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

Mestrado em Radiações Aplicadas às Tecnologias da Saúde.

Estudo dosimétrico para implementação da técnica radioterapêutica volumetric modulated arc therapy (VMAT)

Dissertação para obtenção do Grau de Mestre em Engenharia Biomédica

Improved VMAT planning for head and neck tumors with an advanced optimization algorithm

OBJECTIVE In this study, the "Progressive Resolution Optimizer PRO3" (Varian Medical Systems) is compared to the previous version "PRO2" with respect to its potential to improve dose sparing to the organs at risk (OAR) and dose coverage of the PTV for head and neck cancer patients. MATERIALS AND METHODS For eight head and neck cancer patients, volumetric modulated arc therapy (VMAT) treatment plans were generated in this study. All cases have 2-3 phases and the total prescribed dose (PD) was 60-72Gy in the PTV. The study is mainly focused on the phase 1 plans, which all have an identical PD of 54Gy, and complex PTV structures with an overlap to the parotids. Optimization was performed based on planning objectives for the PTV according to ICRU83, and with minimal dose to spinal cord, and parotids outside PTV. In order to assess the quality of the optimization algorithms, an identical set of constraints was used for both, PRO2 and PRO3. The resulting treatment plans were investigated with respect to dose distribution based on the analysis of the dose volume histograms. RESULTS For the phase 1 plans (PD=54Gy) the near maximum dose D2% of the spinal cord, could be minimized to 22±5 Gy with PRO3, as compared to 32±12Gy with PRO2, averaged for all patients. The mean dose to the parotids was also lower in PRO3 plans compared to PRO2, but the differences were less pronounced. A PTV coverage of V95%=97±1% could be reached with PRO3, as compared to 86±5% with PRO2. In clinical routine, these PRO2 plans would require modifications to obtain better PTV coverage at the cost of higher OAR doses. CONCLUSION A comparison between PRO3 and PRO2 optimization algorithms was performed for eight head and neck cancer patients. In general, the quality of VMAT plans for head and neck patients are improved with PRO3 as compared to PRO2. The dose to OARs can be reduced significantly, especially for the spinal cord. These reductions are achieved with better PTV coverage as compared to PRO2. The improved spinal cord sparing offers new opportunities for all types of paraspinal tumors and for re-irradiation of recurrent tumors or second malignancies.

Valutazione dosimetrica e aspetti tecnici di trattamenti VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) in radioterapia oncologica

La VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) è una delle più recenti tecniche radioterapiche, in cui, oltre alla modulazione geometrica della fluenza del campo di radiazione come avviene nell’IMRT (Intensity Modulated Radiotherapy), sono variati durante il trattamento anche la velocità del gantry e il rateo di dose. La radiazione è erogata senza interruzioni lungo uno o più archi continui della testata dell’acceleratore, così da ridurre i tempi di trattamento in modo sostanziale rispetto all’IMRT. Nelle tecniche ad intensità modulata, ed in particolare nella VMAT, il lettino porta paziente modifica la distribuzione di dose durante gli irraggiamenti posteriori, riducendo quella al target e aumentando quella superficiale. Il presente lavoro di tesi, che ha proprio l’obiettivo di valutare questi aspetti dosimetrici in un’ottica pre-clinica, è stato svolto presso il Servizio di Fisica Sanitaria del Policlinico S.Orsola–Malpighi, Azienda Ospedaliero-Universitaria di Bologna. Le misure sono state effettuate presso le U.O. Radioterapia-Morganti e Radioterapia-Frezza f.f. della medesima Azienda Sanitaria, al fine di caratterizzare dal punto di vista dosimetrico il lettino di trattamento iBEAM evo dell’acceleratore lineare Synergy Elekta. L’attenuazione misurata in caso di incidenza perpendicolare del fascio sul lettino, in buon accordo con gli articoli di riferimento, è stata: (2.81±0.06)% per fotoni di energia di 6 MV, (1.81±0.10)% a 10 MV e (1.38±0.05)% a 15 MV. L’attenuazione massima misurata con fotoni di energia di 6 MV si è avvicinata al 4% negli irraggiamenti obliqui. Infine, è stato analizzato il confronto con statistica gamma fra distribuzione di dose pianificata e misurata prima e dopo aver modellizzato le caratteristiche del lettino nel software per l’elaborazione del piano di trattamento. Solo dopo tale operazione, i due casi VMAT analizzati (tumore dell’orofaringe e prostatico) superano i criteri più restrittivi e affidabili utilizzati nella pratica clinica.

