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Bibliographic Metadata

Title
Image guided adaptive radiation therapy for pelvic malignancies: from conceptual developments towards clinical implementation / submitted by Martin Buschmann
Additional Titles
Bildgeführte adaptive Strahlentherapie für Beckentumoren: von der konzeptionellen Entwicklung bis zur klinischen Implementierung
AuthorBuschmann, Martin
Thesis advisorGeorg, Dietmar
Published2018
Description127 Seiten : Illustrationen
Institutional NoteMedizinische Universität Wien, Dissertation, 2018
Annotation
Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers
Date of SubmissionFebruary 2018
LanguageEnglish
Bibl. ReferenceOeBB
Document typeDissertation (PhD)
Keywords (DE)adaptive Radiotherapie / Prostatakarzinom / Cervixkarzinom / volumetrisch modulierte Arc-Therapie
Keywords (EN)adaptive radiotherapy / prostate cancer / cervix cancer / volumetric modulated arc therapy
URNurn:nbn:at:at-ubmuw:1-17154 Persistent Identifier (URN)
Restriction-Information
 The work is publicly available
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Image guided adaptive radiation therapy for pelvic malignancies: from conceptual developments towards clinical implementation [5.46 mb]
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Reference
Classification
Abstract (German)

Die perkutane Radiotherapie spielt eine wichtige Rolle in der kurativen Behandlung von Beckentumoren, z.B. gehört sie zum Behandlungsstandard für das lokal fortgeschrittene Cervix-Karzinom und ist eine attraktive Alternative zur radikalen Prostatektomie. Das therapeutische Fenster dieser Behandlungen wurde im letzten Jahrzehnt durch technische Innovationen wie die bildgeführte Radiotherapie und die intensitäts-modulierte Radiotherapie erhöht. Weitere Verbesserungen hinsichtlich der geometrischen Genauigkeit der Behandlung sind nur möglich, wenn zeitabhängige Effekte wie Organbewegungen während der Therapie berücksichtigt werden. Im Becken können anatomische Veränderungen besonders groß und unvorhersagbar sein, da sich Organfüllungen täglich verändern. Dies wird derzeit nur durch die Anwendung großer Sicherheitssäume berücksichtigt. Die adaptive Radiotherapie (ART) wurde als Lösungsansatz vorgeschlagen, wobei hier der Behandlungsplan basierend auf anatomischen Veränderungen modifiziert wird. Obwohl die dazu nötigen Technologien wie die online Bildgebung etabliert sind, wird die ART aufgrund des hohen Arbeitsaufwands und des Mangels an effizienten Workflows und automatisierten kommerziellen Lösungen noch selten klinisch realisiert. Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung adäquater ART-Strategien für Beckentumoren und die anschließende klinische Implementierung. Zuerst wurden anatomische Bewegungsmuster beim Cervix-Karzinom durch die Analyse von CT-Scans und cone beam CT-Bildern intensiv studiert. Verschiedene Margin-Strategien und das klinisch-eingeführte Planbibliothek-Konzept wurden hinsichtlich Ziel-Dosis-Abdeckung und Normalgewebsschonung untersucht. In dieser Bestrahlungsplanungsstudie reduzierten ART-Strategien das Volumen V40Gy um bis zu 106 cm3 im Vergleich zu einem großen isotropen Margin. Der Ansatz der Planbibliothek-ART, der die besten Ergebnisse in der in silico Studie lieferte, wurde anschließend klinisch implementiert. Patientinnen mit großen CTV Bewegungen wurden mit einer zweistufigen VMAT Planbibliothek behandelt, die anatomische Konfigurationen mit voller und leerer Harnblase berücksichtigt. Die implementierte Technik führte zu verbesserter Risikoorganschonung während gleichzeitig die Ziel-Dosis-Abdeckung erhalten blieb. Der Arbeitsaufwand erhöhte sich in allen Schritten in der Behandlungskette deutlich: Bildgebung, Konturierung, Bestrahlungsplanung, Behandlung und Qualitätssicherung. In 30% aller Fraktionen wurde der Volumenanteil der Blase, der mit einer Dosis von 42.75 Gy belastet wurde, um mehr als 10 Prozentpunkte reduziert. Effizientere Bestrahlungsplanung ist eine Voraussetzung für den vermehrten Einsatz für ART-Workflows und diese kann durch multikriterielle Optimierungs-Methoden (MCO) erreicht werden. In dieser Arbeit wurden zwei neuartige MCO-Algorithmen für die Prostata-Beckenbestrahlung mit VMAT evaluiert. Diese Behandlung ist ein weiterer potentieller Kandidat für plan-of-the-day ART. Eine ‚a posteriori‘ Strategie, bei der die manuelle Navigation der Pareto-Front die Auswahl des best-geeigneten Plans ermöglicht, bewies sich als zeiteffizienter als die manuelle iterative Planung bei ähnlicher dosimetrischer Qualität. Mit einer ‚a priori‘ MCO-Methode wurde vollautomatisierte VMAT-Planung umgesetzt. Automatisch generierte Pläne wiesen stark verbesserte Risikoorganschonung im Vergleich zur manuellen Planung auf, mit einer durchschnittlichen Reduktion von mehr als 10 Gy in Dmean der Blase. Automatisierte Pläne wurden von einem Radioonkologen für 90% der Patienten favorisiert. Basierend auf den Resultaten dieser Thesis, können die klinischen Behandlungsergebnisse der Cervix-ART in prospektiven Studien untersucht werden und die klinisch implementierte ART-Technik kann auf andere Tumorentitäten wie Hochrisiko-Prostatakrebs angewandt werden. Zusätzlich wurde die automatisierte Bestrahlungsplanung für die klinische Implementierung vorbereitet.

