Δοσιμετρία και βελτιστοποίηση των σύγχρονων μορφών ακτινοθεραπείας

Abstract

Introduction: Advanced Radiation therapy techniques such IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) and VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), offer great advantages over previously used techniques (2D, 3D CRT), both by reducing side effects and by more effectively controlling the disease by increasing the dose delivered to the tumor. The VMAT technique has the additional advantage, of the optimal tumor irradiation and simultaneous dose sparing of healthy tissues faster than IMRT.Purpose: The purpose of the study was to investigate whether it is possible to create the ITV using a reduced set of 4DCT phases in patient plans with moving targets and to investigate the dosimetric differences derived by different calculation algorithms in IMRT and VMAT patient plans.Methods: Ten lung cancer patients who had received 4DCT imaging as part of their treatment simulation, and who had a noticeable tumor motion were recruited as patients with moving targets. For each patient, a GTV, based on the original physician-drawn ITV was drawn on the exhale phase, (following the common clinical practice according to which the physician directly draws the ITV using the 4DCT images). This GTV was then propagated to the other phases of the 4DCT using a commercial image registration package (MIMVista, Cleveland OH). Different ITVs were created using N phases closest to exhale (N=1-10). For each ITV contour, a Rapid Arc (Varian Medical Systems, Inc. Palo Alto, CA) plan was created on the exhale phase CT, normalized so that the 95% isodose line covered at least 95% of the ITV. Each plan was applied to each CT phase (1-10), and the doses deformably mapped to the exhale phase. The effect of the motion was quantified in terms of the dose to the 95% of the target on the exhale phase (D95). The change in these parameters as N was reduced from 10 was calculated. Additionally, the difference in the 3D calculations of the original plans and the 4D calculations was noted as a function of N.Moreover, the accuracy of the Pencil Beam (PB) and the Monte Carlo (MC) calculation algorithms commonly used to determine the dose distribution in Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT) and Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) techniques. For this purpose, IMRT and VMAT plans were created for nine prostate patients using a commercially available treatment planning system (Monaco, Elekta Instrument AB Stockholm). All plans were optimized to be clinically acceptable and the final dose calculation was performed using a) the PB and b) the MC calculation algorithm. The plans were evaluated in the central coronal plane using the I'mRT Matrixx (IBA Dosimetry GmbH Schwarzenbruck) 2D-array placed in a solid water phantom a) by setting all control points to zero gantry degree and b) by leaving the beam orientation as planned. Evaluation was performed with OmniPro-I'mRT (IBA Dosimetry GmbH Schwarzenbruck) software using the gamma index method with acceptance criteria of 3% dose difference and 3 mm distance to agreement taking into account all points with dose values greater than the 10% of the normalized dose.Results: Regarding patients with moving targets differences in 3D and 4D dose calculations varied from 3% to 14% with an average of 7% for ITV_10/10. For 9 out 10 of ten patients we observe less than 5% reduction in the D95 by using ITV_8/10. For 3 out of ten patients we can have less than 5% reduction in the D95 by using ITV_7/10 and for 1 out of 10 patients we can patients we can have less than 5% reduction in the D95 by using ITV_6/10. Regarding dose calculation algorithms, results show that PB calculation algorithm can accurately determine the dose distribution applied to the I'mRT Matrixx 2D array when all control points were set to zero gantry degree for both IMRT and VMAT plans (average passing rates of 96.6 and 94.7% of the points passed the 3%/3 mm acceptance criteria, for IMRT and VMAT, were observed, respectively). On the other hand, considerable differences between the different calculation algorithms were observed when the actual (i.e. the planned) beam orientation was used for the plan verification. In this case, the PB algorithm was found adequate for dose determination only for the IMRT plan verification (an average passing rate of 91% was observed).Conclusions: There is no rule for reducing ITV in patients with the examined moving targets that works for all patients. Some reduction (8/10 phases) is possible for most of the patients but not all and also the volume reduction is small. Therefore what we are currently doing is reasonable. 4D dose calculations give different DVHs to 3D also shown by other groups. Reduction in ITV volume is possible for some patients (e.g. patient 2 17% reduction), but 4D dose calculation is necessary. For the VMAT plans, MC calculation algorithm was found significant superior compared to the PB dose calculation algorithm (average passing rates of 73.5 and 93% for the PB and the MC algorithms, were observed, respectively).