Desenvolvimento de um sistema de verificação dosimétrica tridimensional utilizando Solução Fricke gel na aplicação para a verificação da Radioterapia em Arco Modulado Volumétrico (VMAT) nos tratamentos com movimentação do alvo pela respiração

Tese (Doutorado em Tecnologia Nuclear)

Estudo dosimétrico comparativo do Acuros® XB: algoritmo avançado de cálculo de dose com o AAA – Anisotropic Analytical Alghorithm, em tratamentos de radioterapia externa com a técnica de RapidArc™

Mestrado em Radioterapia.

Apnea-like suppression of respiratory motion: First evaluation in radiotherapy.

BACKGROUND AND PURPOSE: Compensation for respiratory motion is needed while administering radiotherapy (RT) to tumors that are moving with respiration to reduce the amount of irradiated normal tissues and potentially decrease radiation-induced collateral damages. The purpose of this study was to test a new ventilation system designed to induce apnea-like suppression of respiratory motion and allow long enough breath hold durations to deliver complex RT. MATERIAL AND METHODS: The High Frequency Percussive Ventilation system was initially tested in a series of 10 volunteers and found to be well tolerated, allowing a median breath hold duration of 11.6min (range 3.9-16.5min). An evaluation of this system was subsequently performed in 4 patients eligible for adjuvant breast 3D conformal RT, for lung stereotactic body RT (SBRT), lung volumetric modulated arc therapy (VMAT), and VMAT for palliative pleural metastases. RESULTS: When compared to free breathing (FB) and maximal inspiration (MI) gating, this Percussion Assisted RT (PART) offered favorable dose distribution profiles in 3 out of the 4 patients tested. PART was applied in these 3 patients with good tolerance, without breaks during the "beam on time period" throughout the overall courses of RT. The mean duration of the apnea-like breath hold that was necessary for delivering all the RT fractions was 7.61min (SD=2.3). CONCLUSIONS: This first clinical implementation of PART was found to be feasible, tolerable and offers new opportunities in the field of RT for suppressing respiratory motion.

Radiothérapie asservie à la respiration en combinaison avec l'utilisation d'un faisceau sans filtre égalisateur

La radiothérapie stéréotaxique corporelle (SBRT) est une technique couramment employée pour le traitement de tumeurs aux poumons lorsque la chirurgie n’est pas possible ou refusée par le patient. Une complication de l’utilisation de cette méthode provient du mouvement de la tumeur causé par la respiration. Dans ce contexte, la radiothérapie asservie à la respiration (RGRT) peut être bénéfique. Toutefois, la RGRT augmente le temps de traitement en raison de la plus petite proportion de temps pour laquelle le faisceau est actif. En utilisant un faisceau de photons sans filtre égalisateur (FFF), ce problème peut être compensé par le débit de dose plus élevé d’un faisceau FFF. Ce mémoire traite de la faisabilité d’employer la technique de RGRT en combinaison avec l’utilisation un faisceau FFF sur un accélérateur Synergy S (Elekta, Stockholm, Suède) avec une ceinture pneumatique, le Bellows Belt (Philips, Amsterdam, Pays-Bas), comme dispositif de suivi du signal respiratoire. Un Synergy S a été modifié afin de pouvoir livrer un faisceau 6 MV FFF. Des mesures de profils de dose et de rendements en profondeur ont été acquises en cuve à eau pour différentes tailles de champs. Ces mesures ont été utilisées pour créer un modèle du faisceau 6 MV FFF dans le système de planification de traitement Pinnacle3 de Philips. Les mesures ont été comparées au modèle à l’aide de l’analyse gamma avec un critère de 2%, 2 mm. Par la suite, cinq plans SBRT avec thérapie en arc par modulation volumétrique (VMAT) ont été créés avec le modèle 6 MV du Synergy S, avec et sans filtre. Une comparaison des paramètres dosimétriques a été réalisée entre les plans avec et sans filtre pour évaluer la qualité des plans FFF. Les résultats révèlent qu’il est possible de créer des plans SBRT VMAT avec le faisceau 6 MV FFF du Synergy S qui sont cliniquement acceptables (les crières du Radiation Therapy Oncology Group 0618 sont respectés). Aussi, une interface physique de RGRT a été mise au point pour remplir deux fonctions : lire le signal numérique de la ceinture pneumatique Bellows Belt et envoyer une commande d’irradiation binaire au linac. L’activation/désactivation du faisceau du linac se fait par l’entremise d’un relais électromécanique. L’interface comprend un circuit électronique imprimé fait maison qui fonctionne en tandem avec un Raspberry Pi. Un logiciel de RGRT a été développé pour opérer sur le Raspberry Pi. Celui-ci affiche le signal numérique du Bellows Belt et donne l’option de choisir les limites supérieure et inférieure de la fenêtre d’irradiation, de sorte que lorsque le signal de la ceinture se trouve entre ces limites, le faisceau est actif, et inversement lorsque le signal est hors de ces limites. Le logiciel envoie donc une commande d’irradiation au linac de manière automatique en fonction de l’amplitude du signal respiratoire. Finalement, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un autre plan standard sans RGRT sans filtre démontre que le temps de traitement en mode FFF est réduit en moyenne de 54.1% pour un arc. De la même manière, la comparaison entre la livraison d’un traitement standard sans RGRT avec filtre par rapport à un plan de RGRT (fenêtre d’irradiation de 75%) sans filtre montre que le temps de traitement de RGRT en mode FFF est réduit en moyenne de 27.3% par arc. Toutefois, il n’a pas été possible de livrer des traitements de RGRT avec une fenêtre de moins de 75%. Le linac ne supporte pas une fréquence d’arrêts élevée.

