Optimizing Brachytherapy Planning for Locally Advanced Cervical Cancer: The Consequences of Including the Vaginal Wall

Abstract

Bakgrunn og mål: Risikoorganene (OARs) som vanligvis tas hensyn til under planlegging av brakyterapi (BT) for lokalavansert livmorhalskreft (LACC) inkluderer blæren, rektum, sigmoideum og tarmslyngene. I løpet av det siste tiåret har det vært økt oppmerksomhet rundt konsekvensene av høye stråledoser til vaginalveggen under behandling. Denne studien hadde som mål å undersøke konsekvensene av å inkludere vaginalveggen som et ekstra OAR i BT-planleggingen for LACC. Målet var å evaluere om en planleggingsstrategi for vaginal dosereduksjon kunne implementeres i klinisk praksis for å redusere forekomsten og alvorlighetsgraden av vaginal morbiditet fra behandling.

Materialer og metoder: Denne studien inkluderte data fra ni pasienter behandlet for LACC ved bruk av en tandem og ring intrakavitær (IC) BT-applikator ved St. Olavs Hospital. Vaginalveggen ble tegnet inn i 18 BT-planleggingsbilder (to bilder per pasient) med tre ulike veggtykkelser: 2, 3 og 4 mm. Inntegningen ekskluderte målvolumet med en margin på 5 mm og strakte seg kaudalt til den bakre-nedre grensen av symfysen (PIBS). Vaginale punkter ble også satt inn i alle planleggingsbilder. Vaginale dosereduksjonsplaner ble laget ved å inkludere vaginalveggen med en tykkelse på 4 mm som et ekstra OAR i den hybride, inverse optimaliseringsalgoritmen for behandlingsplanlegging (HIPO). Disse planene hadde som mål å minimere dosen til vaginalveggen samtidig som planleggingsmåldosen for målvolumet og dosegrensene for de andre OARs, fastsatt i EMBRACE II-protokollen, ble overholdt. Disse planene ble deretter sammenlignet med den nåværende kliniske planleggingsstrategien ved å analysere den radioaktive kildens liggetider, dosefordelinger og spesifikke dosimetriske data.

Resultater: Den gjennomsnittlige andelen av liggetiden til den radioaktive kilden i ringen ble signifikant redusert (p < 0.05), fra 61.6% av den totale liggetiden i de kliniske planene til 38.5% med den vaginale doseredusjonsstrategien. Dette førte til en endring i dosefordelingen fra typiske pæreformer til mer sirkulære eller elliptiske former. Isodosene for dosefordelinger med pæreform strakte seg typisk lenger kaudalt mot vaginalt vev. I motsetning strakte isodosene for dosefordelinger med sirkulære og elliptiske former seg ofte lengre anterioralt og posterioralt mot andre OARs. Denne endringen resulterte i en signifikant reduksjon av dosen til vaginalveggen og vaginale punkter (p < 0.05), uten at det gikk på bekostning av målvolumsdekningen. Dose-volum-parametre for vaginalveggen var avhengig av veggtykkelse. Videre ble dosen til rektum signifikant redusert (p < 0.05), mens dosen til sigmoideum ble signifikant økt (p < 0.05). Dosene til blæren og tarmslyngene ble ikke signifikant endret (p = 0.458, p = 0.660).

Konklusjon: Planleggingsstrategien for vaginal dosereduksjon ser ut til å være klinisk anvendelig for pasienter med mye fettvev i abdomen og bekken. Dette fettvevet øker avstanden mellom den radioaktive kilden og OARs, noe som minsker den negative effekten av den endrede formen på dosefordelingen, som strekker seg mer lateralt mot OARs. Fremtidige studier bør undersøke konsekvensene av å utføre vaginal dosereduksjon med kombinerte intrakavitære/interstitielle (IC/IS) behandlingsteknikker for å fastslå om vaginale doser kan reduseres signifikant uten å øke dosene til andre OARs signifikant.

Background and Aims: The organs at risk (OARs) typically considered during brachytherapy (BT) treatment planning for locally advanced cervical cancer (LACC) include the bladder, rectum, sigmoid colon, and bowel loops. Over the past decade, there has been increased attention on the consequences of high radiation doses to the vaginal wall during treatment. This thesis aimed to investigate the consequences of including the vaginal wall as an additional OAR in BT planning for LACC. The goal was to evaluate whether a vaginal dose de-escalation strategy could be implemented in clinical practice to reduce the incidence and severity of vaginal morbidity from treatment.

Materials and Methods: This thesis included data from nine patients treated for LACC using a tandem and ring intracavitary (IC) BT applicator at St. Olavs Hospital. The vaginal wall was delineated in 18 BT planning images (two images per patient) with three different wall thicknesses: 2, 3, and 4 mm. The delineation excluded the target volume with a 5 mm margin and extended caudally to the level of the posterior-inferior border of the pubic symphysis (PIBS). Vaginal points were also inserted into all planning images. Vaginal dose de-escalation plans were created by including the vaginal wall with a 4 mm thickness as an additional OAR in the hybrid inverse treatment planning optimization (HIPO) algorithm. These plans aimed to minimize the dose to the vaginal wall while achieving the planning aim dose for the target volume and adhering to the dose limits for other OARs established in the EMBRACE II protocol. These plans were then compared to the current clinical planning strategy by analyzing the radioactive source’s dwell times, dose distributions, and specific dosimetric data.

Results: The mean ring loading of the radioactive source was significantly reduced (p < 0.05), from 61.6% of the total loading in current clinical plans to 38.5% with the vaginal dose de-escalation strategy. This resulted in a change in dose distribution from typical pear shapes to more circular or elliptical shapes. Isodoses for pear-shaped dose distributions typically extended further caudally towards the vaginal tissue. Conversely, isodoses for circular and elliptical distributions often extended further anteriorly and posteriorly towards the other OARs. This change resulted in a significant reduction in dose to the vaginal wall and vaginal points (p < 0.05) without compromising target dose coverage. Dose-volume parameters for the vaginal wall were dependent on wall thickness. Additionally, the dose to the rectum was significantly reduced (p < 0.05), while the dose to the sigmoid was significantly increased (p < 0.05). The doses to the bladder and bowel were not significantly altered (p = 0.458, p = 0.660).

Conclusion: The vaginal dose de-escalation strategy appears clinically applicable for patients with more fatty tissue in the abdomen and pelvis. This fatty tissue increases the spatial distance between the radioactive source and OARs, which mitigates the negative impact of the altered dose distribution shape, extending more laterally towards the OARs. Future research should investigate the consequences of performing vaginal dose de-escalation with combined intracavitary/interstitial (IC/IS) treatment techniques to determine if vaginal doses can be significantly reduced without significantly increasing doses to other OARs.