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Title
Inverse planning and class solutions for brachytherapy treatment planning / submitted by Petra Trnková
AuthorTrnková, Petra
CensorKirisits, Christian
Published2010
Description98 Bl. : Ill., graph. Darst.
Institutional NoteWien, Med. Univ., Diss., 2010
Annotation
Zsfassung in dt. Sprache
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)Brachytherapie / Inverse Planung / Zervixkarzinom, HIPO / IPSA / Optimierung der Bestrahlungspläne / Vagina / Dosisauswertung
Keywords (EN)brachytherapy / inverse planning / cervix, HIPO / IPSA / optimization / vagina / dose reporting
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-3364 Persistent Identifier (URN)
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Inverse planning and class solutions for brachytherapy treatment planning [4.43 mb]
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Abstract (English)

Brachytherapy or interventional radiooncology is a method of radiation therapy. It is a method, where a small encapsulated radioactive source is placed near to / in the tumour and therefore delivers high doses directly to the target volume. Organs at risk (OARs) are spared due to the inverse square dose fall-off.

In the past years there was a slight stagnation in the development of techniques for brachytherapy treatment. While external beam radiotherapy became more and more sophisticated, in brachytherapy traditional methods have been still used. Recently, 3D imaging was considered also as the modality for brachytherapy and more precise brachytherapy could expand.

Nowadays, an image guided brachytherapy is state-of-art in many centres.

Integration of imaging methods lead to the dose distribution individually tailored for each patient. Treatment plan optimization is mostly performed manually as an adaptation of a standard loading pattern. Recently, inverse planning approaches have been introduced into brachytherapy. The aim of this doctoral thesis was to analyze inverse planning and to develop concepts how to integrate inverse planning into cervical cancer brachytherapy.

First part of the thesis analyzes the Hybrid Inverse treatment Planning and Optimization (HIPO) algorithm and proposes a workflow how to safely work with this algorithm. The problem of inverse planning generally is that only the dose and volume parameters are taken into account and spatial dose distribution is neglected. This fact can lead to unwanted high dose regions in a normal tissue. A unique implementation of HIPO into the treatment planning system using additional features enabled to create treatment plans similar to the plans resulting from manual optimization and to shape the high dose regions inside the CTV.

In the second part the HIPO algorithm is compared to the Inverse Planning Simulated Annealing (IPSA) algorithm. IPSA is implemented into the commercial treatment planning system. It has no additional features how to control spatial distribution of high dose regions. It is possible to create a dosimetrically acceptable treatment plans with IPSA.

Nevertheless, the size of high dose regions is not acceptable. In comparison to manual treatment planning as well as to HIPO optimization, IPSA lead to the conflicting results concerning high dose regions. To be able to use IPSA for inverse treatment planning in cervical cancer brachytherapy additional tools have to be developed.

The last part of the thesis is engaged with vaginal wall dosimetry. Dose volume constraints for target volume as well as for organs OARs are an input for inverse planning optimization calculation. A dose tolerance of each OAR has to be known to be able to create appropriate constraints.

Until now only bladder, rectum and sigmoid were considered as OARs. The dose limits for vagina don't exist yet because of several uncertainties during assessing of dose to the vagina and vaginal morbidity. To overcome contouring uncertainties a simplified vagina contour was proposed and tested. The analysis showed that this contour is able to detect differences between different applicators as well as between different treatment plans. A prospective study comparing dosimetric results of this model and side effects in the vagina has to be done to prove whether this contour is working or not.

In conclusion, this thesis proved that inverse planning can be used for cervical cancer brachytherapy. An appropriate implementation of the inverse planning algorithm has to be considered to avoid high dose regions. Prior including of a dose volume constrains of vagina as another input parameter for the inverse planning calculation vaginal dose reporting has to be solved. The feasibility of the proposed simplified vagina contour for dose reporting has to be proven with a prospective study.

Abstract (German)

Brachytherapie oder interventionelle Radioonkologie ist eine Methode der Strahlentherapie. Hierbei wird eine kleine eingekapselte radioaktive Quelle nahe bei oder in einem Tumor platziert. Dadurch kann eine hohe Dosis direkt im Zielvolumen appliziert werden. Risikoorgane werden aufgrund des inversen quadratischen Dosisabfalls geschont.