Sviluppo di un metodo di radioterapia adattativa tramite immagini portali e Cone-Beam CT

Il presente lavoro, svolto presso il servizio di Fisica Sanitaria dell’Azienda Ospedaliera Universitaria di Parma, consiste nello sviluppo di un metodo innovativo di radioterapia adattativa. Il metodo è stato applicato a pazienti affetti da varie patologie, trattati con tecnica VMAT, (Volumetric Modulated Arc Therapy), altamente conformata al target. Il metodo sviluppato si compone di due fasi: nella prima fase vengono effettuate due analisi su immagini portali, di ricostruzione della dose all'isocentro e l'analisi gamma 2D. Se almeno una di queste fallisce, si interviene con la seconda fase, che vede l'acquisizione della CBCT del paziente e la taratura in densità elettronica della stessa. Si calcola dunque il piano su CBCT, previa operazione di contouring da parte del medico e, infine, si esegue l'analisi gamma 3D sulle matrici di dose calcolate sulla CT e sulla CBCT del paziente, quantificando gli indici gamma sulle strutture PTV, CTV e OAR di interesse clinico. In base ai risultati, se necessario, si può intervenire sul piano di trattamento. Le analisi gamma 2D e 3D sono state svolte avvalendosi di un software toolkit chiamato GADD-23 (Gamma Analysis on 2D and 3D Dose Distributions) implementato e sviluppato appositamente in ambiente Matlab per questo lavoro di tesi; in particolare, la realizzazione di GADD-23 è stata resa possibile grazie all'interazione con due software di tipo open-source, Elastix e CERR, specifici per l’elaborazione e la registrazione di immagini mediche. I risultati ottenuti mostrano come il metodo sviluppato sia in grado di mettere in luce cambiamenti anatomici che alcuni pazienti hanno subìto, di tipo sistematico, in cui è possibile prendere in considerazione una ripianificazione del trattamento per correggerli, o di tipo casuale, sui quali può essere utile condurre l'attenzione del medico radioterapista, sebbene non sia necessario un replanning.

Controlli di qualita in radioterapia a fasci esterni con pellicole Gafchromic EBT3

