Titelaufnahme

Titel
Precision therapy for lung cancer : Image processing and dose calculation in stereotactic body radiotherapy / submitted by Thomas Künzler
VerfasserKünzler, Thomas
Begutachter / BegutachterinGeorg, Dietmar
Erschienen2012
Umfang75 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Med. Univ., Diss., 2012
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Strahlentherapie / Lungentumoren / extrakranielle Stereotaxie / MV Bildgebung / IGRT / Dosisalgorithmen / Monte Carlo
Schlagwörter (EN)Radiotherapy / lung cancer / stereotactic body radiotherapy / MV portal imaging / IGRT / dose algorithms / Monte Carlo
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-4652 Persistent Identifier (URN)
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Zusammenfassung (Deutsch)

Stereotactic body radiotherapy (SBRT) is an effective technique in lung cancer treatment and several prerequisites are essential in order to achieve good local control. These include precise imaging of the lesion before irradiation and accurate dose calculation to account for density heterogeneities in lung tissue. Both aspects were investigated within the framework of the thesis: a new approach in imaging with a conventional electronic portal imaging device (EPID) was investigated and the performance and limits of a new Monte Carlo (MC) calculation algorithm commercially available were studied.

More specifically, digitally reconstructed radiographs (DRR) of lung lesions were compared with MV portal images in a feasibility study to assess any displacement of the tumour. The precision of displacement results of three registration algorithms was tested when compared to a projection image of the tumour. The various algorithms were applied to test images, a lung simulation phantom and finally to patient data including 38 tumours and images of 113 fractions. Image guidance results of tested registration algorithms proved the accuracy in the lung phantom study whereas clinical patient data had successful registrations in about 59% of anterior-posterior (AP) and 46% of lateral projections, respectively. Excluding real patient data with a clinical target volume smaller than 10 cm3, successful registrations occurred in 90% of AP and 50% lateral projections.

With respect to dose calculation accuracy, experimental verification of a commercial Monte Carlo-based planning system was performed for high-energy photon beams. Several simple and complex treatment cases were calculated and compared with measurements in different phantom types. Besides ion chamber measurements, radiochromic films were irradiated to gain 2D dose distributions which were compared to calculations applying the gamma-index criterion. The dose calculation accuracy of the Monte Carlo algorithm implemented in two different treatment planning systems (TPS) was further compared to advanced kernel based methods, namely the collapsed cone (CC) convolution algorithm and the analytical anisotropic algorithm (AAA). 1D gamma-index of depth dose curves and profiles were investigated as well as 2D gamma values of axial planes for composite treatment plans. Concerning dose comparison of MC calculations to measurements, the average gamma value was 0.21 for all energies for simple test cases. Gamma results for depth dose curves in asymmetric beams were similar to symmetric beams. Simple regular fields showed excellent absolute dosimetric agreement to ion chamber measurements. A detailed analysis at tissue interfaces showed dose discrepancies below 3% for a 10x10 cm2 field at 18 MV energy. Advanced treatment techniques within a heterogeneous test phantom showed an average dose discrepancy of 0.5% 1.1% whereas relative dose results lead to a mean 2D gamma value of 0.44 0.07. With respect to advanced kernel dose calculations no large differences in absolute dosimetry were found when compared to the MC modules. In general, 1D gamma results obtained with both MC systems were similar and comparable with the CC algorithm whereas the results for the AAA algorithm were slightly worse.

2D gamma evaluation for four-field plans and IMRT plans revealed smaller mean gamma values for MC dose calculations compared to the advanced kernel algorithms.

In conclusion, 2D/3D EPID image registration for lung tumours is an attractive alternative for markerless online imaging and can complement planar kV imaging on state of the art linacs with cone beam computer tomography (CBCT). Size and location of the tumour are still the limiting parameters for an accurate registration process. Focusing on dose calculation accuracy of Monte Carlo-based treatment planning systems, tested modules led to accurate dosimetric results under clinical test conditions. The TPS with MC algorithms even performed best in heterogeneous conditions but the difference between the CC and the MC algorithms was found to be very small.

Zusammenfassung (Englisch)

Extrakranielle Stereotaxie ermöglicht eine effektive Therapie von Lungentumoren, benötigt aber vielfältige Voraussetzungen, um eine vernünftige Tumorkontrolle zu erlangen. Dazu gehören eine genaue Bildgebung der Läsion vor der Bestrahlung, sowie exakte Dosisberechnungsalgorithmen besonders bei Dichteinhomogenitäten. Beide Aspekte müssen für die extrakranielle Stereotaxie fortlaufend weiterentwickelt werden. Die vorliegende Arbeit diskutiert folgende Themen: MV Bildgebung für Lungentumoren mit einem elektronischen Detektor (EPID), sowie die Leistungsfähigkeit und Limits eines für die klinische Anwendung optimierten Monte Carlo Dosisberechnungsalgorithmus.

