεί να είναι μείζονος σημασίας. Η τήρηση των κλινικών συστάσεων, ωστόσο, παραμένει ο καθοριστικός παράγοντας για την ποιότητα της θεραπείας.