In den vergangenen Jahren stagnierte die Entwicklung der Brachytherapie-Techniken für die ein wenig. Während sich die externe Strahlentherapie stetig weiter entwickelte, werden in der Brachytherapie noch immer traditionelle Methoden verwendet. Seit kurzem wird die 3D Bildbebung auch in der Brachytherapie eingesetzt, wodurch mehr präzise Brachytherapie wird anreichen können. Heutzutage ist die bildgestützte Brachytherapie Stand der Technik in vielen Zentren.

Die Integration der Bildgebungsmethoden führt zu einer Dosisverteilung, die individuell für jeden Patient angepasst werden kann. Die Optimierung des Behandlungsplans wird meist manuell durchgeführt, wobei sie auf dem Standardbeladungsmusters basiert. Seit kurzem werden inverse Planungsmethoden auch in die Brachytherapie verwendet. Das Ziel dieser Doktorarbeit war die inverse Planung zu analysieren und Konzepte zu entwickeln, auf welche Weise diese in die Behandlung des Zervixkarzinoms integriert werden kann.

Der erste Teil der Arbeit analysiert den "Hybrid Inverse treatment Planning and Optimization" (HIPO) Algorithmus und schlägt einen Arbeitsablauf für die sichere Verwendung dieses Algorithmus vor. Ein allgemeines Problem der inversen Planung ist, dass hierbei nur Dosis- und Volumenparameter beachtet werden und die räumliche Verteilung der Hochdosisareale vernachlässig wird. Dies kann zu unerwünschten Hochdosisarealen im Normalgewebe führen. Eine einmalige Implementierung des HIPO Algorithmus unter der Verwendung zusätzlicher Funktionen ermöglicht Bestrahlungspläne zu erstellen. Diese Pläne sind mit den manuell optimierten vergleichbar und weisen einen wohldefinierten Hochdosisbereich innerhalb des CTV auf.

Im zweiten Teil der Arbeit wurde der HIPO Algorithmus mit dem "Inverse Planning Simmulated Annealing" Algorithmus (IPSA) verglichen. IPSA ist in das kommerzielle Behandlungsplanungssystem implementiert. Es hat keine zusätzlichen Funktionen, die die räumliche Dosisverteilung kontrollieren. Mit IPSA ist es möglich dosimetrisch akzeptable Behandlungspläne zu erstellen, bei denen allerdings die Volumina der Hochdosisareale inakzeptabel sind. Im Vergleich zur manuellen Planung wie auch zur HIPO Optimierung führte der IPSA Algorithmus zu widersprüchlich Ergebnissen bezüglich Hochdosisareale. Um IPSA für die inverse Bestrahlungsplanung für Zervixkarzinom verwenden zu können müssen zusätzliche Tools entwickelt werden.

Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit Vaginaldosimetrie.

Dosis- und Volumensgrenzwerte für das Zielgebiet und die Risikoorgane sind Eingabeparamter eines inversen Planungsalgorithmus. Die Dosistoleranz für jedes Risikoorgan muss bekannt sein um entsprechende Grenzwerte festzulegen. Bis heute wurden nur die Blase, das Rektum und das Sigma als Risikoorgane berücksichtigt. Aufgrund von Unsicherheiten in der Abschätzung der Dosis in der Vagina und der Vaginamorbidität, existieren hierfür noch keine Dosisgrenzwerte. Um Unsicherheiten bei der Konturierung zu umgehen wurde ein vereinfachtes Vaginamodel eingebracht und getestet. Die Auswertung hat gezeigt, dass das Model Unterschiede zwischen verschiedene Plänen und verschiedenen Applikatoren reflektieren kann. Um herauszuarbeiten ob die vereinfachte Konturierung angewendet werden kann, soll eine prospektive Studie, die die dosimetrischen Ergebnisse dieses Models und die Nebenwirkungen auf die Vagina vergleicht, durchgeführt werden Zusammenfassend hat diese Doktorarbeit gezeigt, dass die inverse Planung für die Brachytherapie des Zervixkarzinoms verwendet werden kann. Die Implementierung des inversen Planungsalgorithmus muss so angepasst werden, dass Hochdosisareale vermieden werden können. Bevor Dosisgrenzwerte auch für die Vagina in der inversen Bestrahlungsplanung beachtet werden können, muss die Dosisauswertung der Vagina gelöst werden. Für die Realisierbarkeit der vereinfachten Konturierung der Vagina für die Dosisauswertung muss eine prospektive Studie durchgeführt werden.