Rekonstrukcja rozkładu dawki w technikach dynamicznych : IMRT i VMAT

Techniki dynamiczne IMRT i VMAT umożliwiają bardzo precyzyjne modulowanie rozkładu dawki w objętości guza nowotworowego przy jednoczesnym oszczędzaniu tkanek zdrowych - struktur krytycznych. Z jednej strony dysponujemy bardzo precyzyjnym systemem planowania rozkładu dawki, z drugiej za realizację planu odpowiada aparat terapeutyczny, który „obarczony” jest tolerancją działania: mechaniczną i elektroniczną. Konieczna jest zatem weryfikacja zgodności rozkładu dawki zaplanowanego ze zrealizowanym - rzeczywistym. W radioterapii każdy plan leczenia musi być zweryfikowany, czy to przed realizacją czy w trakcie terapii. Dlatego, konieczne jest sprawdzenie czy techniki dynamiczne realizowane są poprawnie, zgodnie z obliczonymi wartościami. W systemie planowania Eclipse - firmy Varian Medical Systems, w procesie planowania leczenia w technice dynamicznej generowane są mapy fluencji, na podstawie których wyliczany jest trójwymiarowy rozkład dawki oraz przeliczane są one na ruch listków kolimatora wielolistkowego. Złożenie map fluencji, a co za tym idzie również ruchów listków kolimatora, generuje trójwymiarowy rozkład dawki w ciele pacjenta. Listki kolimatora wielolistkowego poruszają się z pewną tolerancją. W przypadku, gdy taka tolerancja zostaje przekroczona promieniowanie jest wstrzymywane. Interesujące jest to, co dzieje się gdy błąd ruchu listków jest mniejszy od zakresu tolerancji. Jeżeli zaplanowany ruch listków kolimatora różni się od rzeczywistego, wówczas rzeczywisty rozkład dawki musi różnić się od zaplanowanego. Pytanie o ile? Czy można to wyliczyć

Dose specification in External Beam Radiotherapy for CyberKnife and VMAT techniques applied to a case of prostate cancer

Recent technological development in radiotherapy allows to introduce new irradiation techniques implemented on the conventional accelerators and on the machines such as CyberKnife (CK). These significantly changes the philosophy of planning and execution of radiotherapy. One of the fundamental concepts in radiotherapy is to define the therapeutic dose. It can be defined in the point, at the selected isodose, as an average value, or combined with the volume. We present the case of prostate cancer patient irradiated using CK machine and classic accelerator (VMAT). The differences in dose distribution and its value are shown. The analysis indicates that the average dose in Planning Treatment Volume (PTV) is a useful parameter during comparison of the dose distributions realized on machines of different type

