Radiotherapeutic Limits of Acceptance for Errors in Synthetic CT Synthesised from MRI

Abstract

CT-skanninger, som resulterer i elektrontetthetskart eller massetetthetskart, er standard inndata for strålebehandlingplanleggingssystemer. Imidlertid gir MR overlegen bløtvevskontrast. I tilfeller der MR er nødvendig for nøyaktig avgrensning av lesjoner, utføres både MR og CT, noe som skaper systematiske registreringskomplikasjoner i planleggingsbildene og en mer tidkrevende arbeidsflyt. For å lindre disse problemene, utvikles bare-MR-teknikker der syntetiske CT-bilder (sCT) blir syntetisert fra MR-bilder. MR sliter imidlertid med å skille bein fra luft, noe som skaper betydelige feil i sCTbilder. Ved bruk av punktanalyse i dose-volum histogram (DVH) og et 2 %-avvik akseptkriterium, undersøker denne avhandlingen det resulterende planleggingsvolumets (PTV) doseavvik i strålebehandlingplanlegging som en konsekvens av beinfeilklassifisering, relevant i sCT-bilder for bare-MR stråleplanlegging. Dette gjøres for å finne grensen for akseptabel feilstørrelse, beskrevet av beinarealet A, avhengig av avstanden, d, mellom sentrene i feilklassifiseringsvolumet og PTV. Denne studien finner akseptgrensene for disse feilene for tre forskjellige PTV-størrelser, S, ved bruk av flere par av ellers like CT-bilder der et beinvolum er erstattet av luft. Optimalisert stråleplanlegging utføres på bildet som inneholder luft og kopieres til beintilfellet. De resulterende beslutningsformlene er nyttige verktøy for å evaluere den radioterapeutiske konsekvensen av feilklassifisering, forutsatt volumetrisk modulert bueterapi (VMAT) behandlingsplan og et feilklassifisert bein med CT-verdi lik 800 HU. Ingen statistisk signifikans av variabelen S er funnet.

CT scans, resulting in electron density maps or mass density maps, are standard input for radiotherapy planning systems. However, MRI provides superior soft tissue contrast. In cases where MRI is required for accurate lesion delineation, both MRI and CT are performed, creating systematic registration complications in the planning images and a more time-consuming workflow. Alleviating these issues, MRI-only techniques are developed where synthetic CT (sCT) images are synthesised from MRI images. However, MRI struggles to separate bone from air, creating significant errors in sCT images. Using dose-volume histogram (DVH) point analysis and a 2% deviation acceptance criterion, this thesis examines the resulting planning target volume (PTV) dose deviation in radiotherapy planning as a consequence of bone misclassification, relevant in sCT images for MRI-only radiotherapy planning. This is for the purpose of finding the limit of acceptable magnitude of error, described by the bone-area A, dependent on the distance, d, between the centres of the misclassification volume and the PTV. This study finds the limits of acceptance for these errors for three different PTV sizes, S, using several pairs of otherwise equal CT images where a bone volume is replaced by air. Optimised radiotherapy planning is performed on the image containing air and copied to the bone case. The resultant decision formulas provide useful tools for evaluating the radiotherapeutic consequence of misclassification, assuming a volumetric modulated arch therapy (VMAT) treatment plan and a misclassified bone of CT value equal to 800 HU. No statistical significance of the variable S is found.