Evaluation of IMRT and VMAT techniques with and without flattening filter using pareto optimal fronts

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

Introdução: O interesse demonstrado em aceleradores lineares sem flattening filter justifica o estudo da qualidade das planimetrias de Radioterapia com Intensidade Modulada (IMRT) e Arco-terapia Volumétrica Modulada (VMAT) efectuadas com e sem flattening filter (FF). Materiais e métodos: Foram seleccionados três casos de cancro de próstata em estadio inicial. Efectuaram-se planimetrias de IMRT e VMAT com e sem FF, baseado no formalismo de Pareto optimal fronts. Sistematicamente variando a função de custo de um órgão de risco, diferentes distribuições de dose foram calculadas. Para comparar as diferentes técnicas, Pareto optimal fronts foram analisadas. As Pareto optimal fronts são determinadas através da representação gráfica de determinados valores da distribuição de dose para o PTV e para o órgão de risco. Comparando os resultados para cada técnica ajudará a decidir qual a melhor técnica para aquele paciente. Resultados: Foram efectuadas planimetrias para IMRT e VMAT com e sem flattening filter com qualidade similar. No caso 1 e 2, as Pareto optimal fronts diferem significativamente para IMRT e VMAT, apresentando melhores resultados para IMRT sem FF. No caso do terceiro paciente as Pareto optimal fronts encontram-se sobrepostas. O tempo de administração do tratamento para IMRT sem FF foi reduzido em 24% e diminuiu de uma forma mais acentuada para as técnicas de VMAT. Registou-se um aumento de 9-15% no número de unidades monitor para feixes não planares. A análise gama dos planos de IMRT e VMAT revelou pequenas diferenças na exactidão do cálculo com e sem FF. Conclusão: Os resultados mostraram que é possível desenvolver planos clinicamente aceitáveis para IMRT e VMAT, com e sem FF. O conceito de Pareto optimal fronts revelou-se um método eficaz para comparar diferentes métodos e diferentes técnicas avançadas de Radioterapia.

ABSTRACT - Purpose: The interest of linear accelerators operating without flattening filter (FF) has been increasing in the last few years. For this reason the study of the treatment plan quality delivered with and without FF (FFF) is the aim of this project. Materials and methods: For this study three early stage prostate cancer cases were selected. A treatment planning study based on the concept of Pareto optimal fronts, which is considered to provide a more scientific approach, was performed. Several plans were made for Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) and Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) with and without FF. By systematically varying the EUD maximum of a specific OAR, different dose distributions have been calculated. Pareto optimal fronts to compare the two delivery techniques were evaluated. The Pareto fronts were determined by plotting presentable values of the dose distribution of the planning target volume (PTV) and the organs at risk (OAR). Comparing the fronts of each delivery technique will help to decide whether one technique is superior to the other. Results: Plans with similar plan quality were generated for IMRT and VMAT with flattened and unflattened beams. For the case 1 and 2 the Pareto optimal fronts differed significantly for IMRT and VMAT, in favor for IMRT. For the third patient, the fronts laid virtually on top of each other. The number of MUs was 9-15% higher for unflattened beams. By the use of FFF the treatment time was reduced by 24% for IMRT FFF and decreased even further for both VMAT techniques. The γ index evaluation of the IMRT and VMAT plans showed little difference in calculation accuracy in FFF mode compared with the regular beam. Conclusion: The results showed that is possible to develop clinically acceptable plans for IMRT and VMAT, with flattened and unflattened beams. The approach of using Pareto fronts for different systems is a feasible way to compare different methods and techniches for advanced radiotherapy.