Καθορισμός των αποκλίσεων τοποθέτησης ασθενών που υποβάλλονται σε καθοδηγούμενη από εικόνα/ανά συνεδρία ακτινοθεραπεία

Abstract

This Thesis addresses the comparative assessment of patient setup errors during image-guided radiotherapy (IGRT), through the systematic recording and analysis of data from two imaging modalities: cone-beam computed tomography (CBCT) and planar kV imaging, focusing on four main anatomical sites—prostate, head and neck, lung, and cranial. A total of 178 patients were included in the analysis, each undergoing repeated imaging, with their positioning recorded before every session and corrected based on image guidance. Setup deviations were measured and evaluated along the main spatial axes (X, Y, Z), with analysis also taking into account the treatment day and the time of day (morning or afternoon). All imaging data were subjected to statistical analysis using parametric techniques (t-tests, MANOVA). Initially, the presence of statistically significant differences in mean setup deviations between the two modalities was examined, both per axis and per anatomical area and time of day. Special emphasis was placed on identifying clinically significant deviations, defined as displacements equal to or greater than 1 mm, a threshold considered clinically important according to the capabilities of modern linear accelerators. These cases were investigated comprehensively, per region, axis, imaging method, day, and time, utilizing appropriate indicators and calculating the relative probabilities of occurrence for CBCT versus kV imaging. The results highlighted, for instance, that CBCT is associated with a higher probability of clinically significant displacement for lung (particularly along the Z axis) and cranial (X axis) lesions, thereby underscoring the clinical impact of differences between modalities and anatomical areas. Subsequently, the analysis focused on determining systematic and random errors for each region in order to accurately calculate the planning margins between the Clinical Target Volume (CTV) and Planning Target Volume (PTV) according to the Van Herk formula. The feasibility of asymmetric margin determination was also evaluated: setup deviations were categorized as positive (anterior, right, superior) and negative (posterior, left, inferior), and where statistically significant differences were identified, asymmetric margins were calculated separately. The analysis showed that for some areas, such as lung and cranial, asymmetric margins may more accurately reflect the actual geometric uncertainty, thus optimizing dosimetric safety and accuracy in radiotherapy. Overall, the findings underscore that CBCT tends to yield larger setup deviations in specific directions and anatomical areas, while both the area and the day of treatment significantly affect the measured errors. In contrast, the time of day (morning or afternoon) did not demonstrate a substantial effect. The thorough analysis of clinically significant deviations and the determination of customized planning margins—either symmetric or asymmetric—add practical and innovative value to the dissertation, reinforcing the modern trend toward individualized, evidence-based radiotherapy. The study concludes that optimizing margin design based on both statistical and clinical impacts can enhance therapeutic accuracy and meaningfully contribute to the improvement of clinical IGRT protocols.