Wpływ energii wiązek fotonowych na rozkład dawek dla planów IMRT i VMAT

Purpose. Estimation of the difference between photon X-6MV and X-20MV beams for IMRT and VMAT plan’s, in respect to dose-volume results and irradiation time (MU).Materials and methods. For each of 74 selected patients four plans, two IMRT with X-6MV & X-20MV beams and two VMAT: X-6MV & X-20MV arcs, were performed. Patients were divided into two groups according to tumor localization: head & neck (H&N) and pelvis. Those localizations were chosen to highlight potential differences regarding the depth of target volume. Each plan was optimized using the same plan objectives and constraints. Plans were compared according to dose-volume results for target and Organs at Risk (OaR’s) with Radiation Planning Index (RPI), and beamon time regarding the monitor units (MUs).Results. The mean RPI factor for both technique (IMRT/VMAT) and energies (X-6MV/X-20MV) were similar for H&Nregion in the range of 0.2310–0.2934 and for the pelvis region the range was 0.3683–0.4007. The difference were not statistically significant (p > 0.05), showing the photon between 6–20 MV, doesn’t influence the dose-volume results, for both localization: H&N and pelvis. The mean monitor units in IMRT plans varied from 765 MU to 1116 MU, as inVMAT plans it was from 325 MU to 492 MU. Generally, the number of MU on IMRT technique is greater than MU’s inVMAT (difference statistically significant), regardless of the beam energy (X-6MV, X-20MV) and localization (H&N, pelvis). Both techniques; IMRT and VMAT plans with higher photon energy, showed shorter irradiation time (expressedin MU). But, only for pelvic region on VMAT technique, is statistically significant (p = 0.0467).Conclusions. On average, photons beam, between 6–20 MV don’t induce significant dose-volume difference. However, higher energy used for planning regions other than head & neck, minimizes the number of MUs and significantly reduces the time of irradiation. Furthermore, reduction of beam on time can be achieved by using VMAT plan rather than IMRT plan.Cel. Ocena różnic w planach IMRT i VMAT pomiędzy wiązkami X-6MV i X-20MV w odniesieniu do uzyskanych rozkładów dawek oraz czasu napromieniania (MU).Materiały i metody. Na potrzeby porównania wybrano 74 pacjentów, następnie dla każdego obliczono 4 plany: dwa w technice IMRT z wiązkami X-6MV i X-20MV oraz dwa w technice VMAT z łukami X-6MV i X-20MV, uzyskując rozkłady dawek. Pacjentów podzielono na dwie grupy zgodnie z obszarem napromienienia: rejon głowy/szyi oraz rejon miednicy. Lokalizacje zostały wybrane w celu uwidocznienia ewentualnych różnic wynikających z różnych głębokości na których zdefiniowano obszar tarczowy. Każdy plan był optymalizowany z wykorzystaniem z tych samych wytycznych i ograniczeń związanych z obszarami anatomicznymi. Plany zostały następnie porównane pod względem dawek dla obszarów tarczowych i organów krytycznych z użyciem współczynnika RPI (Radiation Planning Index). Następnie porównano czas napromieniania w ujęciu liczby jednostek monitorowych MU.Wyniki. Średnie współczynniki RPI dla obydwóch technik (IMRT/VMAT) i energii wiązek/łuków (X-6MV/X-20MV) były porównywalne i zawierały się w przedziale 0,2310–0,2934 dla rejonu głowy i szyi oraz 0,3683–0,4007 dla rejonu miednicy. Różnice nie były statystycznie istotne (p > 0,05), wykazując brak wpływu wyboru energii wiązek/łuków na uzyskane rozkłady dawek dla obydwu obszarów napromieniania: głowy/szyi oraz miednicy. Średnia liczba jednostek monitorowych zawierała się w przedziale 765 MU do 1116 MU dla planów w technice IMRT oraz 325 MU do 492 MU dla planów w technice VMAT. Liczba jednostek monitorowych w planach wykorzystujących technikę IMRT była zawsze większa od liczby jednostek w planach z techniką VMAT (potwierdzona istotnością statystyczną), niezależnie od stosowanej energii wiązek/łuków oraz napromienianego regionu głowa/szyja/miednica. Wykorzystanie wiązek/łuków o wyższej energii podczas planowania z wykorzystaniem każdej techniki (IMRT i VMAT) skutkowało zmniejszeniem czasu napromieniania (rozpatrywanego w oparciu o jednostki monitorowe), jednak tylko w przypadku techniki VMAT i obszaru miednicy jest to poparte istotnością statystyczną (p = 0,0467).Wnioski. Zasadniczo wybór energii wiązek z przedziału 6–20 MV nie wprowadza znaczących różnic w uzyskiwanych rozkładach dawek, jednakże wykorzystanie wyższej energii w obszarach napromieniania innych niż głowa/szyja zmniejsza liczbę jednostek monitorowych i znacząco skraca czas napromieniania. Ponadto dalsze skrócenie czasu napromieniania jest możliwe z zastosowaniem techniki VMAT zamiast IMRT

Specyfikacja dawki w radiochirurgii w technikach VMAT i CyberKnife

Rozwój technologiczny radioterapii w ostatnich latach umożliwił wprowadzenie nowych radiochirurgicznych technik napromieniania — realizowanych zarówno przy pomocy klasycznych akceleratrów biomedycznych, jak i przeznaczone do radiochirurgii akceleratory typu CyberKnife (CK). W szczególności zrobotyzowany akcelerator CK w istotny sposób zmienił proces planowania oraz realizację radioterapii ze względu na możliwości techniczne. Jednym z podstawowych pojęć w radioterapii jest zdefiniowanie wartości dawki terapeutycznej. Wartość tej dawki jest skorelowana z prawdopodobieństwem miejscowego wyleczenia, dlatego sposób jej definiowania jest bardzo istotny. Dawka ta może być zdefiniowana w punkcie, na wybranej izodozie lub jako wartość średnia w zadeklarowanej objętości. W poniższym artykule przedstawiono przypadek napromieniania pacjenta chorego na raka gruczołu krokowego przy pomocy klasycznego akceleratora w technice VMAT oraz CyberKnife. Pokazane zostały różnice w rozkładzie dawki i jej wartości oraz ich wpływ na prawdopodobieństwo miejscowego wyleczenia i powikłań. Wykona­na analiza wskazuje, że dobrym parametrem pomocnym w porównaniu rozkładów dawek, które uzyskano na różnych aparatach terapeutycznych, jest średnia dawka w planowanej objętości terapeutycznej, czyli guzie nowotworowym

