Analysis of the use of dosimetrically equivalent linear accelerators for intensity modulated radiotherapy treatments

Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica , apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2015O uso de radiações para terapia iniciou-se pouco tempo após a descoberta dos raios-X por Wilhelm Röntgen em 1895, tendo ocorrido uma grande evolução ao nível da tecnologia geradora de raios-X até ao presente. Essa evolução tornou possível que sejam produzidos feixes de fotões e electrões de altas energias. Os aceleradores lineares são actualmente os principais produtores de raios X de alta energia utilizados em Radioterapia. Devido à evolução tecnológica das últimas décadas e ao elevado nível de reprodutibilidade e precisão dos feixes produzidos por estes equipamentos, tem-se verificado um esforço progressivo, por parte dos fabricantes, para uniformizar o desenho e a tecnologia dos aceleradores lineares. Esta uniformização permite que aceleradores lineares idênticos possam ser instalados com ajuste dosimétrico (beam-matching) e considerados dosimetricamente equivalentes. A instalação com beam-matching permite um aumento da flexibilidade e eficiência dos aceleradores lineares, pois reduz a necessidade de interrupção ou replaneamento dos tratamentos em caso de paragem de um dos equipamentos, devido à possibilidade da utilização indistinta dos mesmos. A utilização indistinta dos aceleradores lineares assume um papel bastante importante nas unidades de tratamento, pois as interrupções do funcionamento normal dos equipamentos são relativamente frequentes, devido a intervenções de manutenção preventiva periódica, bem como a avarias. Por este motivo, tem-se tornado comum nos serviços de radioterapia a instalação de aceleradores lineares com beam-matching em relação a equipamentos similares instalados previamente, fazendo com que os aceleradores lineares existentes no serviço sejam dosimetricamente equivalentes e permitindo a sua utilização indistinta. Apesar dos ajustes dosimétricos, podem ocorrer pequenas variações nas características dos aceleradores lineares, que podem resultar de diversos factores, como desgaste dos equipamentos ou condições de utilização. Têm sido realizados estudos [1-4] com a finalidade de avaliar a equivalência dosimétrica de aceleradores lineares instalados com beam-matching dentro de uma unidade de tratamento. Os resultados obtidos nestes estudos confirmam a equivalência dosimétrica entre os equipamentos, sugerindo que o processo de beam-matching é suficiente para garantir a utilização indistinta dos aceleradores lineres. No entanto, resultando as possíveis variações nas características dos equipamentos de diversos factores, é necessário avaliar individualmente a equivalência dosimétrica dos aceleradores lineares para diferentes unidades, bem como verificar se esta equivalência é mantida a longo-prazo ou se, por outro lado, surgem diferenças significativas ao nível das características dosimétricas que justifiquem a adaptação do sistema de planeamento aos novos parâmetros. Esta necessidade assume especial relevância para técnicas avançadas, como a Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT), na qual se verificam elevados gradientes de dose e são utilizados colimadores multi-lâminas (MLC), bem como campos de reduzidas dimensões, que podem conduzir a um maior impacto das variações ao nível dos planeamentos dosimétricos. Deste modo, no âmbito do Estágio realizado no Instituto Português de Oncologia de Lisboa Francisco Gentil (IPOLFG), foi realizado um estudo que consistiu, por um lado, na avaliação da estabilidade a longo prazo das características dos feixes de fotões de 6 MV e, por outro, na comparação dosimétrica para a técnica de Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT). Para a realização do presente estudo, foram utilizados três aceleradores lineares do modelo 2100C/D da Varian Medical Systems, Inc., que produzem fotões com energias de 6 MV e com um valor de energia mais elevado, 10 MV ou 15 MV, bem como electrões com diversas energias. Um dos aceleradores lineares, denominado DHX01, foi instalado em Março de 2012, enquanto os dois restantes, DHX02 e DHX03, foram instalados em Novembro e Dezembro de 2012, respectivamente. Os aceleradores lineares DHX02 e DHX03 foram instalados com beam-matching, sendo dosimetricamente equivalentes no sistema de planeamento e usados indistintamente em caso de interrupção do funcionamento de um dos equipamentos. Os três aceleradores lineares são usados para tratamentos de Radioterapia de Intensidade Modulada (IMRT), contendo, para o efeito, um colimador multilâminas (MLC) MilleniumTM MLC com 120 lâminas, divididas por dois bancos com 60 