Dosimetric impact of geometric distortions in radiotherapeutic dose planning

Abstract

Bakgrunn: Magnetisk resonanstomografi (MR) har potensial til å forbedre strålebehandling ved å forbedre volum inntegning, fjerne usikkerhet knyttet til bildesamregistrering og tilføye funksjonell vevs-informasjon. I klinisk praksis må geometriske forvrengninger knyttet til MR og den resulterende dosimetriske innvirkning bestemmes for å fullt ut integrere behandlingsplanlegging kun basert på MR. U-korrigerte geometriske forvrengninger kan føre til en betydelig under- eller overdosering av vev og organer. Derfor er en kvantitativ bestemmelse av den dosimetriske effekten nødvendig. Denne studien hadde som mål å kvantifisere effekten av translatoriske geometriske forvrengninger samt å teste robustheten til resultatene i behandlingsplanlegging. Resultatene kan også være relevante for andre usikkerheter knyttet til behandlingsplanlegging som fører til feillokalisering av målvolumer. Dette studiet er begrenset til translatoriske geometriske forvrengninger i to retninger ved bruk av Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT).

Metode: Referanseplaner og forvrengte behandlingsplaner ble laget og analysert. Det ble totalt laget 78 referanseplaner og 936 forvrengte planer ved bruk av fantombilder. Translatoriske forflyttinger opp til 3 mm i steg på 0.5 mm ble introdusert ved å flytte strålens isosenter i to retninger. Referanseplanene ble valgt for å teste påvirkningen av objektets form, strålens fotonenergi og planleggingsmålvolumet (PTV) sin posisjon, størrelse og komposisjon. I tillegg ble det generert 24 referanseplaner og 288 forvrengte planer for syntetiske CT (sCT) av pasientbilder. Planene ble analysert ved D95, dosesøl og samsvarsindeks (CI).

Resultater: Denne studien fant en akseptgrense på 2 mm translatoriske geometriske forvrengninger ved å undersøke D95 med en klinisk akseptabel grense på 5 % dose differanse. PTV’s posisjon og komposisjon i fantomet, og fotonenergi, påvirket ikke denne grensen. Kroppsformen hadde minimal innvirkning selv om doseforskjellen økte når forskyvningene økte. Videre ble det funnet at større målvolum tåler større forskyvninger. Bruk av fantomdata på pasientbilder vil resultere i en minimal dose forskjell (<0.5 %) for PTV-størrelser på 26, 30 og 35 mm i diameter. Resultatene foreslår at ekstra hensyn må tas for mindre målvolum kombinert med store forvregninger ettersom doseforskjellen var 1.8 % for 22 mm PTV.

Konklusjon: 2 mm translatoriske geometriske forvrengninger ble funnet klinisk akseptable. For å avgjøre om en arbeidsflyt basert på bare MR er anvendelig, bør geometriske forvrengninger predikeres og bli funnet under denne grensen. Større målvolum kan tåle større forskyvninger med tanke på målvolumets dosedekning. Likevel krever dosen akkumulert i normalt vev ytterligere vurderinger. Fantom resultatene kan trygt brukes på pasienter.

Background: Magnetic resonance imaging (MRI) has the potential to improve radiotherapy (RT) treatment by enhancing delineation, removing uncertainties related to image co-registration and aiding functional tissue information. In clinical practice, geometric distortions pertaining to MRI and the resulting dosimetric impact must be addressed to fully integrate treatment planning based on MRI, an MRI-only workflow. Uncorrected geometric distortions may lead to a significant under- or overdosage of tissues and organs. Hence, a quantitative determination of the dosimetric effect is warranted. This study aimed to generally quantify the effect of translational geometric distortions and test the robustness of the results in treatment planning. The results may also be relevant for other treatment planning uncertainties leading to target mislocalisation. This study is limited to translational geometric distortions in two directions in relation to volumetric modulated arc therapy (VMAT).

Methods: Reference treatment plans and distorted treatment plans were created and analysed. In total 78 reference plans and 936 distorted plans were created using phantom images. Translational relocations up to 3 mm in steps of 0.5mm were introduced by moving the beams isocentre in two directions. The reference plans were chosen to test the influence of the object’s shape, photon energy and planning target volume (PTV)’s position, size and composition. In addition, 24 reference plans and 288 distorted plans were generated using synthetic CT (sCT) patient images. The plans were analysed by D95, dose spill and conformity index (CI).

Results: This study found an acceptance of 2 mm translational geometric distortions by investigating D95 with a clinically acceptable limit of 5%dose difference. PTV’s position and composition within the phantom and photon energy did not affect this limit. The body shape had minimal impact, although there was an increasing dosimetric difference as the displacements increased. Furthermore, larger targets were found to tolerate larger displacements. Employing phantom data on patient images would result in minimal dose difference (<0.5%) for PTV sizes of 26, 30 and 35 mm in diameter. The results suggest extra considerations for smaller targets combined with large distortions as the dose difference was 1.8 % for 22 mm PTV.

Conclusions: 2 mm translational geometric distortions were found clinically acceptable. Thus, when determining whether an MRI-only workflow is applicable, geometric distortions should be predicted and found below this limit. Larger targets may tolerate larger displacements regarding target coverage. However, the dose accumulated in normal tissue needs further considerations. Phantom results may safely be utilised for patient cases.