"Optimalisering av IMRT-planar for øyre-nase-hals-kreft"

Abstract

In the dose planning system Oncentra MasterPlan there is a module for IMRT planning (IMRT - Intensity modulated radiation therapy). This module optimizes the plan based on given requirements for doses given to target volumes and organs at risk. The new enhanced algorithm (PBE), which is implemented in MasterPlan, is supposed to make the IMRT planning more exact and effcient. A cylindrical shaped target volume, with an organ at risk inside, was defined in MasterPlan to evaluate the dose distribution modeled by the PBE algorithm. A uniform dose of 2 Gy for the target volume and a maximum dose of 0.5 Gy for the organ at risk were set for the optimization. The plans were optimized with different angles of the collimator system, and film measurements were done according to the plans. It was found that the PBE algorithm gives a good description of the dose distribution, “tongue and groove" included, for IMRT optimization.

 The principle of IMRT is to treat the patient with non-uniform beams from different directions around the patient. The beams are being optimized to give a high dose to the target volume and an acceptable low dose to the normal tissue and the organs at risk. An !IMRT value" is given as a measure of the quality of the optimization in MasterPlan. This value is used to compare treatment plans, to evaluate the quality of the optimization for different parameters.

 The parameters which were examined were the angle of the collimator system, the number of beams given, number of segments, minimum number of MU per segment and minimum field size per segment. It was of interest to see how the parameters affect the IMRT optimization in MasterPlan. 11 patient plans were therefore replanned by varying these parameters. The “IMRT values" for the optimized plans were compared with the one-way ANOVA test Tukey HSD.

 No significant differences were shown between the “IMRT values" of the plans with different angles of the collimator system. Nor were any significant differences shown between plans with 5, 7 or 9 beams equally spaced around the patient. Treatment plans containing beams equally spaced were significantly better than plans containing beams given only in front of the patient. The treatment plans containing 30 segments were significantly worse than the plans containing 50, 70 or 150 segments, according to the Tukey test. Although there was no porvable significant difference between the “IMRT values" for 50 and 70 segments, all the tested patients had a lower value (indicating better optimization) for plans containing 70 segments. The improvement of the optimization of plans with more than 70 segments was found to be small. There was no significant difference between the optimization of plans with 2 or 4 MU.

 In addition to optimize the weight and fluence of the beams, MasterPlan can also optimize the gantry angles. This has been done for plans of 5 beams and with two different set of initial angles. Gantry optimizations were performed with initial angles formed as a fan in front of the patient and with angles equally spaced around the patient. It was found that in MasterPlan, different angles are found to be optimal depending on the initial angles.

 One often wants to give a small part of the target volume a higher dose than the rest of the target, in treatment of head and neck cancer. This can be done in two ways. A boost plan can be made in addition to the original plan without boost, where a small part of the target volume is given a higher dose. This involves optimization and treatment of two plans. Another way is to integrate the boost plan in the original plan, and in this way make one plan. To see if it is possible to achieve more conform dose distributions for treatment with simultaneous integrated boost (SIB) than with the additional plan, 9 of the patients were planned with both methods. It was found that SIB enables more sparing of the organs at risk. A lower dose, closer to the predefined dose criterias of the target volume outside the boost volume is also achieved.

Planleggingsprogrammet Oncentra MasterPlan har ein modul for IMRT-planlegging (IMRT - Intensity modulated radiation therapy). Denne modulen optimaliserer planar på bakgrunn av førehandsgjevne dosekrav til målvolum og risikoorgan. Den nye ”enhanced"-algoritmen (PBE) som no er implementert i MasterPlan skal gjere IMRT-planlegginga meir korrekt og effektiv. For å sjekke kor bra dosefordelingane er modellert av PBE-algoritmen vart det definert eit sylinderforma, holt målvolum med eit risikoorgan inni. Det vart sett krav om uniform dose på 2 Gy for målvolumet og maks 0,5 Gy for risikoorganet. Planar vart optimalisert med omsyn til desse krava og med ulike vinklar på kollimatorsystemet. Deretter vart det bestrålt filmar i samsvar med planane, og desse vart samanlikna med dosefordelinga i planane. Det vart funne at PBE-algoritmen gjev ei svært bra beskriving av dosefordelingar med ”tongue and groove"-effektar ved IMRT-optimalisering. 

Prinsippet bak IMRT er å behandle ein pasient med ikkje-uniforme felt frå ulike retningar rundt pasienten. Desse felta har blitt optimalisert for å gje høg dose til målvolumet og akseptabel låg dose til det omkringliggjande normalvevet og risikoorgana. I MasterPlan vert det oppgjeve ein IMRT-verdi som er eit mål på kor god optimaliseringa er i forhold til dei gjevne dosekrava. Denne IMRT-verdien er nytta ved samanliking av planar, for å  finne ut kor god plan ein kan oppnå ved bruk av ulike parametrar under optimaliseringa.

 Parametrar som vart undersøkt var vinkel på kollimatorsystemet, tal på felt, feltretning, tal på segment, minimum MU per segment og minimum feltstorleik per segment. For å sjå korleis valet av desse parametrane påverkar IMRT-optimaliseringa i MasterPlan, vart 11 pasientplanar replanlagt ved å variere parametrane. IMRTverdien til dei optimaliserte planane vart deretter samanlikna ved hjelp av one-way ANOVA-testen Tukey HSD.

 Tukey-testen viste at det ikkje var nokon signifkant forskjell mellom IMRTverdiane til planane med ulike kollimatorvinklar. Det vart heller ikkje vist nokon signifkant forskjell mellom planar med 5, 7 og 9 felt jamt fordelt rundt pasienten. Planar med felt jamt fordelt rundt pasienten vart påvist å vere signifikant betre enn felt i vifteform framføre pasienten. I følgje Tukey-testen er planen med 30 segment signifikant dårlegare enn planane med 50, 70 og 150 segment. Det vart òg sett at optimaliseringa vart betre med 70 segment enn med 50 segment for alle dei testa pasientane. Ved å bruke fleire enn 70 segment vart det lita forbetring av optimaliseringa. For dei 11 pasientane vart det ikkje funne nokon signifikant forskjell for optimaliseringa av planar med 2 og 4 MU.

 I tillegg til å optimalisere vektinga og intensiteten til felta, er det i MasterPlan mogleg å optimalisere gantryvinklane som felta vert gjevne frå. Dette vart forsøkt for planar med 5 felt og med to ulike sett av gjevne startvinklar. Det vart gjort gantryoptimalisering med startvinklar i vifteformasjon framføre pasienten og med startvinklar jamt fordelt rundt pasienten. Det viste seg at MasterPlan kom fram til forskjellige optimale vinklar avhengig av startvinklane.

 I behandling av øyre-nase-hals-kreft er det ofte ynskjeleg å gje ein liten del av målvolumet høgare dose enn resten av volumet. Dette kan gjerast på to måatar. Ein kan lage ein boostplan i tillegg til den vanlege planen, der ein mindre del av målvolumet får høgare dose. I dette tilfellet må ein optimalisere to planar og behandle i samsvar med begge planane. Alternativt kan ein integrere boostplanen i den opphavlege planen slik at berre ein plan vert laga. For å sjå om ein kan oppnå meir konforme planar ved samstundes integrert boost (SIB) enn ved tilleggsboost, vart 9 av pasientane planlagt på begge desse måtane. Det vart funne at SIB gjev moglegheit for meir sparing av risikoorgan og at ein får jamt over ein lågare dose, som er meir i samsvar med krava, til målvolumet utanfor boostvolumet for desse planane.