Il lavoro svolto per questa tesi è stato effettuato presso il reparto di Fisica Medica dell’Ospedale Bellaria di Bologna, e ha lo scopo di mettere in evidenza l’efficacia dell’utilizzo di pellicole Gafchromic EBT3 nei controlli di qualità effettuati sull’acceleratore lineare LINAC SynergyS per radioterapia a fasci esterni. L’utilizzo continuo e prolungato dell’acceleratore durante i trattamenti radianti può causare nel tempo una perdita della calibrazione iniziale dei suoi componenti meccanici e dosimetrici: per questo è necessario controllarne periodicamente lo stato di funzionamento. Lo scopo dei controlli di qualità è quindi quello di verificare che tale fenomeno non sia avvenuto, per garantire precisione e sicurezza durante l’irradiazione del paziente (essenziale per i trattamenti ad alta precisione come l’IMRT e il VMAT), richiedendo che il fascio erogato colpisca il tessuto malato e riducendo al minimo l’errore per evitare il danneggiamento dei tessuti sani circostanti. I test effettuati sull’acceleratore lineare rientrano nel programma di assicurazione di qualità elaborato ed implementato a cura dei reparti di Fisica Medica e Radioterapia dell' Ospedale Bellaria di Bologna. Tale programma di assicurazione di qualità, è attuato per garantire che i risultati dei test rientrino nelle tolleranze meccaniche e dosimetriche previste dal protocollo dei controlli di qualità per le prove di stato e periodiche sull’acceleratore lineare in vigore all' AUSL di Bologna. In particolare in questo lavoro di tesi sono state effettuate prove dosimetriche, quali la verifica dell’omogeneità e della simmetria del fascio radiante, e prove meccaniche quali la verifica della corrispondenza tra isocentro meccanico ed isocentro radiante. Per queste verifiche sperimentali sono state utilizzate le pellicole radiocromiche Gafchromic EBT3; si tratta di dosimetri bidimensionali particolarmente adatti alla verifica dei trattamenti ad intensità modulata (IMRT, VMAT) che consentono un’accurata stima della distribuzione e dei gradienti di dose assorbita. L'utilizzo delle pellicole Gafchromic EBT3 insieme al software FilmQA Pro si è rivelato uno strumento dosimetrico preciso, accurato e pratico per effettuare i controlli di qualità di base su un acceleratore lineare per radioterapia.

A method for automated generation of radiotherapy treatment plans for lung cancer

La radioterapia è una tecnica molto impiegata per la cura del cancro. Attualmente la somministrazione avviene principalmente attraverso la intensity modulated radiotherapy (IMRT, sovrapposizione di campi ad intensità modulata), un cui sviluppo recente è la volumetric modulated arc therapy (VMAT, irradiazione continua lungo un arco ininterrotto). La generazione di piani richiede esperienza ed abilità: un dosimetrista seleziona cost functions ed obiettivi ed un TPS ottimizza la disposizione dei segmenti ad intensità modulata. Se il medico giudica il risultato non soddisfacente, il processo riparte da capo (trial-and-error). Una alternativa è la generazione automatica di piani. Erasmus-iCycle, software prodotto presso ErasmusMC (Rotterdam, The Netherlands), è un algoritmo di ottimizzazione multicriteriale di piani radioterapici per ottimizzazione di intensità basato su una wish list. L'output consiste di piani Pareto-ottimali ad intensità modulata. La generazione automatica garantisce maggiore coerenza e qualità più elevata con tempi di lavoro ridotti. Nello studio, una procedura di generazione automatica di piani con modalità VMAT è stata sviluppata e valutata per carcinoma polmonare. Una wish list è stata generata attraverso una procedura iterativa su un gruppo ristretto di pazienti con la collaborazione di fisici medici ed oncologi e poi validata su un gruppo più ampio di pazienti. Nella grande maggioranza dei casi, i piani automatici sono stati giudicati dagli oncologi migliori rispetto ai rispettivi piani IMRT clinici generati manualmente. Solo in pochi casi una rapida calibrazione manuale specifica per il paziente si è resa necessaria per soddisfare tutti i requisiti clinici. Per un sottogruppo di pazienti si è mostrato che la qualità dei piani VMAT automatici era equivalente o superiore rispetto ai piani VMAT generati manualmente da un dosimetrista esperto. Complessivamente, si è dimostrata la possibilità di generare piani radioterapici VMAT ad alta qualità automaticamente, con interazione umana minima. L'introduzione clinica della procedura automatica presso ErasmusMC è iniziata (ottobre 2015).

Use of EORTC Target Definition Guidelines for Dose-Intensified Salvage Radiation Therapy for Recurrent Prostate Cancer: Results of the Quality Assurance Program of the Randomized Trial SAKK 09/10

