The Reasons for Discrepancies in TargetVolume Delineation: A SASRO Study on Head-and-Neck and Prostate Cancers

Purpose: : To understand the reasons for differences in the delineation of target volumes between physicians. Material and Methods: : 18 Swiss radiooncology centers were invited to delineate volumes for one prostate and one head-and-neck case. In addition, a questionnaire was sent to evaluate the differences in the volume definition (GTV [gross tumor volume], CTV [clinical target volume], PTV [planning target volume]), the various estimated margins, and the nodes at risk. Coherence between drawn and stated margins by centers was calculated. The questionnaire also included a nonspecific series of questions regarding planning methods in each institution. Results: : Fairly large differences in the drawn volumes were seen between the centers in both cases and also in the definition of volumes. Correlation between drawn and stated margins was fair in the prostate case and poor in the head-and-neck case. The questionnaire revealed important differences in the planning methods between centers. Conclusion: : These large differences could be explained by (1) a variable knowledge/interpretation of ICRU definitions, (2) variable interpretations of the potential microscopic extent, (3) difficulties in GTV identification, (4) differences in the concept, and (5) incoherence between theory (i.e., stated margins) and practice (i.e., drawn margins

Stability of the Helical TomoTherapy Hi·Art II detector for treatment beam irradiations.

The Hi·Art II Helical TomoTherapy (HT) unit is equipped with a built-in onboard MVCT detector used for patient imaging and beam monitoring. Our aim was to study the detector stability for treatment beam measurements. We studied the MVCT detector response with the 6 MV photon beam over time, throughout short-term (during an irradiation) and long-term (two times 50 days) periods. Our results show a coefficient of variation ≤ 1% for detector chambers inside the beam (excluding beam gradients) for short- and long-term response of the MVCT detector. Larger variations were observed in beam gradients and an influence of the X-ray target where degradation was found. The results assume that an 'air scan' procedure is performed daily to recalibrate the detector with the imaging beam. On short term, the detector response stability is comparable to other devices. Long-term measure- ments during two 50-day periods show a good reproducibility.

Difference in performance between 3D and 4D CBCT for lung imaging: a dose and image quality analysis.

The study was to describe and to compare the performance of 3D and 4D CBCT imaging modalities by measuring and analyzing the delivered dose and the image quality. The 3D (Chest) and 4D (Symmetry) CBCT Elekta XVI lung IGRT protocols were analyzed. Dose profiles were measured with TLDs inside a dedicated phantom. The dosimetric indicator cone-beam dose index (CBDI) was evaluated. The image quality analysis was performed by assessing the contrast transfer function (CTF), the noise power spectrum (NPS) and the noise-equivalent quanta (NEQ). Artifacts were also evaluated by simulating irregular breathing variations. The two imaging modalities showed different dose distributions within the phantom. At the center, the 3D CBCT delivered twice the dose of the 4D CBCT. The CTF was strongly reduced by motion compared to static conditions, resulting in a CTF reduction of 85% for the 3D CBCT and 65% for the 4D CBCT. The amplitude of the NPS was two times higher for the 4D CBCT than for the 3D CBCT. In the presence of motion, the NEQ of the 4D CBCT was 50% higher than the 3D CBCT. In the presence of breathing irregularities, the 4D CBCT protocol was mainly affected by view-aliasing artifacts, which were typically cone-beam artifacts, while the 3D CBCT protocol was mainly affected by duplication artifacts. The results showed that the 4D CBCT ensures a reasonable dose and better image quality when mov-ing targets are involved compared to 3D CBCT. Therefore, 4D CBCT is a reliable imaging modality for lung free-breathing radiation therapy

VoiceS: voice quality after transoral CO2 laser surgery versus single vocal cord irradiation for unilateral stage 0 and I glottic larynx cancer-a randomized phase III trial [study protocol].