lâminas. Estão também equipados com um dispositivo electrónico de imagem portal (EPID), usado para verificação de planos de IMRT. A avaliação da estabilidade a longo-prazo das características dosimétricas dos aceleradores lineares consistiu na análise de dados adquiridos nas verificações realizadas no âmbito dos controlos de qualidade diário e trimestral durante o ano de 2014 para fotões de 6 MV (energia utilizada para tratamentos de IMRT). Na análise foram também incluídos os resultados de medições realizadas para controlo de qualidade do MLC. Os resultados obtidos com os três aceleradores lineares foram analisados usando o software SPSS Statistics Package, sendo realizada uma comparação entre os três equipamentos para verificar se, de modo geral, os resultados obtidos nos controlos de qualidade compromete a equivalência dosimétrica em estudo. A comparação dosimétrica dos três aceleradores lineares para tratamentos de IMRT foi realizada através de verificação de planos de tratamento para patologia de cabeça e pescoço (H&N) e próstata, criados com o sistema de planeamento EclipseTM da Varian Medical Systems, Inc. Foram selecionadas amostras contendo doentes tratados em cada um dos aceleradores lineares usando a técnica de IMRT, para cada uma das duas patologias, num total de seis amostras. Para além das verificações originais realizadas antes do início dos tratamentos, usando o equipamento em que o doente foi tratado, novas verificações foram realizadas com os restantes dois aceleradores lineares, sem troca de unidade de tratamento no sistema de planeamento, i.e., mantendo os parâmetros originais do plano de tratamento, sem recálculo para equipamento diferente. As verificações foram realizadas através de Análise Gamma de imagens portais adquiridas através de EPID. A comparação entre os três equipamentos consistiu na comparação das percentagens de pontos em conformidade com os critérios estabelecidos para a Análise Gamma com critérios 3.0%, 3.0 mm obtidas nas três verificações efectuadas para cada amostra e análise das diferenças obtidas com realização da verificação com um equipamento diferente. Foi ainda realizada uma análise de doses no sistema de planeamento, que consistiu na troca de unidade de tratamento no sistema de planeamento para todos os doentes de cada uma das amostras, com posterior recálculo de dose, e determinação da das diferenças obtidas devido à troca de equipamento ao nível da dose e unidades monitor (UM) calculadas pelo TPS. Esta última análise teve a finalidade de determinar se possíveis desvios obtidos nos resultados da Análise Gamma para as verificações com EPID são resultantes de diferenças nas características dosimétricas dos aceleradores lineares ou se, por outro lado, resultam de diferenças acentuadas entre as unidades de tratamento no sistema de planeamento, comprometendo o ajustamento experimental a um equipamento diferente. Ambas as avaliações foram realizadas com a finalidade de estudar dois aspectos principais. Um deles consistiu na verificação da equivalência dosimétrica a longo-prazo dos aceleradores lineares DHX02 e DHX03, instalados com beam-matching, bem como a verificação desta equivalência no caso de tratamentos de IMRT. O outro aspecto em estudo consistiu na possibilidade de utilizar indistintamente o terceiro acelerador linear, DHX01, instalado sem beam-matching, como dosimetricamente equivalente aos outros dois equipamentos para tratamentos de IMRT. Os resultados obtidos estão de acordo com os valores de tolerância recomendados e confirmam a equivalência dosimétrica entre os aceleradores lineares. No entanto, sugerem precaução na utilização indistinta do equipamento DHX01, pois, embora os resultados estejam dentro dos limites estabelecidos (acordos da Análise Gamma superiores a 90.00%), diferem dos obtidos para os restantes aceleradores lineares, com desvios máximos de 8.00%. Apesar de as diferenças obtidas não serem, em geral, significativas (desvios médios são de aproximadamente 4.00%) não comprometerem totalmente a utilização indistinta do equipamento DHX01, é recomendada a actualização das características dos aceleradores lineares no sistema de planeamento.Linear accelerators are currently the mostly used high energy X-rays generators for Radiotherapy. Due to the evolution occurred in the last decades, as well as to the high reproducibility and precision of the beams generated by these machines, a progressive standardization of their design and technology has occurred. This standardization allows similar linear accelerators to be installed with dosimetric adjustments (beam-matching) and considered dosimetrically equivalent in the treatment planning system, reducing the need of treatment interruption or replanning