Η διατριβή αυτή πραγματεύεται τη συγκριτική αξιολόγηση των σφαλμάτων τοποθέτησης ασθενών κατά την καθοδηγούμενη από εικόνα ακτινοθεραπεία (Image Guided Radiation Therapy - IGRT), μέσω της συστηματικής καταγραφής και ανάλυσης δεδομένων από δύο απεικονιστικές μεθόδους, την αξονική τομογραφία κωνικής δέσμης (Cone Beam Computed Tomography - CBCT) και την επίπεδη απεικόνιση (kV), σε τέσσερις βασικές ανατομικές περιοχές: προστάτη, κεφαλή και τράχηλο, πνεύμονα και εγκέφαλο. Συνολικά 178 ασθενείς συμπεριλήφθηκαν στην ανάλυση, λαμβάνοντας επαναλαμβανόμενες απεικονίσεις, με τη θέση του κάθε ασθενούς να καταγράφεται πριν από κάθε συνεδρία και να διορθώνεται με βάση την απεικονιστική καθοδήγηση. Οι αποκλίσεις τοποθέτησης μετρήθηκαν και αξιολογήθηκαν στους κύριους άξονες (X, Y, Z) και η ανάλυση έλαβε επιπλέον υπόψη την ημέρα θεραπείας και την ώρα πραγματοποίησης (πρωί–απόγευμα). Όλα τα απεικονιστικά δεδομένα υποβλήθηκαν σε στατιστική ανάλυση με χρήση παραμετρικών τεχνικών (t-έλεγχος, MANOVA). Αρχικά, εξετάστηκε αν υφίστανται στατιστικά σημαντικές διαφορές στις μέσες αποκλίσεις τοποθέτησης μεταξύ των δύο μεθόδων, τόσο ανά άξονα όσο και ανά περιοχή και χρονικό σημείο. Ειδικό βάρος δόθηκε στη διερεύνηση της παρουσίας κλινικά σημαντικών αποκλίσεων, οι οποίες ορίστηκαν ως μετατοπίσεις ίσες ή μεγαλύτερες του 1 mm, ένα όριο κλινικά εφικτό σύμφωνα με τις τεχνικές δυνατότητες των γραμμικών επιταχυντών. Αυτές οι περιπτώσεις εξετάστηκαν τόσο συνολικά, όσο και κατά περιοχή, άξονα, μέθοδο, ημέρα και ώρα θεραπείας, με τη δημιουργία σχετικών δεικτών και τον υπολογισμό των σχετικών πιθανοτήτων εμφάνισης μεταξύ CBCT και kV απεικόνισης. Τα αποτελέσματα ανέδειξαν ότι η CBCT σχετίζεται με μεγαλύτερη πιθανότητα εμφάνισης κλινικά σημαντικής μετακίνησης στον πνεύμονα (κυρίως στον άξονα Z) και στον εγκέφαλο (άξονας X), επιβεβαιώνοντας τη διαφοροποίηση μεταξύ μεθόδων και ανατομικών περιοχών ως προς το κλινικό αντίκτυπο. Ακολούθως, η ανάλυση εστιάζει στον προσδιορισμό συστηματικών και τυχαίων σφαλμάτων για κάθε περιοχή ώστε να υπολογιστούν με ακρίβεια τα περιθώρια σχεδιασμού μεταξύ Κλινικού Όγκου Στόχου (Clinical Target Volume, CTV) και Σχεδιαστικού Όγκου Στόχου (Planning Target Volume, PTV) με τη μέθοδο Van Herk. Επίσης, εξετάστηκε η σκοπιμότητα ορισμού ασύμμετρων περιθωρίων: οι αποκλίσεις τοποθέτησης διαχωρίστηκαν σε θετικές (πρόσθιες, δεξιές, άνω) και αρνητικές (οπίσθιες, αριστερές, κάτω), και όπου προέκυψαν στατιστικά σημαντικές διαφορές, υπολογίστηκαν ξεχωριστά τα ασύμμετρα περιθώρια. H ανάλυση ανέδειξε πως για κάποιες περιοχές, όπως ο πνεύμονας και ο εγκέφαλος, τα ασύμμετρα περιθώρια μπορεί να αντανακλούν καλύτερα την πραγματική γεωμετρική αβεβαιότητα, βελτιστοποιώντας τη δοσιμετρική ασφάλεια και ακρίβεια της ακτινοθεραπείας. Συνολικά, τα ευρήματα της μελέτης υπογραμμίζουν πως η CBCT δίνει μεγαλύτερες αποκλίσεις τοποθέτησης σε συγκεκριμένες κατευθύνσεις και περιοχές, ενώ η ανατομική περιοχή και η ημέρα θεραπείας φαίνεται να επηρεάζουν σημαντικά τις μετρούμενες αποκλίσεις, εν αντιθέσει με την ώρα (πρωί ή απόγευμα) που δεν βρέθηκε να έχει ουσιαστική επίδραση. Η ενδελεχής ανάλυση των κλινικά σημαντικών αποκλίσεων και ο προσδιορισμός προσαρμοσμένων σχεδιαστικών περιθωρίων, συμμετρικών ή ασύμμετρων, προσθέτει πρακτικό καινοτόμο χαρακτήρα στη διατριβή, ενδυναμώνοντας τη σύγχρονη τάση για εξατομικευμένη, τεκμηριωμένη ακτινοθεραπεία. Η εργασία καταλήγει ότι η βελτιστοποίηση των ορίων σχεδιασμού με βάση τόσο το στατιστικό όσο και το κλινικό τους αντίκτυπο παρέχει τις προϋποθέσεις για μεγαλύτερη θεραπευτική ακρίβεια και συμβάλλει ουσιαστικά στη βελτίωση των κλινικών πρωτοκόλλων IGRT.