BACKGROUND Surgery and radiotherapy are well-established standards of care for unilateral stage 0 and I early-stage glottic cancer (ESGC). Based on comparative studies and meta-analyses, functional and oncological outcomes after both treatment modalities are similar. Historically, radiotherapy (RT) has been performed by irradiation of the whole larynx. However, only the involved vocal cord is being treated with recently introduced hypofractionated concepts that result in 8 to 10-fold smaller target volumes. Retrospective data argues for an improvement in voice quality with non-inferior local control. Based on these findings, single vocal cord irradiation (SVCI) has been implemented as a routine approach in some institutions for ESGC in recent years. However, prospective data directly comparing SVCI with surgery is lacking. The aim of VoiceS is to fill this gap. METHODS In this prospective randomized multi-center open-label phase III study with a superiority design, 34 patients with histopathologically confirmed, untreated, unilateral stage 0-I ESGC (unilateral cTis or cT1a) will be randomized to SVCI or transoral CO2-laser microsurgical cordectomy (TLM). Average difference in voice quality, measured by using the voice handicap index (VHI) will be modeled over four time points (6, 12, 18, and 24 months). Primary endpoint of this study will be the patient-reported subjective voice quality between 6 to 24 months after randomization. Secondary endpoints will include perceptual impression of the voice via roughness - breathiness - hoarseness (RBH) assessment at the above-mentioned time points. Additionally, quantitative characteristics of voice, loco-regional tumor control at 2 and 5 years, and treatment toxicity at 2 and 5 years based on CTCAE v.5.0 will be reported. DISCUSSION To our knowledge, VoiceS is the first randomized phase III trial comparing SVCI with TLM. Results of this study may lead to improved decision-making in the treatment of ESGC. TRIAL REGISTRATION ClinicalTrials.gov NCT04057209. Registered on 15 August 2019. Cantonal Ethics Committee KEK-BE 2019-01506

Establishing dosimetry to help understand the FLASH effect in electron beam radiation therapy