if a linear accelerator is not functioning. In spite of the dosimetric adjustments, small variation in outputs may occur due to several factors, as equipment wear or use conditions. Several studies [1-4] that supported the dosimetric equivalence between beam-matched linear accelerators have been performed. However, as the possible variations result from diverse factors, it is recommended to evaluate the dosimetric equivalence of linear accelerators individually for each treatment facility, especially for advanced treatment techniques, as Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT), in which dose gradients are high and multileaf collimators (MLC) and small fields are used, possibly increasing the impact of the variations for dosimetric plans. For this reason, in the context of the Internship in Instituto Português de Oncologia de Lisboa Francisco Gentil (IPOLFG), a long term stability evaluation has been performed for the characteristics of 6 MV photons from three linear accelerators installed in the Radiotherapy Service (two of them are beam-matched), acquired during daily and trimestral quality assurance procedures. It was also performed a dosimetric comparison between the three machines for Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT), using portal imaging and Gamma Analysis, in order to verify the differences resultant from the indistinct use of the linear accelerators. The obtained results supported the dosimetric equivalence of the linear accelerators, but suggesting caution when using indistinctly the linear accelerator installed without beam-matching, especially for Head and Neck treatments, since, although the results are in accordance the recommended tolerance of 90.00% for the agreement of the Gamma Analysis, higher deviations were obtained for this equipment, with approximate average values of 4.00% and maximum value of 8.00%

Performance study of Kalman Filter track reconstruction algorithms in the FOOT experiment

Il progresso tecnologico ha portato all'evoluzione delle tecniche di radiazione oncologica, tra cui spicca il trattamento di adroterapia, che utilizza particelle cariche come protoni e ioni C. Il vantaggio rispetto alla radioterapia convenzionale, è la peculiare curva di rilascio di dose di particelle cariche nei tessuti, che presenta un massimo localizzato (picco di Bragg) alla fine del cammino. L'obiettivo di un trattamento adroterapico è la localizzazione della massima dose nel volume tumorale con minimo rilascio di dose nei tessuti sani circostanti. Oggigiorno, il Treatment Planning System (TPS) non considera appieno gli eventi di frammentazione, sia del bersaglio di materia organica nel caso di fasci di protoni, sia del proiettile in caso di ioni pesanti. Questo può portare alla sottostima della dose rilasciata negli organi a rischio, compromettendo l'efficacia del trattamento. Il nuovo esperimento FOOT (FragmentatiOn Of Target) si incarica di ricavare dati sperimentali sulla sezione d'urto dei frammenti prodotti nell'interazione tra particelle cariche (protoni e ioni pesanti come C, He e O) e tessuti biologici alle energie di 200-400 MeV/u. Questi dati saranno essenziali sia per il miglioramento dei trattamenti di adroterapia, sia per lo studio e l'ottimizzazione di meccanismi di radioprotezione per gli astronauti in orbita. L'apparato di FOOT consiste in un sistema di tracking in campo magnetico ad alta precisione ed utilizzando l'approccio di cinematica inversa, permette il calcolo della sezione d'urto differenziale di frammentazione nucleare con un'incertezza minore del 5%. La ricostruzione delle tracce si basa sul software SHOE (Software for Hadrontherapy Optimization Experiment), che utilizza il toolkit GENFIT ed il suo algoritmo Kalman di ricostruzione. Questa tesi si occupa dello studio di metodi per l'ottimizzazione della ricostruzione delle tracce, focalizzandosi in particolare sul filtro di Kalman e la sua performance nell'esperimento FOOT

Impact of using different radiation therapy techniques in breat cancer: contralateral breast dose

