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First steps of implementation of image guided adaptive radiation therapy

Hopfgartner, Johannes (2009) First steps of implementation of image guided adaptive radiation therapy.
Diplomarbeit, University of Vienna. Fakultät für Physik
BetreuerIn: Georg, Dietmar

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DOI: 10.25365/thesis.5530
URN: urn:nbn:at:at-ubw:1-29823.56291.959563-7

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Abstract in English

Background: Cone Beam Computed Tomography (CBCT), integrated to the medical linac, is currently utilized for correction of patient positioning uncertainties. Additional possible applications of these image data sets are conceivable for Adaptive Radiation Therapy (ART). By repetitive imaging, one can react on anatomical changes in the patient (e.g. by the adaptation of the irradiation plan) and hence a more sparing therapy can be achieved. In the actual study should be investigated in early steps to what extent CBCT images are feasible for treatment planning purposes in ART. Materials and Methods All evaluations were done with the CBCT device integrated to the Elekta Synergy® linac at the Department of Radiotherapy at the Medical University of Vienna/AKH Vienna. The images, which were used for dose comparison studies, were acquired with a conventional multi slice CT scanner of Siemens (Siemens VolumeZoom). For two calibration phantoms (CATPhan® and Gammex® RMI), the average Hounsfield Units (HU) were detected in various material inserts in CT and in CBCT images. Furthermore, the dependency of HU values on image acquisition parameters (tube voltage, mAs, filtering and collimation) was evaluated and HU/ED (Electron Density) correlation curves of various clinical protocols were established. In the course of an extensive Quality Assurance (QA) process of the CBCT device, representative Image Quality (IQ) parameters were observed and the calibration curves were tested concerning their long-term stability. Subsequently, dose variations, compared to the planning CT, were calculated for an Anterior – Posterior (AP) treatment plan with the Treatment Planning System (TPS) iPlan® of BrainLAB. For commissioning of iPlan®, basic beam data sets had been acquired and implemented. For the determination of dose calculation accuracy, a gamma evaluation was applied. The gamma evaluation was performed on data sets of an inhomogeneous multipurpose phantom with polystyrene as well as cork inserts. Results Generally, IQ parameters in CBCT images were demonstrated to be accurate enough for a possible implementation for ART. In comparison to the CT, the experimentally determined CBCT HU/ED correlation curves of both calibration phantoms showed average deviations of 27% in ED. In contrast to the Gammex® RMI based correlation curves, the CATPhan® curves exhibited parallel behavior among each other and obvious similarities to the desired CT correlation curves. Thus, they were applied for dose calculation based on CBCT images. The requirement of temporal stability could be satisfied for one image protocol (Image Quality protocol). Over the investigation period of 10 month, maximum deviations of 30 HU around the actual mean values of the inserts in the CATPhan® phantom could be determined. A comparison of depth dose curves between CBCT- and CT based dose calculation, relying on the Pencil Beam Algorithm (PBA), showed mean Gamma Indexes up to 0.51 and maximum values of 0.94. For dose profile comparison, 0.24 and 0.874 was found for mean and maximum Gamma Indexes, respectively. An underestimation of dose could be detected in case of CBCT based dose calculation due to a significant reduction of the outer contour of the phantom in CBCT images. Concerning dose calculation, carried out by utilizing the Monte Carlo Algorithm (MCA), the representative Gamma Indexes were higher and more pronounced. Discussion In the frame of this study, the feasibility of CBCT based dose calculation for ART under certain conditions could be confirmed. However, one has to bear in mind that image artifacts highly influence the accuracy of dose calculation relying on CBCT images. A possible opportunity for handling this problem might be advanced image reconstruction algorithms in order to trace artifacts already in frequency space and hence minimize image errors. Additionally, an autosegmentation tool may be used in order to autocontour artifact affected volumes and assign well defined HUs in order to bypass their influence on dose calculation. Consequently, CBCT images can be used for positioning correction on the treatment table as well as for contemporaneous adaptive re-planning. Further studies that show the dosimetric advantage of ART are planned for CRT and IMRT for H&N- and pelvis cases.

Schlagwörter in Englisch

Cone Beam Computed Tomography (CBCT) / Adaptive Radiation Therapy (ART) / Dose Calculation / Quality Assurance / HU-ED Correlation Curves