Εισαγωγή: Οι σύγχρονες τεχνικές ακτινοθεραπείας, IMRT (Intensity Modulated Radiation Therapy) και VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy), παρουσιάζουν μεγάλα πλεονεκτήματα σε σχέση με προγενέστερες τεχνικές (2D, 3D-CRT), τόσο μειώνοντας τις παρενέργειες όσο και ελέγχοντας αποτελεσματικότερα τη νόσο μέσω της αύξησης της χορηγούμενης δόσης στον όγκο. Η τεχνική VMAT παρουσιάζει το επιπλέον πλεονέκτημα σε σχέση με την IMRT, της βέλτιστης ακτινοβόλησης του όγκου και ταυτόχρονης προστασίας των υγιών οργάνων στον μικρότερο δυνατό χρόνο.Σκοπός: Σκοπός της διατριβής είναι η διερεύνηση της πιθανότητας δημιουργίας ITV χρησιμοποιώντας περιορισμένο αριθμό φάσεων του 4DCT για ασθενείς με καρκίνο πνεύμονα και η διερεύνηση των δοσιμετρικών διαφορών που προέρχονται από την χρήση διαφορετικών αλγόριθμων υπολογισμού δόσης σε IMRT και VMAT πλάνα ασθενών με καρκίνο προστάτη.Μέθοδος: Δέκα ασθενείς με καρκίνο πνεύμονα και επαρκή κίνηση όγκου, οι οποίοι υποβλήθηκαν σε 4DCT απεικόνιση σαν κομμάτι της εξομοίωσης της θεραπείας τους. Για κάθε ασθενή σχεδιάστηκε ένα GTV στην φάση της εκπνοής, με βάση το ITV το οποίο αρχικά σχεδιάστηκε από τον Ακτινοθεραπευτή (η κλινική πρακτική είναι ο ακτινοθεραπευτής να σχεδιάζει κατευθείαν το ITV βάση των εικόνων 4DCT). Το GTV αναπαράχθηκε στις υπόλοιπες φάσεις του 4DCT χρησιμοποιώντας το εμπορικά διαθέσιμο πρόγραμμα ευθυγράμμισης εικόνας MIMVista, (MIM Vista Cleveland OH). Τέσσερα διαφορετικά ITV δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας πλησιέστερες Ν φάσεις στην εκπνοή (N=1-10). Για κάθε ITV δημιουργήθηκε ένα RapidArc (Varian Medical Systems, Inc. Palo Alto, CA) πλάνο στην αξονική της φάσης εκπνοής, ώστε η 95% ισοδοσική καμπύλη να καλύπτει τουλάχιστον το 95% του ITV. Κάθε πλάνο υπολογίστηκε για τις διαφορετικές φάσεις αναπνοής του CT φάση (1-10), και η κατανομή δόσης που προέκυψε από κάθε φάση της αναπνοής αποτυπώθηκε παραμορφωμένη στην φάση της εκπνοής. Η επίδραση της κίνησης ποσοτικοποιήθηκε βάσει της δόσης στο 95% του εκάστοτε στόχου στην φάση της εκπνοής (D95). Επιπλέον υπολογίστηκε η αλλαγή αυτής της παραμέτρου ως Ν που μειώθηκε από το 10. Επίσης, παρουσιάζονται οι διαφορές μεταξύ 3D υπολογισμών με τους 4D σαν συνάρτηση του αριθμού φάσεων Ν. Επισης, διερευνήθηκε η ακρίβεια των αλγορίθμων υπολογισμού δόσης Pencil Beam (PB) και Monte Carlo (MC), οι οποίοι χρησιμοποιούνται για τον προσδιορισμό της κατανομής της δόσης στις τεχνικές θεραπείας με ακτινοβολία διαμορφωμένης έντασης (IMRT) και τοξοειδούς θεραπείας ογκομετρικά μεταβαλόμενης (VMAT). Για το σκοπό αυτό, δημιουργήθηκαν πλάνα θεραπείας IMRT και VMAT για εννέα ασθενείς με καρκίνο προστάτη χρησιμοποιώντας ένα εμπορικώς διαθέσιμο σύστημα σχεδιασμού θεραπείας (Monaco, Elekta Instrument AB Stockholm). Όλα τα πλάνα θεραπείας βελτιστοποιήθηκαν ώστε να είναι κλινικά αποδεκτά