RESUMO: O cancro de mama e o mais frequente diagnoticado a indiv duos do sexo feminino. O conhecimento cientifico e a tecnologia tem permitido a cria ção de muitas e diferentes estrat egias para tratar esta patologia. A Radioterapia (RT) est a entre as diretrizes atuais para a maioria dos tratamentos de cancro de mama. No entanto, a radia ção e como uma arma de dois canos: apesar de tratar, pode ser indutora de neoplasias secund arias. A mama contralateral (CLB) e um orgão susceptivel de absorver doses com o tratamento da outra mama, potenciando o risco de desenvolver um tumor secund ario. Nos departamentos de radioterapia tem sido implementadas novas tecnicas relacionadas com a radia ção, com complexas estrat egias de administra ção da dose e resultados promissores. No entanto, algumas questões precisam de ser devidamente colocadas, tais como: E seguro avançar para tecnicas complexas para obter melhores indices de conformidade nos volumes alvo, em radioterapia de mama? O que acontece aos volumes alvo e aos tecidos saudaveis adjacentes? Quão exata e a administração de dose? Quais são as limitações e vantagens das técnicas e algoritmos atualmente usados? A resposta a estas questões e conseguida recorrendo a m etodos de Monte Carlo para modelar com precisão os diferentes componentes do equipamento produtor de radia ção(alvos, ltros, colimadores, etc), a m de obter uma descri cão apropriada dos campos de radia cão usados, bem como uma representa ção geometrica detalhada e a composição dos materiais que constituem os orgãos e os tecidos envolvidos. Este trabalho visa investigar o impacto de tratar cancro de mama esquerda usando diferentes tecnicas de radioterapia f-IMRT (intensidade modulada por planeamento direto), IMRT por planeamento inverso (IMRT2, usando 2 feixes; IMRT5, com 5 feixes) e DCART (arco conformacional dinamico) e os seus impactos em irradia ção da mama e na irradia ção indesejada dos tecidos saud aveis adjacentes. Dois algoritmos do sistema de planeamento iPlan da BrainLAB foram usados: Pencil Beam Convolution (PBC) e Monte Carlo comercial iMC. Foi ainda usado um modelo de Monte Carlo criado para o acelerador usado (Trilogy da VARIAN Medical Systems), no c odigo EGSnrc MC, para determinar as doses depositadas na mama contralateral. Para atingir este objetivo foi necess ario modelar o novo colimador multi-laminas High- De nition que nunca antes havia sido simulado. O modelo desenvolvido est a agora disponí vel no pacote do c odigo EGSnrc MC do National Research Council Canada (NRC). O acelerador simulado foi validado com medidas realizadas em agua e posteriormente com c alculos realizados no sistema de planeamento (TPS).As distribui ções de dose no volume alvo (PTV) e a dose nos orgãos de risco (OAR) foram comparadas atrav es da an alise de histogramas de dose-volume; an alise estati stica complementar foi realizadas usando o software IBM SPSS v20. Para o algoritmo PBC, todas as tecnicas proporcionaram uma cobertura adequada do PTV. No entanto, foram encontradas diferen cas estatisticamente significativas entre as t ecnicas, no PTV, nos OAR e ainda no padrão da distribui ção de dose pelos tecidos sãos. IMRT5 e DCART contribuem para maior dispersão de doses baixas pelos tecidos normais, mama direita, pulmão direito, cora cão e at e pelo pulmão esquerdo, quando comparados com as tecnicas tangenciais (f-IMRT e IMRT2). No entanto, os planos de IMRT5 melhoram a distribuição de dose no PTV apresentando melhor conformidade e homogeneidade no volume alvo e percentagens de dose mais baixas nos orgãos do mesmo lado. A t ecnica de DCART não apresenta vantagens comparativamente com as restantes t ecnicas investigadas. Foram tamb em identi cadas diferen cas entre os algoritmos de c alculos: em geral, o PBC estimou doses mais elevadas para o PTV, pulmão esquerdo e cora ção, do que os algoritmos de MC. Os algoritmos de MC, entre si, apresentaram resultados semelhantes (com dferen cas at e 2%). Considera-se que o PBC não e preciso na determina ção de dose em meios homog eneos e na região de build-up. Nesse sentido, atualmente na cl nica, a equipa da F sica realiza medi ções para adquirir dados para outro algoritmo de c alculo. Apesar de melhor homogeneidade e conformidade no PTV considera-se que h a um aumento de risco de cancro na mama contralateral quando se utilizam t ecnicas não-tangenciais. Os resultados globais dos estudos apresentados confirmam o excelente poder de previsão com precisão na determinação e c alculo das distribui ções de dose nos orgãos e tecidos das tecnicas de simulação de Monte Carlo usados.---------ABSTRACT:Breast cancer is the most frequent in women. Scienti c knowledge and technology have created many and di erent strategies to treat this pathology. Radiotherapy (RT) is in the actual standard guidelines for most of breast cancer treatments. However, radiation is a two-sword weapon: although it may heal cancer, it may also induce secondary cancer. The contralateral breast (CLB) is a susceptible organ to absorb doses with the treatment of the other breast, being at signi cant risk to develop a secondary tumor. New radiation related techniques, with more complex delivery strategies and promising results are being implemented and used in radiotherapy departments. However some questions have to be properly addressed, such as: Is it safe to move to complex techniques to achieve better