Αξιολόγηση αβεβαιοτήτων και επίδρασή τους στις κατανομές δόσης σύγχρονων εφαρμογών ακτινοθεραπείας

Abstract

Stereotactic radiosurgery with Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) combined with image guidance (IGRT) has been increasingly implemented in applications of stereotactic radiosurgery/radiotherapy. More specifically, single isocenter SRS – VMAT technique with multiple non coplanar arcs can efficiently deliver plans of high dose conformity to the target volumes, while ensuring the required radioprotection of the adjacent healthy tissues and overall, the treatment time is short. However, the technique demonstrates increased sensitivity to geometric uncertainties. The scope of the thesis is to assess the geometric uncertainties involved in the modern radiotherapy SRS – VMAT technique for the treatment of complex cases, such as multiple brain metastases. To that end, the effect of the geometric uncertainties on dose distributions and plan quality indices, clinically used for plan evaluation and acceptance, is quantified and investigated. Firstly, the effect of the targets charcteristics (size, number) on singe-isocenter SRS-VMAT efficiency was examined. For limited number of targets (≤6), it was noticed that the plan quality indices were improved, for increasing diameter of target up to 2 cm. When the target size is quite large (2 cm in diameter targets), the mlc leaves adjust better according to the shape of target and contribute in higher conformity. It was also confirmed that the plan quality indices (dose conformity, target coverage) deteriorated and an increase in low dose bath was noticed with: i) target number increase (>6), ii) target size increase (up to 2 cm, maximum diameter), and iii) two or more targets sharing multiple pairs of leaves resulting in enhancement of island blocking effect. The examined sources of geometric uncertainty are the translation and rotational setup errors as well as the MLC leaf positional uncertainty. The results showed that translational errors ≥1mm could lead to severe underdosage of targets (target indices deterioration <10%). The underdosage seems to increase with: i) increasing degree of uncertainty, ii) reducing target size (<1cc) and iii) target number increase (>6). Regarding rotational errors investigation, it was noted that target distance form the isocenter is a factor that plays major role in dosimetric and geometric impact of rotational errors on targets. Rotational errors are geometrically expected to greatly influence targets in large distance from the isocenter (up to 6.5 cm, for the investigated single-isocenter SRS-VMAT technique). For comparison purposes, two-isocenter technique was also included in rotational errors investigation. Including two isocenters resulted in shorter target distances from the nearest isocenter (up to ~4 cm) compared to target distances of single-isocenter technique. Therefore, the potential benefit of reduced dosimetric impact of rotational errors on targets located at distance ≤4cm wasassessed. The results revealed that spatial displacements >1mm of the targets occurred, when rotational errors ≥1° impacted targets, at distances of the order of ~ 4cm for both isocenter techniques. It was also confirmed that two-isocenter technique which led to shorter target distances from the nearest isocenter, resulted in reduced dosimetric impact of rotational errors on targets and adjacent OARs. More specifically, it was noticed that rotational errors ≤1° did not influence significantly the target dosimetry (indices changes <5%), when two-isocenter technique was used˙ while for single-isocenter technique, only rotational errors of the order of 0.5° were tolerated in terms of causing insignificant impact on target dosimetry. Moreover, the results showed that small targets (≤1cc) are more susceptible to rotational errors, for both techniques. Rotational errors, according to their direction, could impact significantly OARs dosimetry, for OARs laying in close proximity to target(s), leading to maximum dose limit (Dmax) exceeding the limit value Dmax even for the smaller rotational errors (0.5°), with observed changes of Dmax in the range of 10%-50%, for all simulated rotational errros. However, exceeding the dose limit occurred less frequently and in a smaller degree for two-isocenter technique. Regarding the investigation of the dosimetric impact of leaf positional uncertainty on the quailty of SRS-VMAT technique, it was found that leaf positional uncertainties ≥ 0.3mm could significantly deteriorate target dosimetry, leading to target coverage reduction >10%. Moreover it was noted that leaf positional uncertainties ≥ 0.2mm could also impact considerably the dosimetry of OARs in the vicinity of targets, leading to mean changes of Dmax in the range of 10%-30%, and the dose limit was exceeded in many cases. A linear relationship between the change in dose and the leaf positional uncertainty was also noticed (12%/mm). For all the investigated sources of uncertainty, it was noticed that small targets (<1cc) were more sensitive to them.