Clinical examples of 3D dose distribution reconstruction, based on the actual MLC leaves movement, for dynamic treatment techniques

AbstractAimTo present practical examples of our new algorithm for reconstruction of 3D dose distribution, based on the actual MLC leaf movement.BackgroundDynaLog and RTplan files were used by DDcon software to prepare a new RTplan file for dose distribution reconstruction.Materials and methodsFour different clinically relevant scenarios were used to assess the feasibility of the proposed new approach: (1) Reconstruction of whole treatment sessions for prostate cancer; (2) Reconstruction of IMRT verification treatment plan; (3) Dose reconstruction in breast cancer; (4) Reconstruction of interrupted arc and complementary plan for an interrupted VMAT treatment session of prostate cancer. The applied reconstruction method was validated by comparing reconstructed and measured fluence maps. For all statistical analysis, the U Mann–Whitney test was used.ResultsIn the first two and the fourth cases, there were no statistically significant differences between the planned and reconstructed dose distribution (p=0.910, p=0.975, p=0.893, respectively). In the third case the differences were statistically significant (p=0.015). Treatment plan had to be reconstructed.ConclusionDeveloped dose distribution reconstruction algorithm presents a very useful QA tool. It provides means for 3D dose distribution verification in patient volume and allows to evaluate the influence of actual MLC leaf motion on the dose distribution

EPID-a useful interfraction QC tool

Biomedical accelerators used in radiotherapy are equipped with detector arrays which are commonly used to obtain the image of patient position during the treatment session. These devices use both kilovolt and megavolt x-ray beams. The advantage of EPID (Electronic Portal Imaging Device) megavolt panels is the correlation of the measured signal with the calibrated dose. The EPID gives a possibility to verify delivered dose. The aim of the study is to answer the question whether EPID can be useful as a tool for interfraction QC (quality control) of dose and geometry repeatability. The EPID system has been calibrated according to the manufacturer's recommendations to obtain a signal and dose values correlation. Initially, the uncertainty of the EPID matrix measurement was estimated. According to that, the detecting sensitivity of two parameters was checked: discrepancies between the planned and measured dose and field geometry variance. Moreover, the linearity of measured signal-dose function was evaluated. In the second part of the work, an analysis of several dose distributions was performed. In this study, the analysis of clinical cases was limited to stereotactic dynamic radiotherapy. Fluence maps were obtained as a result of the dose distribution measurements with the EPID during treatment sessions. The compatibility of fluence maps was analyzed using the gamma index. The fluence map acquired during the first fraction was the reference one. The obtained results show that EPID system can be used for interfraction control of dose and geometry repeatability

The influence of dose calculation algorithms on TCP in radiotherapy

W planowaniu rozkładu dawki w radioterapii stosowane są różne algorytmy obliczające. Najprostsze z nich, stosowane od wielu lat, dają dobrą zgodność: obliczenia – pomiar, ale tylko w przypadku najprostszych modeli, np. w ośrodku o jednorodnej gęstości. Wraz z rozwojem technik obliczeniowych pojawiły się algorytmy, które uwzględniały coraz więcej zjawisk fizycznych oddziaływania promieniowania z materią. Różnice pomiędzy dawkami obliczonymi i zmierzonymi, dla bardzo wyrafinowanych sytuacji klinicznych, są coraz mniejsze, mieszczą się granicach niepewności metody. Czy zatem dokładność obliczeń może mieć wpływ na wyniki radioterapii? Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy rozkłady dawek fizycznych połączyć z dawkami biologicznie równoważnymi i obliczyć prawdopodobieństwo miejscowego wyleczenia. Skorzystano z modelu liniowo-kwadratowego oraz modelu Poissona. Wykonane obliczenia wskazują, że istnieje wpływ algorytmu obliczającego na prawdopodobieństwo miejscowego wyleczenia. Jednak jest on uzależniony od lokalizacji guza nowotworowego. W sytuacji, kiedy różnice gęstości w napromienianej objętości nie są zbyt duże – najprostsze i najbardziej zaawansowane modele wyliczają podobne dawki, czyli nie wykazują wpływu na prawdopodobieństwo miejscowego wyleczenia. Jednak w sytuacji dużych różnic w gęstościach, prostsze modele mogą znacznie zafałszować rozkłady dawek, co przekłada się na TCP.In the radiotherapy treatment planning, different calculation algorithms are used. Can the accuracy of calculations affect the results of radiotherapy? Physical dose distributions should be combined with biologically equivalent doses and calculated the local control probability. The Linear-Quadratic model and the Poisson model were used. The dose calculations indicates that there is an effect of a computing algorithm on the local control probability. However, it depends on the location of the tumor. In the case of large differences in densities, more simple models can significantly distort dose distribution, which affects the TCP