Over the last decades in radiation therapy (RT), the 3D conformation of dose to the target volume was improved thanks to technological advances and allowed the reduction of side effects. Recently, a new treatment modality characterized by Ultra-High Dose-Rate (UHDR) irradiations called FLASH-RT emerged. Preclinical studies demonstrated a reduction in adverse side effects to healthy tissues while being as effective as conventional RT (CONV-RT) on tumors, bringing the potential to increase tumor control while limiting toxicity to the surrounding tissues. The biological mechanisms are not yet fully understood and traceable methods and detector systems are an essential first step to ensure a reliable dose delivery and improve our understanding of FLASH-RT. However, no metrological traceability and stability exist for UHDR beams. The purpose of this thesis was to establish the basis of reference and relative dosimetry for UHDR beams to support preclinical studies. In addition, some first steps towards clinical translation were also achieved by commissioning a clinical device. Firstly, reference dosimetry at UHDR was established thanks to a redundant agreement between three passive dosimeters (thermoluminescent, alanine, and Gafchromic films) irradiated under reference conditions (CONV-RT) and extrapolated to UHDR. Then, a dosimetric procedure compatible with preclinical studies was developed to irradiate biological samples routinely in predefined setups. Secondly, Beam Current Transformers (BCTs) were implemented on a prototype linear accelerator (linac) able to trigger the FLASH effect. Their ability to perform relative dosimetry at CONV and UHDR was demonstrated based on the established reference dosimetry. The BCTs were also capable of measuring consistently the beam parameters, which are highly valuable information for FLASH-RT. Thirdly, reference dosimetry was extended with the goal of bringing a dosimetric consensus about UHDR dosimetry and open a safe route for biological experiments. An international intercomparison procedure was designed and validated with several CONV and UHDR electron beams. The first test of this procedure with two centers showed an agreement in the dosimetric protocols. Fourthly, a medical clinical linac tuned for UHDR and conceived for FLASH-RT preclinical biological experiments as well as for clinical human protocols was validated. The acceptance and commissioning of this UHDR electron device were performed and the data for a quality assurance program was prepared based on adapted good practice recommendations. This work shows that FLASH-RT preclinical studies can be performed with confidence thanks to an established reference dosimetry, developed routine irradiation procedures, and a beam monitoring system based on BCTs. The tools developed during this project will help bring a consensus on UHDR dosimetry, help understand the FLASH effect and support the clinical transfer of FLASH-RT. -- La conformation 3D de la dose au volume cible a permis de réduire les effets secondaires en radiothérapie (RT) ces dernières années. Récemment, une nouvelle modalité de traitement défini par des irradiations à Ultra-Haut Débit de Dose (UHDD), appelée RT FLASH, a vu le jour. Les études précliniques FLASH ont montré une réduction des effets secondaires sur les tissus sains tout en étant aussi efficace que la RT conventionnelle (CONV) au niveau tumoral, ce qui nous permettrait d’augmenter le contrôle tumoral tout en limitant la toxicité aux tissus sains environnants. Les mécanismes biologiques ne sont pas encore totalement compris et des méthodes et systèmes de détection traçables constituent une première étape essentielle pour avoir une dosimétrie sûre et améliorer notre compréhension de la RT FLASH. Cependant, aucune traçabilité métrologique n'existe pour les faisceaux UHDD. L'objectif de cette thèse était d'établir les bases de la dosimétrie de référence et relative à UHDD afin de soutenir les études précliniques FLASH. En outre, les premiers pas vers le transfert clinique ont également été réalisés par la mise en service d'un dispositif clinique UHDD. Tout d'abord, la dosimétrie de référence à UHDD a été établie en se basant sur une méthodologie redondante grâce à un accord entre trois dosimètres passifs (thermoluminescent, alanine et films Gafchromic) irradiés dans des conditions de référence (débit CONV) puis extrapolés à UHDD. Ensuite, une procédure dosimétrique compatible avec les études précliniques a été développée pour irradier des échantillons biologiques en routine dans des montages prédéfinis. Deuxièmement, des transformateurs de courant (TC) ont été mis en place sur un prototype d’accélérateur linéaire (linac) où l'effet FLASH a été observé. Leur capacité à effectuer une dosimétrie relative à débits CONV et UHDD a été démontrée. En outre, les TCs ont été capables de mesurer de manière cohérente les paramètres faisceau, qui sont des informations précieuses pour la RT FLASH. Troisièmement, la dosimétrie de référence a été étendue pour atteindre un consensus sur la dosimétrie UHDD et ouvrir une voie sûre aux expériences biologiques. Une procédure d'intercomparaison internationale a été conçue et validée avec plusieurs faisceaux d'électrons à débits CONV et UHDD dans deux centres où un accord dans les protocoles dosimétriques a été montré. Quatrièmement, un linac clinique conçu pour les expériences biologiques précliniques FLASH ainsi que pour des protocoles cliniques humains a été validé. L'acceptance et la mise en service de ce dispositif à UHDD ont été effectuées et les données pour un programme d'assurance qualité ont été préparées sur la base des recommandations de bonnes pratiques cliniques. Ce travail montre que les études précliniques FLASH peuvent être réalisées avec assurance grâce à une dosimétrie robuste, des procédures d'irradiation de routine validées et un système de surveillance du faisceau basé sur des TCs. Les outils présentés contribueront à un consensus international sur la dosimétrie UHDD, aideront à la compréhension de l’effet FLASH et à son transfert clinique. -- Aujourd'hui, près de la moitié des patients atteints de cancer sont traités par radiothérapie où les tumeurs sont traitées à l’aide de rayons. Malgré les nombreuses avancées technologiques de ces dernières décennies, l’efficacité des traitements de radiothérapie est toujours limitée par les effets secondaires sur les tissus sains proches des tumeurs. Récemment, une nouvelle technique d’irradiation a démontré la capacité de traiter efficacement les tumeurs tout en réduisant les effets secondaires sur les tissus sains. Cette effet, appelé « l’effet FLASH », a été mis en évidence avec des irradiations extrêmement courtes (de l’ordre de la milliseconde contre plusieurs minutes actuellement) donnant lieu à des débits de rayonnement très élevés. La radiothérapie FLASH pourrait révolutionner une grande partie des traitements de radiothérapie actuels. Les mécanismes sous-jacents de l’effet FLASH ne sont cependant pas entièrement compris. Dans ce contexte, il est important d’être capable de mesurer et de contrôler précisément la quantité de rayons délivrée afin de nous aider à comprendre ce phénomène et de garantir la sécurité des patients. En parallèle, des normes internationales de sécurité doivent être respectées par le constructeur de machine de traitement. Malheureusement, à l’heure actuelle, les instruments de mesure usuels de radiothérapie et les normes internationales ne sont pas adaptés aux hauts débits de rayonnement utilisés en radiothérapie FLASH. L'objectif de ce projet était d’établir les bases d’un consensus sur la manière de mesurer la quantité de rayonnement lorsque des hauts débits sont utilisés afin d’ouvrir une voie sûre pour les expériences biologiques et le transfert clinique de la radiothérapie FLASH. Des instruments de mesure adaptés pour les hauts débits de rayonnement ont été identifiés sur plusieurs installations capables de réaliser des traitements de radiothérapie FLASH. Ces résultats ont permis de développer une procédure pour préparer des irradiations dans le cadre d’études précliniques. En parallèle, un instrument « non-invasif » capable de comparer différentes irradiations et de décrire la structure temporelle du rayonnement a été validé. Enfin, les premiers pas vers le transfert clinique de cette technique ont également été réalisés par la mise en service d'un dispositif clinique conçu pour les expériences précliniques FLASH ainsi que pour des protocoles cliniques humains. Ce travail montre que les études précliniques FLASH peuvent être réalisées avec confiance grâce à des instruments de mesures et des protocoles robustes. Les outils développés au cours de ce projet contribueront à un consensus sur la mesure des rayonnements dans le cadre de la radiothérapie FLASH et aideront au transfert clinique de cette technique