conformation in the target volumes, in breast radiotherapy? What happens to the target volumes and surrounding healthy tissues? How accurate is dose delivery? What are the shortcomings and limitations of currently used treatment planning systems (TPS)? The answers to these questions largely rely in the use of Monte Carlo (MC) simulations using state-of-the-art computer programs to accurately model the di erent components of the equipment (target, lters, collimators, etc.) and obtain an adequate description of the radiation elds used, as well as the detailed geometric representation and material composition of organs and tissues. This work aims at investigating the impact of treating left breast cancer using di erent radiation therapy (RT) techniques f-IMRT (forwardly-planned intensity-modulated), inversely-planned IMRT (IMRT2, using 2 beams; IMRT5, using 5 beams) and dynamic conformal arc (DCART) RT and their e ects on the whole-breast irradiation and in the undesirable irradiation of the surrounding healthy tissues. Two algorithms of iPlan BrainLAB TPS were used: Pencil Beam Convolution (PBC)and commercial Monte Carlo (iMC). Furthermore, an accurate Monte Carlo (MC) model of the linear accelerator used (a Trilogy R VARIANR) was done with the EGSnrc MC code, to accurately determine the doses that reach the CLB. For this purpose it was necessary to model the new High De nition multileaf collimator that had never before been simulated. The model developed was then included on the EGSnrc MC package of National Research Council Canada (NRC). The linac was benchmarked with water measurements and later on validated against the TPS calculations. The dose distributions in the planning target volume (PTV) and the dose to the organs at risk (OAR) were compared analyzing dose-volume histograms; further statistical analysis was performed using IBM SPSS v20 software. For PBC, all the techniques provided adequate coverage of the PTV. However, statistically significant dose di erences were observed between the techniques, in the PTV, OAR and also in the pattern of dose distribution spreading into normal tissues. IMRT5 and DCART spread low doses into greater volumes of normal tissue, right breast, right lung, heart and even the left lung than tangential techniques (f-IMRT and IMRT2). However,IMRT5 plans improved distributions for the PTV, exhibiting better conformity and homogeneity in target and reduced high dose percentages in ipsilateral OAR. DCART did not present advantages over any of the techniques investigated. Di erences were also found comparing the calculation algorithms: PBC estimated higher doses for the PTV, ipsilateral lung and heart than the MC algorithms predicted. The MC algorithms presented similar results (within 2% di erences). The PBC algorithm was considered not accurate in determining the dose in heterogeneous media and in build-up regions. Therefore, a major e ort is being done at the clinic to acquire data to move from PBC to another calculation algorithm. Despite better PTV homogeneity and conformity there is an increased risk of CLB cancer development, when using non-tangential techniques. The overall results of the studies performed con rm the outstanding predictive power and accuracy in the assessment and calculation of dose distributions in organs and tissues rendered possible by the utilization and implementation of MC simulation techniques in RT TPS

Investigation of Respiratory Motion Management Techniques for Proton and Photon Radiotherapy of Lung Cancer

Protons as a source of therapeutic radiation can provide a substantial improvement over dose distributions that can be achieved with conventional sources of radiation such as high-energy photons. However, respiratory motion can significantly impact the delivered proton and photon dose distributions during lung cancer radiotherapy. The goals of this dissertation research were to evaluate the impact of respiratory motion and to estimate the benefit of respiratory gating for passively scattered proton therapy (PSPT) and intensity modulated photon therapy (IMRT). The first aim of this project was to determine the impact of respiratory motion in PSPT and IMRT. Four dimensional dose distributions were calculated in both modalities for a cohort of 20 patients. The mean changes in normal tissue dose-volume indices were indistinguishable except proton therapy had a greater increase in lung V5, heart V5 and spinal cord maximum dose. The effects of respiratory motion on the calculated dose were not correlated to the tumor motion. The second aim estimated the benefit of PSPT and IMRT respiratory gating by simulating end-exhale gated treatment plans. The results demonstrated that respiratory