IMRT/VMAT dose distributions generated for and collimators and accelerators

AimThe aim of this study is to answer the question whether the calculated dose distributions for HD and Millennium collimators (Varian Medical Systems) are equivalent for large treatment volumes.BackgroundModern biomedical linacs are equipped with multileaf collimators where leaves can be of different widths. Thinner leaves allow better fit to desired (tumor) shape. At the same time, however, the maximum size of the field that can be obtained with the collimator is also reduced. Varian Medical Systems HD and Millennium collimators can be a good sample. They have 40cm or 22cm×40cm maximal field size at the isocenter, respectively.Materials and methodsThis paper presents the comparison of selected statistical and dosimetric parameters achieved for treatment plans where the beams for a HD collimator had to be merged because of the size of the tumor volume.Results and discussionAchieved results show that, independently from irradiated volume, there is no statistically significant difference for calculated dose distributions, integral doses, MU values and coefficients evaluating dose distributions for HD and Millennium collimators.ConclusionsResults show that both types of collimators can be used interchangeably for preparing the treatment plans for large tumor volume without quality reduction of the prepared treatment plan

Integral dose: Comparison between four techniques for prostate radiotherapy

AimComparisons of integral dose delivered to the treatment planning volume and to the whole patient body during stereotactic, helical and intensity modulated radiotherapy of prostate.BackgroundMultifield techniques produce large volumes of low dose inside the patient body. Delivered dose could be the result of the cytotoxic injuries of the cells even away from the treatment field. We calculated the total dose absorbed in the patient body for four radiotherapy techniques to investigate whether some methods have a potential to reduce the exposure to the patient.Materials and methodsWe analyzed CyberKnife plans for 10 patients with localized prostate cancer. Five alternative plans for each patient were calculated with the VMAT, IMRT and TomoTherapy techniques. Alternative dose distributions were calculated to achieve the same coverage for PTV. Integral Dose formula was used to calculate the total dose delivered to the PTV and whole patient body.ResultsAnalysis showed that the same amount of dose was deposited to the treated volume despite different methods of treatment delivery. The mean values of total dose delivered to the whole patient body differed significantly for each treatment technique. The highest integral dose in the patient's body was at the TomoTherapy and CyberKnife treatment session. VMAT was characterized by the lowest integral dose deposited in the patient body.ConclusionsThe highest total dose absorbed in normal tissue was observed with the use of a robotic radiosurgery system and TomoTherapy. These results demonstrate that the exposure of healthy tissue is a dosimetric factor which differentiates the dose delivery methods

Clinical examples of 3D dose distribution reconstruction, based on the actual MLC leaves movement, for dynamic treatment techniques

AimTo present practical examples of our new algorithm for reconstruction of 3D dose distribution, based on the actual MLC leaf movement.BackgroundDynaLog and RTplan files were used by DDcon software to prepare a new RTplan file for dose distribution reconstruction.Materials and methodsFour different clinically relevant scenarios were used to assess the feasibility of the proposed new approach: (1) Reconstruction of whole treatment sessions for prostate cancer; (2) Reconstruction of IMRT verification treatment plan; (3) Dose reconstruction in breast cancer; (4) Reconstruction of interrupted arc and complementary plan for an interrupted VMAT treatment session of prostate cancer. The applied reconstruction method was validated by comparing reconstructed and measured fluence maps. For all statistical analysis, the U Mann–Whitney test was used.ResultsIn the first two and the fourth cases, there were no statistically significant differences between the planned and reconstructed dose distribution (p[[ce:hsp sp="0.25"/]]=[[ce:hsp sp="0.25"/]]0.910, p[[ce:hsp sp="0.25"/]]=[[ce:hsp sp="0.25"/]]0.975, p[[ce:hsp sp="0.25"/]]=[[ce:hsp sp="0.25"/]]0.893, respectively). In the third case the differences were statistically significant (p[[ce:hsp sp="0.25"/]]=[[ce:hsp sp="0.25"/]]0.015). Treatment plan had to be reconstructed.ConclusionDeveloped dose distribution reconstruction algorithm presents a very useful QA tool. It provides means for 3D dose distribution verification in patient volume and allows to evaluate the influence of actual MLC leaf motion on the dose distribution