Η ογκομετρικά διαμορφούμενη τοξοειδής ακτινοθεραπεία (Volumetric Modulated Arc Therapy - VMAT), καθοδηγούμενη από απεικόνιση (Image Guided Radiotherapy – IGRT), αποτελεί μία τεχνική η οποία χρησιμοποιείται ολοένα και περισσότερο σε στερεοτακτικές εφαρμογές ακτινοθεραπείας. Ειδικότερα, η τεχνική SRS – VMAT με πολλαπλά μη ομοεπίπεδα τόξα και με χρήση ενός ισοκέντρου θεραπείας, μπορεί να αποδώσει πλάνα ακτινοθεραπείας υψηλής συμμόρφωσης στους όγκους-στόχους, χωρίς να βλάπτει τις υγιείς παρακείμενες δομές και η διάρκεια της θεραπείας είναι συνολικά μικρή. Ωστόσο, η τεχνική SRS – VMAT με ένα ισόκεντρο παρουσιάζει αυξημένη ευαισθησία σε γεωμετρικές αβεβαιότητες. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η αξιολόγηση γεωμετρικών αβεβαιοτήτων, που υπεισέρχονται στη σύγχρονη τεχνική SRS – VMAT με χρήση ενός ισοκέντρου για την θεραπεία πολύπλοκων περιστατικών, όπως είναι οι πολλαπλές εγκεφαλικές μεταστάσεις. Μελετάται, λοιπόν, η επίδραση των αβεβαιοτήτων στις κατανομές δόσης και στα εργαλεία αξιολόγησης των πλάνων ακτινοθεραπείας. Αρχικά διερευνήθηκε ο τρόπος επίδρασης των χαρακτηριστικών (πλήθος, μέγεθος) των όγκων-στόχων στην απόδοση της SRS-VMAT τεχνικής, ενός ισοκέντρου. Παρατηρήθηκε ότι με την αύξηση της διαμέτρου του όγκου-στόχου, από 1 cm σε 2 cm, οι δείκτες βελτιώνονται για τα πλάνα πολλαπλών μεταστάσεων, περιορισμένου πλήθους (≤6). Λόγω των μεγαλύτερων διαστάσεων των όγκων-στόχων (2 cm), τα φύλλα διαμορφώνονται πιο σύμμορφα ως προς αυτούς και για αυτό τον λόγο οι δείκτες ποιότητας είναι ελαφρώς πιο βελτιωμένοι για τους μεγαλύτερους όγκους-στόχους. Διαπιστώθηκε ότι οι τιμές των δεικτών ποιότητας (συμμόρφωση δόσης, κάλυψη δόσης) των πλάνων υποβαθμίζονται και η διάχυση των χαμηλών δόσεων αυξάνεται όταν: i) το πλήθος των στόχων αυξάνεται (>6), ii) το μέγεθος των στόχων αυξάνεται (~2cm, μέγιστη διάμετρος όγκου-στόχου) και iii) ο διαμοιρασμός φύλλων μεταξύ δύο ή περισσότερων όγκων-στόχων αυξάνεται. Οι παράμετροι αβεβαιότητας που διερευνήθηκαν είναι τα σφάλματα γραμμικής μετατόπισης, τα σφάλματα περιστροφής και τα σφάλματα της θέσης των φύλλων του κατευθυντήρα MLC. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι τα σφάλματα γραμμικής μετατόπισης ≥1mm δύναται να οδηγήσουν σε σημαντικό υποδοσιασμό των όγκων-στόχων (επιδείνωση κλινικών δεικτών >10%). Ο υποδοσιασμός φαίνεται να αυξάνεται όταν: i) ο βαθμός του σφάλματος αυξάνεται, ii) το μεγέθος των όγκων-στόχων μειώνεται (<1cc) και iii) το πλήθος των στόχων αυξάνεται (>6). Όσον αφορά τη μελέτη των σφαλμάτων περιστροφής, η απόσταση του όγκου-στόχου από το ισόκεντρο