In einer ersten Studie wurden digital rekonstruierte Projektionsbilder von Lungentumoren mit MV Portalbildern verglichen, um den räumlichen Versatz von Tumoren zu ermitteln. Dabei wurden drei Registrationsalgorithmen auf deren Fähigkeit untersucht, korrekten räumlichen Tumorversatz anhand eines Projektionsbilds zu ermitteln. Es wurden Testbilder erzeugt, ein Lungenphantom gebaut und schließlich Patientendaten von 38 Tumoren in 113 Fraktionen ausgewertet. Die Ergebnisse der untersuchten Registrationsalgorithmen in der Bildgebung bestätigen bei der Auswertung des Lungenphantoms die Genauigkeit der Algorithmen, wobei die Studie mit Patientendaten erfolgreiche Registrationen bei 59% in anterior-posterior (AP) Richtung und 46% in lateraler Projektion zeigte. Bei Ausschluss von Patientendaten mit Tumorvolumina kleiner 10 cm3 werden 90% in AP und 50% in lateraler Projektion korrekt registriert.

In Bezug auf die Genauigkeit der Dosisberechnung wurden Messexperimente für die Untersuchung eines Monte Carlo (MC) Planungssystems für Hochenergie-Photonenstrahlung durchgeführt. Einfache und komplexe Bestrahlungsgeometrien wurden im Planungssystem nachgerechnet und mit der Messung in verschiedenen Phantomen verglichen. Neben der Ionisationskammer wurden radiochromische Filme bestrahlt, um zweidimensionale Dosisverteilungen mittels des Gamma-Index zu vergleichen. Weiters wurde die dosimetrische Genauigkeit von zwei MC Algorithmen in verschiedenen Planungssystemen untersucht und mit herkömmlichen kernelbasierten Berechnungsmethoden verglichen, zum einen der collapsed cone (CC) convolution Algorithmus und der analytical anisotropic Algorithmus (AAA). Bei den Dosisvergleichen von MC Berechnung und Messung wurde ein mittlerer Gammawert von 0.21 für alle Energien einfacher Testfelder ermittelt. Gammawerte für Tiefendosiskurven bei asymmetrischen Feldern waren vergleichbar mit den Werten von symmetrischen Feldern. Die berechnete Dosis einfacher, regulärer Testfelder zeigte exzellente Übereinstimmung mit Ionisationskammermessungen und eine genaue Analyse an Gewebeübergängen zeigte Dosisdifferenzen unter 3% für ein 10x10 cm2 Feld mit 18 MV Energie. Anspruchsvolle Bestrahlungstechniken mit einem inhomogenen Phantom zeigten mittlere Dosisdifferenzen von 0.5% 1.1% und Ergebnisse der Relativdosimetrie führten zu mittleren 2D Gammawerten von 0.44 0.07. Unterschiede in der Absolutdosimetrie im Vergleich MC Planungssystem zu kernelbasierten Berechnungsmethoden konnten kaum ausgemacht werden. Auch die 1D Gammawerte der beiden MC Module waren sehr ähnlich und vergleichbar mit dem CC Algorithmus, während die Ergebnisse für den AAA Algorithmus etwas schlechter ausfielen. Die 2D Gammaauswertung für 4-Felder-Pläne und IMRT Pläne zeigten geringere mittlere Gammawerte für die MC Algorithmen verglichen mit den kernelbasierten Methoden.

2D/3D Bildregistrierung mit EPID Aufnahmen von Lungentumoren ist eine attraktive Alternative für markerlose Echtzeitbildgebung und ergänzt planare kV Bildgebung an modernen Linearbeschleunigern mit integrierter Computertomographie. Größe und Lage der Tumoren können aber die Registration beeinträchtigen. Die Spezifikationen für Dosisberechnungen bei Monte Carlo-basierten Planungssystemen sind unter klinischen Testbedingungen erfüllt. Die beiden Planungssysteme mit den MC Algorithmen zeigten speziell bei inhomogenen Bedingungen eine größere Genauigkeit, wobei der Unterschied zum CC Algorithmus minimal ausfiel.