PURPOSE Different international target volume delineation guidelines exist and different treatment techniques are available for salvage radiation therapy (RT) for recurrent prostate cancer, but less is known regarding their respective applicability in clinical practice. METHODS AND MATERIALS A randomized phase III trial testing 64 Gy vs 70 Gy salvage RT was accompanied by an intense quality assurance program including a site-specific and study-specific questionnaire and a dummy run (DR). Target volume delineation was performed according to the European Organisation for the Research and Treatment of Cancer guidelines, and a DR-based treatment plan was established for 70 Gy. Major and minor protocol deviations were noted, interobserver agreement of delineated target contours was assessed, and dose-volume histogram (DVH) parameters of different treatment techniques were compared. RESULTS Thirty European centers participated, 43% of which were using 3-dimensional conformal RT (3D-CRT), with the remaining centers using intensity modulated RT (IMRT) or volumetric modulated arc technique (VMAT). The first submitted version of the DR contained major deviations in 21 of 30 (70%) centers, mostly caused by inappropriately defined or lack of prostate bed (PB). All but 5 centers completed the DR successfully with their second submitted version. The interobserver agreement of the PB was moderate and was improved by the DR review, as indicated by an increased κ value (0.59 vs 0.55), mean sensitivity (0.64 vs 0.58), volume of total agreement (3.9 vs 3.3 cm(3)), and decrease in the union volume (79.3 vs 84.2 cm(3)). Rectal and bladder wall DVH parameters of IMRT and VMAT vs 3D-CRT plans were not significantly different. CONCLUSIONS The interobserver agreement of PB delineation was moderate but was improved by the DR. Major deviations could be identified for the majority of centers. The DR has improved the acquaintance of the participating centers with the trial protocol.

A rare case of a large spinal meningioma with mediastinal extension and malignant behavior classified histologically as benign

AIM To report a rare case of a spinal WHO grade I meningioma extending through intervertebral foramina C7 to D4 with an extensive mediastinal mass and infiltration of the vertebrae, and to discuss the malignant behavior of a tumor classified as benign. METHODS (Clinical Presentation, Histology, and Imaging): A 54-year-old man suffered from increasing lower back pain with gait difficulties, weakness and numbness of the lower extremities, as well as urge incontinence. CT scan of the thorax and MRI scan of the spine revealed a large prevertebral tumor, which extended to the spinal canal and caused compression of the spinal cord at the levels of C7 to D4 leading to myelopathy with hyperintense signal alteration on T2-weighted MRI images. The signal constellation (T1 with and without contrast, T2, TIR) was highly suspicious for infiltration of vertebrae C7 to D5. Somatostatin receptor SPECT/CT with (111)In-DTPA-D: -Phe-1-octreotide detected a somatostatin receptor-positive mediastinal tumor with infiltration of multiple vertebrae, dura, and intervertebral foramina C7-D4, partially with Krenning score >2. Percutaneous biopsies of the mediastinal mass led to histopathological findings of WHO grade I meningioma of meningothelial subtype. RESULTS (Therapy): C7 to D4 laminoplasty was performed, and the intraspinal, extradural part of the tumor was microsurgically removed. Postoperative stereotactic radiation therapy was done using the volumetric modulated arc therapy (VMAT) technique (RapidArc). No PRRNT with (90)Y-DOTA-TOC was done. CONCLUSIONS Due to the rare incidence and complex presentation of this disease not amenable to complete surgical resection, an individualized treatment approach should be worked out interdisciplinarily. The treatment approach should be based not only on histology but also on clinical and imaging findings. Close clinical and radiological follow-up may be mandatory even for benign tumors.

Risk of Second Malignant Neoplasms Following Proton Arc Therapy and Volumetric Modulated Arc Therapy for Prostate Cancer

The risk of second malignant neoplasms (SMNs) following prostate radiotherapy is a concern due to the large population of survivors and decreasing age at diagnosis. It is known that parallel-opposed beam proton therapy carries a lower risk than photon IMRT. However, a comparison of SMN risk following proton and photon arc therapies has not previously been reported. The purpose of this study was to predict the ratio of excess relative risk (RRR) of SMN incidence following proton arc therapy to that after volumetric modulated arc therapy (VMAT). Additionally, we investigated the impact of margin size and the effect of risk-minimized proton beam weighting on predicted RRR. Physician-approved treatment plans were created for both modalities for three patients. Therapeutic dose was obtained with differential dose-volume histograms from the treatment planning system, and stray dose was estimated from the literature or calculated with Monte Carlo simulations. Then, various risk models were applied to the total dose. Additional treatment plans were also investigated with varying margin size and risk-minimized proton beam weighting. The mean RRR ranged from 0.74 to 0.99, depending on risk model. The additional treatment plans revealed that the RRR remained approximately constant with varying margin size, and that the predicted RRR was reduced by 12% using a risk-minimized proton arc therapy planning technique. In conclusion, proton arc therapy was found to provide an advantage over VMAT in regard to predicted risk of SMN following prostate radiotherapy. This advantage was independent of margin size and was amplified with risk-optimized proton beam weighting.