Feasibility of Water Equivalent Path Length Analysis in Adaptive Proton Therapy of Locally Advanced Non-Small Cell Lung Cancer

Abstract

Introduksjon: Intensitetsmodulert protonterapi (IMPT) kan potensielt gi betre behandling av lokalavansert ikkje-småcella lungekreft (LA-NSCLC) samanlikna med intensitetsmodulert stråleterapi (IMRT) med foton, som er dagens "state-of-the-art". Proton har meir avgrensa doseavsetning og betre sparing av normalvev, men sidan rekkevidda til protona er svært sensitiv til tettleiksendringar, er behandling i lungeregionen spesielt utfordrande. Dette på grunn av pustebevegelsar og anatomiske endringar. Det er behov for adaptive protokollar, kor analyse av den vatn-ekvivalente rekkevidda (WEPL) til protona i pasienten kan vere eit nyttig hjelpemiddel. Målet med denne studien var å evaluere nytta av WEPL i adaptiv protonterapi av LA-NSCLC ved å studere korrelasjonen mellom WEPL-endringar og degradering av dose til målvolumet. Material og metode: Bilete og IMPT-planar for 15 pasientar med LA-NSCLC blei inkludert i denne retrospektive studien. Pasientane blei behandla med IMRT på Haukeland Universitetssjukehus, og robust optimerte IMPT-planar blei laga i etterkant. CT-bilete blei tekne for planlegging (pCT) og repeterte (rCT) i veke 1 og veke 3 av behandlingsløpet. Ein pasient tok ikkje rCT i veke 3, så 29 rCT-bilete var tilgjengelege. IMPT-planane blei rekalkulert på rCT-bileta, og volumandelen av det kliniske målvolumet (CTV) som mottek minst 95% av den planlagde dosen (V95) blei henta ut. For å rekne ut WEPL i CT-bileta måtte det ei kalibrering til, der CT-tala blei oversett til den relative stoppekrafta (RSP) av proton, karakteristisk for den brukte CT-maskina. For kvar pasient blei WEPL kalkulert til alle punkt i bakkanten av CTV-strukturen i pCT-biletet og i rCT-bileta. Endringa i WEPL (ΔWEPL) frå pCT til rCT blei samanlikna med endringa i CTV V95 (ΔV95) frå den originale IMPT-planen til rekalkuleringa på rCT. Endringar i WEPL blei kvantifisert som gjennomsnittet og 95-percentilen av |ΔWEPL| samt prosentandelen punkt i bakkanten av CTV med > 10 mm og > 3 mm WEPL-endringar. Resultat: Med kalibreringa kunne RSP-verdiar predikerast med ein relativ feil på 4.6% og brukast til å rekne ut WEPL i CT-bileta av pasientane. Medianen av gjennomsnittleg |ΔWEPL| for alle pasientar var 5.4 mm i veke 1 og 4.5 mm i veke 3, og medianen for prosentandelen punkt med ΔWEPL | >10 mm var 13.1% i veke 1 og 10.0% i veke 3. Statistisk signifikant korrelasjon (p < 0.05) blei funnen mellom ΔV95 og prosentandelen punkt med ΔWEPL <-10 mm, som den einaste testen med korrelasjon. Sju av dei 29 rekalkulerte IMPT-planane hadde ΔV95} < -1%. Det var ikkje statistisk signifikant forskjell i ΔWEPL mellom desse planane og planar med mindre dosedegradering. Konklusjon: I denne studien var det ikkje korrelasjon mellom endringar i WEPL til bakkanten av CTV og endringar i CTV V95. WEPL er ikkje eit eigna hjelpemiddel i adaptiv protonterapi av LA-NSCLC med robust optimerte IMPT planar.

Introduction: Intensity modulated proton therapy (IMPT) may potentially improve the treatment of locally advanced non-small cell lung cancer (LA-NSCLC) as compared to intensity modulated radiation therapy (IMRT), which is the current state-of-the-art. Protons provide more precise dose delivery and better sparing of normal tissues. However, since the proton range is highly sensitive to density variations, treatment in the lung region is extra challenging due to breathing motion and anatomical changes. Adaptive protocols are needed, in which analysing the water equivalent path length (WEPL) of the proton beams in the patient could become a useful decision tool. The aim of this study was to evaluate the feasibility of WEPL in adaptive proton therapy of LA-NSCLC by studying the correlation between WEPL changes and target dose degradation. Materials and methods: Image materials and IMPT plans of 15 LA-NSCLC patients were included in this retrospective study. The patients were treated with IMRT at Haukeland University Hospital, and robust optimised IMPT plans were created retrospectively. Computed tomography (CT) scans were acquired at planning (pCT) and repeated (rCT) in week 1 and week 3 of the treatment course. One patient missed the rCT of week 3, hence 29 rCTs were available. The IMPT plans were recalculated on the rCTs and the volume of the clinical target volume (CTV) receiving at least 95% of the prescribed dose (V95) was extracted. In order to calculate the WEPL in the CT scans, a stoichiometric calibration was performed, obtaining a conversion from CT number to proton relative stopping power (RSP), characteristic for the applied CT scanner. For every patient, the WEPL was calculated to all points at the distal edge of the CTV in the pCT and in the rCTs. The change in WEPL (ΔWEPL) from the pCT to each of the rCTs was compared to the change in CTV V95 (ΔV95) from the original IMPT plan to the recalculation on the rCTs. The WEPL changes were quantified as the mean and the 95th percentile of |ΔWEPL| and the percentage of points at the distal edge of CTV with > 10 mm and > 3 mm WEPL changes. Results: With the obtained calibration curve, RSP values were predicted with a mean relative error of 4.6% and were used to calculate the WEPL in the patient CT scans. The median of the mean |ΔWEPL| for all patients was 5.4 mm in week 1 and 4.5 mm in week 3, and the median percentage of pixels at the distal edge of CTV with |ΔWEPL| > 10 mm was 13.1% in week 1 and 10.0% in week 3. There was a statistically significant correlation (p < 0.05) between the ΔV95 and the percentage of points with ΔWEPL < -10 mm, being the only tested parameter with correlation. Seven of the 29 recalculated IMPT plans had ΔV95 < -1%. The ΔWEPL was not significantly different for these than for the plans with less target dose degradation (p>0.05). Conclusion: In this study, changes in WEPL to the distal edge of the CTV did not correlate with changes in CTV V95. The WEPL is not a feasible tool in adaptive proton therapy of LA-NSCLC with robust optimised IMPT plans.