Abstract in German

Hintergrund: Cone Beam Computed Tomography (CBCT) am Linearbeschleuniger wird momentan vorwiegend zur Korrektur von Positionierungsungenauigkeiten des Patienten eingesetzt. Weitere Verwendungsmöglichkeiten dieser zusätzlichen Bilddatensätze bieten sich in der adaptiven Strahlentherapie (ART) an. Durch repetitives Imaging kann auf anatomische Veränderungen (z.B. durch Änderung des Bestrahlungsplanes) reagiert und die Therapie schonender gestaltet werden. In dieser Arbeit soll in einem ersten Schritt untersucht werden, inwieweit CBCT Daten für die Dosisberechnung in der ART geeignet sind. Material und Methoden Alle Untersuchungen wurden mit dem CBCT am Elekta-Linearbeschleuniger Synergy® in der Abteilung für Strahlentherapie an der Medizinischen Universität Wien/AKH Wien durchgeführt. Die zum Dosisvergleich herangezogenen Bilder wurden mittels eines konventionellen Multi Slice CT Scanners von Siemens (Siemens VolumeZoom) aufgenommen. Für zwei Kalibrierphantome (CATPhan® und Gammex® RMI) wurden sowohl in den CT- als auch in den CBCT- Aufnahmen die mittleren Hounsfield Einheiten (HU) für materialspezifische Einsätze ermittelt. Weiters wurde der Einfluss der zur Bildakquisition eingestellten Parameter (Röhrenspannung, mAs, Kollimation und Filterung) auf die HUs bestimmt und HU/ED (Elektronendichte) Korrelationskurven der diversen klinischen Protokolle für die Dosisberechnung erstellt. Im Zuge einer ausgedehnten Qualitätssicherung wurden wichtige Parameter der Bildqualität in CBCT Bildern untersucht, anhand welcher unter anderem die Korrelationskurven auf ihre Langzeitstabilität getestet wurden. Anschließend wurden Dosisverteilungen für einen Anterior – Posterior (AP) Bestrahlungsplan mittels des Bestrahlungsplanungssystems iPlan® von BrainLAB berechnet und die dosimetrische Genauigkeit im Vergleich zum PlanungsCT evaluiert. Zur Inbetriebnahme von iPlan® waren Basisdaten für die einzelnen Strahlqualitäten des Bestrahlungsgeräts gemessen und erfolgreich implementiert worden. Zur Abschätzung dieser Genauigkeit wurde eine Gamma Evaluierung durchgeführt. Diese Gammaevaluierung wurde an Datensätzen eines inhomogenen Verifikationsphantoms mit Korkeinsätzen vollzogen. Resultate Die Bildqualitätssicherung zeigte, dass eine prinzipielle Anwendung von CBCT Datensätzen für ART denkbar ist. Im Vergleich zum CT zeigten die experimentell gewonnen HU/ED Korrelationskurven beider Kalibrierphantome Abweichungen von durchschnittlich 27 % in ED. Im Gegensatz zu Korrelationskurven, welche auf dem Gammex® RMI phantom beruhten, zeigten die CATPhan® Kurven einen parallelen Verlauf und große Ähnlichkeit zu den gewünschten CT Kurven. Aus diesem Grund wurden sie zur nachfolgenden, auf CBCT Daten beruhenden Dosisberechnung herangezogen. Die Forderung nach verlässlichen und zeitlich stabilen Korrelationskurven konnte für ein Protokoll (Image Quality Protokoll) gezeigt werden. Im Verlauf von 10 Monaten wurde eine maximale Schwankung um den jeweiligen HU Mittelwert der Einsätze im CATPhan® Phantom von 30 HUs beobachtet. Ein Vergleich der Tiefendosisverteilungen für CT- und CBCT- gestützte, auf dem Pencil Beam Algorithmus (PBA) beruhende Dosisberechnung zeigte mittlere Gammawerte von bis zu 0.51 und maximale Gammawerte von 0.94. Sichtbar war eine Unterschätzung der Dosis im CBCT im Dosisaufbau, welche auf eine Reduzierung der Außenkontur zurückführen ließ. Für laterale Dosisprofile kam es zu mittleren Gamma Indizes von 0.24 und maximalen Werten von 0.87. Der Vergleich der Dosisberechnungen, welche mittels des Monte Carlo Algorithmus (MCA) durchgeführt wurde, zeigten tendenziell höhere Gamma Werte. Diskussion Diese Arbeit zeigt, dass CBCT Aufnahmen unter gewissen Bedingungen für die Dosisberechnung eingesetzt werden können. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die auf CBCT beruhende Dosisberechnung stark durch Bildartefakte beeinflusst ist. Durch verbesserte Rekonstruktionsalgorithmen könnten Bildfehler bereits im Fourierraum als solche erkannt und demzufolge minimiert werden. Außerdem könnte ein Autosegmentierungstool verwendet werden, um von Artefakten durchsetzten Volumina spezifische HU zuzuweisen und somit den störenden Einfluss der Bildartefakte auf die Dosisberechnung zu umgehen. Ein CBCT Datensatz kann folglich sowohl zur Positionskorrektur des Patienten am Behandlungstisch als auch gleichzeitig zur adaptiven Planung herangezogen werden. Weitere Studien, welche dosimetrische Vorteile der ART in Bezug auf den Patienten zeigen sollen, sind für CRT und IMRT im Kopf- Hals- und Beckenbereich geplant.

Schlagwörter in Deutsch

Cone Beam Computed Tomography (CBCT) / Adaptive Strahlentherapie (ART) / Dosisberechnung / Qualitätsprüfung / HU-ED Korrelationskurven

Item Type: Hochschulschrift (Diplomarbeit)
Author: Hopfgartner, Johannes
Title: First steps of implementation of image guided adaptive radiation therapy
Umfangsangabe: 139 S. : Ill., graph. Darst.
Institution: University of Vienna
Faculty: Fakultät für Physik
Publication year: 2009
Language: eng ... Englisch
Supervisor: Georg, Dietmar
Assessor: Georg, Dietmar
Classification: 33 Physik > 33.05 Experimentalphysik
33 Physik > 33.00 Physik: Allgemeines
AC Number: AC08085922
Item ID: 5530
(Das PDF-Layout ist ident mit der Druckausgabe der Hochschulschrift.)

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