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Optimized treatment parameters to account for interfractional variability in scanned ion beam therapy of lung cancer

Brevet, Romain :
Optimized treatment parameters to account for interfractional variability in scanned ion beam therapy of lung cancer.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2015)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Optimized treatment parameters to account for interfractional variability in scanned ion beam therapy of lung cancer
Language: English

Scanned ion beam therapy of lung tumors is severely limited in its clinical applicability by intrafractional organ motion, interference effects between beam and tumor motion (interplay) as well as interfractional anatomic changes. To compensate for dose deterioration by intrafractional motion, motion mitigation techniques, such as gating have been developed. The latter confines the irradiation to a predetermined breathing state, usually the stable end-exhale phase. However, optimization of the treatment parameters is needed to further improve target dose coverage and normal tissue sparing. The aim of the study presented in this dissertation was to determine treatment planning parameters that permit to recover good target coverage and homogeneity during a full course of lung tumor treatments. For 9 lung tumor patients from MD Anderson Cancer Center (MDACC), a total of 70 weekly time-resolved computed tomography (4DCT) datasets were available, which depict the evolution of the patient anatomy over the several fractions of the treatment. Using the GSI in-house treatment planning system (TPS) TRiP4D, 4D simulations were performed on each weekly 4DCT for each patient using gating and optimization of a single treatment plan based on a planning CT acquired prior to treatment. It was found that using a large beam spot size, a short gating window (GW), additional margins and multiple fields permitted to obtain the best results, yielding an average target coverage (V95) of 96.5%. Two motion mitigation techniques, one approximating the rescanning process (multiple irradiations of the target with a fraction of the planned dose) and one combining the latter and gating, were then compared to gating. Both did neither show an improvement in target dose coverage nor in normal tissue sparing. Finally, the total dose delivered to each patient in a simulation of a fractioned treatment was calculated and clinical requirements in terms of target coverage and normal tissue sparing were considered. The results showed that the total V95 obtained for the entire course of the treatment was similar to the one obtained for the planning CT, which shows that interfractional variability was successfully compensated. For 4 patients out of 9, V95 > 95% was thus obtained for both the planning CT and the total dose target coverage. For the rest of the cohort, a slight modification of the contours or dose reduction should permit to obtain a better clinical treatment plan that could be delivered over the course of the treatment. In the presented study, intrafractional motion occuring during the treatment of lung tumors was efficiently mitigated using optimized treatment planning parameters and gating, while interfractional variability showed the largest impact on dose delivery. Nevertheless, this variability was efficiently mitigated, as shown by target dose coverage obtained at the end of the treatment which was very close to the one obtained for the planning CT.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Bei der Bestrahlung bewegter Tumoren, wie Lungentumoren, mit gescannten Ionenstrahlen können intrafraktionelle Organbewegungen, Interferenzen zwischen Tumor- und Strahlbewegung (sogenanntes Interplay) sowie interfraktionelle anatomische Variabilität zu einer klinisch inakzeptablen Dosisverteilung führen. Beeinträchtigungen der Dosishomogenität im Zielvolumen durch intrafraktionelle Bewegung und Interplay können mit unterbrochener Bestrahlung (Gating) teilweise kompensiert werden, bei der der Tumor nur während des stabilsten Teils der Bewegung bestrahlt wird. Dennoch ist eine weitere Optimierung der Bestrahlungsparameter notwendig, um Dosisabdeckung zu verbessern sowie Normalgewebsbelastung zu verringern. In dieser Arbeit wurden Bestrahlungsparameter quantifiziert, um gute Dosisabdeckung des Ziels für Lungentumor-Bestrahlungen zu erreichen. Für 9 Patienten des MD Anderson Cancer Center standen 70 4D-Computertomographien zur Verfügung, mit denen die Entwicklung der Anatomie über den Verlauf der Behandlung beurteilt werden konnte. Für jeden Patienten wurden mit dem 4D-Bestrahlungsplanungsprogramm TRiP4D der GSI 4D-Rechnungen mit Gating und einem einzigen, vor der Bestrahlung optimierten Bestrahlungsplan durchgeführt. Rechnungen, die mit einem breiten Strahlfokus, einem kurzen Gating-Fenster, zusätzlichen Sicherheitssäumen und mehreren Bestrahlungsfeldern ausgeführt wurden, erzielten die beste Abdeckung (V95 = 96.5%). Weiterhin wurde Gating mit zwei Techniken verglichen: die erste Technik stützt sich auf Rescanning (mehrere Bestrahlungen des Ziels mit einem Bruchteil der Dosis) und die zweite auf eine Rescanning/Gating Kombination. Mit diesen beiden Techniken konnten keine besseren Ergebnisse in Bezug auf Dosisabdeckung oder Normalgewebsbelastung erreicht worden. Schließlich wurde in einer Simulation eines klinischen Behandlungsschemas die Gesamtdosis für jeden Patient bestimmt und klinische Grenzwerte für Dosis und Normalgewebsbelastung einbezogen. Für alle Patienten waren die Dosisabdeckung des Planungs-CTs und der ganzen Behandlung ähnlich; interfraktionelle Variabilität wurde also kompensiert. Für 4 Patienten wurde ein V95 > 95% für das Planungs-CT und die totale Behandlung erreicht. Für die anderen Patienten könnten eine Änderung der Kontouren oder eine Reduzierung der Dosis einen besseren Bestrahlungsplan erzeugen, der während der ganzen Behandlung benutzt werden könnte. In dieser Arbeit konnten intrafraktionelle Bewegungseffekte bei der Bestrahlung von Lungentumoren durch optimierte Bestrahlungsparameter und Gating weitgehend kompensiert werden, während interfraktionelle Variationen als die größere Quelle für Dosisunsicherheiten identifiziert wurden. Ähnliche Dosisabdeckungen für das statische Planungs-CT und die gesamte dynamische Behandlung haben dennoch gezeigt, dass diese effizient kompensiert werden konnten. German
Place of Publication: Darmstadt
Uncontrolled Keywords: Medical Physics, radiotherapy, particle therapy, ions, treatment planning, moving targets, moving organs
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Medizinphysik, Radiotherapie, Ionentherapie, Bestrahlungsplanung, Tumorbewegung, OrganbewegungGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Bio Physics
Date Deposited: 18 Feb 2015 14:59
Last Modified: 18 Feb 2015 14:59
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-44098
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Bert, Prof. Dr. Christoph
Refereed: 4 February 2015
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/4409
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