gating showed a benefit for a majority of proton and photon treatment plans. PSPT gating, compared to IMRT gating, allowed for larger reduction of all lung and intermediate esophagus dose-volume indices. The third aim attempted to correlate the benefit of respiratory gating to the extent of tumor motion. For the cohort, the benefit of respiratory gating in PSPT and IMRT cannot be predicted by the extent of tumor motion. This aim showed that the tumor motion was inadequate to predict the benefit of respiratory gating. In an additional fourth aim, we proposed a new metric to quantify respiratory motion in proton therapy: the water equivalent thickness (WET). The change in WET between the inhale and exhale phases of respiration (∆WET) was significantly correlated to the change in dose during respiration. Additionally, ∆WET analysis was used to create treatment plans that were more robust to respiratory motion. The use of ∆WET gives a powerful new tool, especially in proton therapy, to quantify the anatomical variations of all irradiated tissues along the beam path

Multi-criteria optimization algorithms for high dose rate brachytherapy

L’objectif général de cette thèse est d’utiliser les connaissances en physique de la radiation, en programmation informatique et en équipement informatique à la haute pointe de la technologie pour améliorer les traitements du cancer. En particulier, l’élaboration d’un plan de traitement en radiothérapie peut être complexe et dépendant de l’utilisateur. Cette thèse a pour objectif de simplifier la planification de traitement actuelle en curiethérapie de la prostate à haut débit de dose (HDR). Ce projet a débuté à partir d’un algorithme de planification inverse largement utilisé, la planification de traitement inverse par recuit simulé (IPSA). Pour aboutir à un algorithme de planification inverse ultra-rapide et automatisé, trois algorithmes d’optimisation multicritères (MCO) ont été mis en oeuvre. Suite à la génération d’une banque de plans de traitement ayant divers compromis avec les algorithmes MCO, un plan de qualité a été automatiquement sélectionné. Dans la première étude, un algorithme MCO a été introduit pour explorer les frontières de Pareto en curiethérapie HDR. L’algorithme s’inspire de la fonctionnalité MCO intégrée au système Raystation (RaySearch Laboratories, Stockholm, Suède). Pour chaque cas, 300 plans de traitement ont été générés en série pour obtenir une approximation uniforme de la frontière de Pareto. Chaque plan optimal de Pareto a été calculé avec IPSA et chaque nouveau plan a été ajouté à la portion de la frontière de Pareto où la distance entre sa limite supérieure et sa limite inférieure était la plus grande. Dans une étude complémentaire, ou dans la seconde étude, un algorithme MCO basé sur la connaissance (kMCO) a été mis en oeuvre pour réduire le temps de calcul de l’algorithme MCO. Pour ce faire, deux stratégies ont été mises en oeuvre : une prédiction de l’espace des solutions cliniquement acceptables à partir de modèles de régression et d’un calcul parallèle des plans de traitement avec deux processeurs à six coeurs. En conséquence, une banque de plans de traitement de petite taille (14) a été générée et un plan a été sélectionné en tant que plan kMCO. L’efficacité de la planification et de la performance dosimétrique ont été comparées entre les plans approuvés par le médecin et les plans kMCO pour 236 cas. La troisième et dernière étude de cette thèse a été réalisée en coopération avec Cédric Bélanger. Un algorithme MCO (gMCO) basé sur l’utilisation d’un environnement de développement compatible avec les cartes graphiques a été mis en oeuvre pour accélérer davantage le calcul. De plus, un algorithme d’optimisation quasi-Newton a été implémenté pour remplacer le recuit simulé dans la première et la deuxième étude. De cette manière, un millier de plans de traitement avec divers compromis et équivalents à ceux générés par IPSA ont été calculés en parallèle. Parmi la banque de plans de traitement généré par l’agorithme gMCO, un plan a été sélectionné (plan gMCO). Le temps de planification et les résultats dosimétriques ont été comparés entre les plans approuvés par le médecin et les plans gMCO pour 457 cas. Une comparaison à grande échelle avec les plans approuvés par les radio-oncologues montre que notre dernier algorithme MCO (gMCO) peut améliorer l’efficacité de la planification du traitement (de quelques minutes à 9:4 s) ainsi que la qualité dosimétrique des plans de traitements (des plans passant de 92:6% à 99:8% selon les critères dosimétriques du groupe de traitement oncologique par radiation (RTOG)). Avec trois algorithmes MCO mis en oeuvre, cette thèse représente un effort soutenu pour