και στο στάδιο του υπολογισμού της απορροφούμενης δόσης χρησιμοποιήθηκαν οι αλγόριθμοι υπολογισμού α) Pencil Beam και β) Monte Carlo. Οι κατανομές δόσης που προέκυψαν αξιολογήθηκαν στο κεντρικό στεφανιαίο επίπεδο χρησιμοποιώντας τη 2D μετρητική διάταξη I'mRT Matrixx (IBA Dosimetry GmbH Schwarzenbruck) τοποθετημένη σε ένα ομοίωμα solid water α) ρυθμίζοντας όλα τα control points του πλάνου να ακτινοβοληθούν από σταθερό gantry 0ο και β) αφήνοντας όλα τα control points να ακτινοβοληθούν με περιστροφή του gantry. Η αξιολόγηση πραγματοποιήθηκε με το λογισμικό OmniPro-I'mRT (IBA Dosimetry GmbH Schwarzenbruck) χρησιμοποιώντας το δείκτη γάμμα με κριτήρια αποδοχής Dose Difference 3% και 3 mm Distance To Agreement, λαμβάνοντας υπόψη όλα τα σημεία με τιμές δόσης μεγαλύτερες από το 10% της κανονικοποιημένης δόσης.Αποτελέσματα: Διαφορές μεταξύ 3D και 4D υπολογισμών δόσης κυμάνθηκαν από 3% έως 14% με μια μέση τιμή της τάξης του 7% για το ITV_10/10. Για 9 από 10 μπορούμε να έχουμε <5% μείωση στο D95 χρησιμοποιώντας το ITV_8/10. Για 3 στους δέκα ασθενείς επιτεύχθηκε <5% μείωση στο D95 χρησιμοποιώντας το ITV_7/10 και ένα στους δέκα ασθενείς μπορούμε να έχουμε λιγότερη της 5% μείωση στο D95 χρησιμοποιώντας το ITV_6/10. Αναφορικά με τους αλγορίθμους υπολογισμού της δόσης, τα αποτελέσματα δείχνουν ότι ο αλγόριθμος υπολογισμών PB μπορεί να υπολογίσει με ακρίβεια την κατανομή της δόσης που εφαρμόζεται στη 2D διάταξη I'mRT Matrixx όταν όλα τα control points ακτινοβολoύνται από gantry 0ο τόσο για τα πλάνα IMRT όσο και για πλάνα VMAT (μέσες τιμές επιτυχίας δείκτη γάμμα 96,6 και 94,7% των σημείων πέρασαν τα κριτήρια αποδοχής 3% / 3 mm, για τα IMRT και VMAT, αντίστοιχα). Από την άλλη πλευρά, παρατηρήθηκαν σημαντικές διαφορές μεταξύ των διαφορετικών αλγορίθμων υπολογισμού όταν χρησιμοποιήθηκε η πλήρης περιστροφή του gantry για την επαλήθευση του πλάνου. Στην περίπτωση αυτή, ο αλγόριθμος PB κρίθηκε επαρκής για τον προσδιορισμό της δόσης μόνο για την επαλήθευση της τεχνικής IMRT (παρατηρήθηκε μέση τιμή επιτυχίας του δείκτη γάμμα 91%).Συμπέρασμα: Κανένας γενικός κανόνας δεν φαίνεται να λειτουργεί για όλους τους ασθενείς. Μερική ελάττωση του αριθμού των φάσεων (8/10) είναι πιθανή για τους περισσότερους ασθενείς όχι όμως για όλους και επίσης η μείωση του όγκου είναι μικρή. Επομένως η τρέχουσα πρακτική που εφαρμόζεται είναι λογική. Τετραδιάστατοι υπολογισμοί δόσης δίνουν διαφορετικά ιστογράμματα δόσης όγκου (DVH) σε σχέση με τους τρισδιάστατους, όπως έχουν δείξει και άλλοι ερευνητές. Μείωση στον όγκο του ITV είναι πιθανή για κάποιους ασθενείς, όμως οι 4D υπολογισμοί είναι απαραίτητοι. Για τα πλάνα VMAT, ο αλγόριθμος υπολογισμού MC αποδείχθηκε πιο ακριβής σε σύγκριση με τον αλγόριθμο υπολογισμού της δόσης PB (παρατηρήθηκαν μέσες τιμές δείκτη γάμμα 73,5 και 93% για τους αλγόριθμους PB και MC αντίστοιχα).