Abstract (English)

External beam radiation therapy has a strong role in the curative treatment of several pelvic tumors, e.g. it is the standard of care for locally advanced cervical cancer and is an attractive alternative to radical prostatectomy. Physics-based developments like image-guided radiotherapy and intensity-modulated radiotherapy have increased the therapeutic window for these treatments over the last decade. However, further improvements with respect to spatial treatment precision are only possible, if temporal effects like organ motion during therapy are adequately addressed. Anatomical variations can be especially large and unpredictable in the pelvic region as organ filling may change on a daily basis and currently this is only considered through the application of safety margins. Adaptive radiation therapy (ART) offers a solution by modifying the treatment plan based on anatomical changes. Although the necessary technology like online imaging is established, ART is still rarely clinically realized because of the high workload and the lack of efficient workflows and automated vendor solutions. The scope of this thesis was to develop adequate ART strategies for pelvic malignancies and to implement them in the clinic. First, anatomical motion characteristics were intensively studied in cervix cancer through the analysis of CT scans and in-room cone beam CT images. Several different margin strategies and the introduced plan library concept were investigated with respect to target coverage and normal tissue sparing. ART strategies reduced the bowel V40Gy up 106 cm3 compared to a large uniform margin in the treatment planning study. The plan library ART approach that performed best in this in silico study was subsequently clinically implemented. Patients with large CTV movements were treated with a two-stage volumetric modulated arc therapy (VMAT) plan library, addressing full bladder and and empty bladder anatomical configurations. The implemented procedure led to improved organs at risk sparing while maintaining target coverage, but also increased workload considerably in all steps of the treatment chain: imaging, contouring, treatment planning, treatment delivery and quality assurance. In 30% of all fractions, the volume of the bladder exposed to the dose level of 42.75 Gy was reduced by more than 10 percent points. More efficient treatment planning is a necessity for the increased uptake of ART workflows and may be provided through multicriteria optimization (MCO) methods. Two novel MCO algorithms were evaluated in this thesis for VMAT-delivered whole-pelvic prostate radiotherapy, which is another potential candidate for plan-of-the-day ART. An ‘a posteriori strategy, where manual navigation of the Pareto surface allows the selection of the most appropriate treatment plan, was demonstrated to be more time efficient than manual iterative planning with similar dosimetric quality. With another ‘a priori MCO method fully automated VMAT planning was realized. Automatically generated plans exhibited strongly enhanced organ sparing compared to manual planning, with an average decrease of more than 10 Gy in bladder Dmean and were favored by a radiation oncologist in 90% of the patients. Based on the results of this thesis, the clinical outcome of cervix ART can be assessed in prospective trials and the clinically implemented procedure can be extended to other tumor entities like high risk prostate cancer. In addition, automated treatment planning has been prepared for clinical implementation.

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