développer un algorithme de planification inverse ultra-rapide, automatique et robuste en curiethérapie HDR.The overall purpose of this thesis is to use the knowledge of radiation physics, computer programming and computing hardware to improve cancer treatments. In particular, designing a treatment plan in radiation therapy can be complex and user-dependent, and this thesis aims to simplify current treatment planning in high dose rate (HDR) prostate brachytherapy. This project was started from a widely used inverse planning algorithm, Inverse Planning Simulated Annealing (IPSA). In order to eventually lead to an ultra-fast and automatic inverse planning algorithm, three multi-criteria optimization (MCO) algorithms were implemented. With MCO algorithms, a desirable plan was selected after computing a set of treatment plans with various trade-offs. In the first study, an MCO algorithm was introduced to explore the Pareto surfaces in HDR brachytherapy. The algorithm was inspired by the MCO feature integrated in the Raystation system (RaySearch Laboratories, Stockholm, Sweden). For each case, 300 treatment plans were serially generated to obtain a uniform approximation of the Pareto surface. Each Pareto optimal plan was computed with IPSA, and each new plan was added to the Pareto surface portion where the distance between its upper boundary and its lower boundary was the largest. In a companion study, or the second study, a knowledge-based MCO (kMCO) algorithm was implemented to shorten the computation time of the MCO algorithm. To achieve this, two strategies were implemented: a prediction of clinical relevant solution space with previous knowledge, and a parallel computation of treatment plans with two six-core CPUs. As a result, a small size (14) plan dataset was created, and one plan was selected as the kMCO plan. The planning efficiency and the dosimetric performance were compared between the physician-approved plans and the kMCO plans for 236 cases. The third and final study of this thesis was conducted in cooperation with Cédric Bélanger. A graphics processing units (GPU) based MCO (gMCO) algorithm was implemented to further speed up the computation. Furthermore, a quasi-Newton optimization engine was implemented to replace simulated annealing in the first and the second study. In this way, one thousand IPSA equivalent treatment plans with various trade-offs were computed in parallel. One plan was selected as the gMCO plan from the calculated plan dataset. The planning time and the dosimetric results were compared between the physician-approved plans and the gMCO plans for 457 cases. A large-scale comparison against the physician-approved plans shows that our latest MCO algorithm (gMCO) can result in an improved treatment planning efficiency (from minutes to 9:4 s) as well as an improved treatment plan dosimetric quality (Radiation Therapy Oncology Group (RTOG) acceptance rate from 92.6% to 99.8%). With three implemented MCO algorithms, this thesis represents a sustained effort to develop an ultra-fast, automatic and robust inverse planning algorithm in HDR brachytherapy

Novel dosimetry verification solutions for advanced radiation therapy

Improved optimisation of radiation dose delivery to tumours with improved sparing of normal tissues is an ongoing goal of radiotherapy practice. Advanced radiotherapy techniques are constantly improving to achieve this goal. However, these techniques are more complex to deliver. Hence verifying the source of dose errors is increasingly challenging. Accurate verification of treatment delivery for advanced radiotherapy becomes increasingly important in mitigating dose delivery errors which may compromise clinical outcome. This dissertation investigated treatment dosimetry verification for two different radiotherapy delivery systems i) Open gantry linear accelerator and ii) Helical TomoTherapy HI-ART ® (HT). Part (i) Open gantry linear accelerator - novel prototype hybrid EPID based dosimeters were developed for treatment verification to combine geometric and dosimetric verification in a single system. Initial work on dose response for standard EPIDs provided a more consistent understanding of EPID under-dose response for small monitor units (MUs). The dose response linearity of a standard a-Si EPID was evaluated for different combinations of linac, image acquisition settings and imaging data processing methods. EPID nonlinear response was demonstrated to be primarily due to gain ghosting affects in the a-Si photodiodes. This work has resolved some of the inconsistencies in the literature regarding EPID dose response and proposes a simple yet robust pixel-to-dose calibration method for EPID-based IMRT dosimetry..