αποτελεί έναν παράγοντα ο οποίος παίζει καθοριστικό ρόλο στην δοσιμετρική και γεωμετρική επίδραση των σφαλμάτων περιστροφής στους όγκους-στόχους. Τα σφάλματα περιστροφής αναμένεται γεωμετρικά να επιδρούν περισσότερο σε όγκους-στόχους οι οποίοι εντοπίζονται σε μεγάλες αποστάσεις από το ισόκεντρο (έως και 6.5 cm, για την υπό μελέτη SRS-VMAT τεχνική ενός ισοκέντρου). Για λόγους σύγκρισης, εξετάστηκε και η τεχνική δύο ισοκέντρων στη μελέτη σφαλμάτων περιστροφής, στην οποία, οι αποστάσεις των όγκων-στόχων από το κοντινότερο ισόκεντρο είναι μικρότερες (έως και 4 cm) σε σχέση με τις αποστάσεις των όγκων-στόχων στην τεχνική ενός ισοκέντρου, προκειμένου να διερευνηθεί το πιθανό όφελος μειωμένης επίδρασης των σφαλμάτων περιστροφής σε όγκους-στόχους, σε αποστάσεις ≤4cm. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι δύναται να προκύψουν χωρικές ανακρίβειες της θέσης όγκων-στόχων >1mm, όταν σφάλματα ≥1° επιδρούν σε στόχους, σε αποστάσεις ~4cm και για τις δύο τεχνικές ισοκέντρων. Επιβεβαιώθηκε ότι η τεχνική δύο ισοκέντρων η οποία οδήγησε σε μειωμένες αποστάσεις μεταξύ στόχων και κοντινότερου ισοκέντρου, είχε ως συνέπεια μειωμένη δοσιμετρική επίδραση των σφαλμάτων περιστροφής σε όγκους-στόχους και κρίσιμα όργανα. Συγκεκριμένα, στη τεχνική δύο ισοκέντρων διαπιστώθηκε ότι σφάλματα περιστροφής έως και 1° δεν επιδρούν σημαντικά στη δοσιμετρία των όγκων-στόχων (διαφορές δεικτών <5%), ενώ στην τεχνική ενός ισοκέντρου, παρατηρήθεκε ότι μόνο σφάλματα της τάξης 0.5° δεν επιδρούν σημαντικά στη δοσιμετρία των όγκων-στόχων. Επίσης τα αποτελέσματα έδειξαν ότι όγκοι-στόχοι μικρών διαστάσεων (≤1cc) είναι πιο επιρρεπείς σε σφάλματα περιστροφής. Τα σφάλματα περιστροφής, ανάλογα με τον προσανατολισμό τους, δύναται να επιδράσουν σημαντικά και στη δοσιμετρία κρίσιμων οργάνων, τα οποία εντοπίζονται πέριξ των όγκων-στόχων, οδηγώντας σε υπερβάσεις ορίου δόσης Dmax (10%-50%), ακόμα και για την μικρότερη γωνία (0.5°) αν και πιο σπάνια και σε μικρότερο βαθμό για την τεχνική δύο ισοκέντρων. Όσον αφορά τη μελέτη των σφαλμάτων της θέσης των φύλλων, προέκυψε ότι σφάλματα ≥ 0.3mm δύναται να επιδεινώνουν τη δοσιμετρία των όγκων-στόχων (μείωση κάλυψης >10%) και σφάλματα ≥ 0.2mm δύναται να επιδεινώσουν τη δοσιμετρία γειτονικών κρίσιμων οργάνων (μέσες μεταβολές: 10%-30%, υπερβάσεις ορίου δόσης Dmax κρίσιμων οργάνων). Επίσης διαπιστώθηκε γραμμική σχέση μεταξύ της μεταβολής της δόσης και του σφάλματος της θέσης των φύλλων (12%/mm). Για όλες τις εξεταζόμενες πηγές αβεβαιοτήτων φάνηκε ότι όγκοι-στόχοι μικρών διαστάσεων (<1cc) είναι πιο ευαίσθητοι σε αυτές.