Intensity modulated radiotherapy using flattening filter free photon beams

Abstract

Ziel: In den letzten zwei Jahrzehnte wurden immer ausgefeiltere Techniken für Präzisionsradiotherapieverfahren entwickelt. Eine vergleichsweise neue Methode ist es den Ausgleichsfilter aus dem Strahlengang medizinischer Linearbeschleuniger zu entfernen. Vorteile dieser ausgleichsfilterfreien Photonenstrahlung sind eine erhöhte Dosisrate und reduzierte Streu- und Leckstrahlung. Ziel dieser Studie ist es die Qualität von Bestrahlungspläne von intensity modulated radiotherapy (IMRT) und volumetric modulated arc therapy (VMAT) mit und ohne Ausgleichsfilter für die Behandlung lokalisierter Prostata Karzinome zu untersuchen. Die Abschätzung der Bestrahlungsplanqualität basierte auf der Beziehung zwischen Abdeckung des Zielgebietes und der Aussparung des Rektums. Des weiteren wurde die Unterschiede in Exposition des Normalgewebes mit niedriger Dosis beobachtet. Zusätzlich wurde die Bestrahlungsplaneffizienz aller Modalitäten, im speziellen der Unterschied zwischen den Modalitäten mit und ohne Ausgleichsfilter, ermittelt. Abschließend wurden repräsentative Bestrahlungspläne aller Modalitäten durch dosimetrische Messungen verifiziert. Material und Methoden: Drei Patienten mit lokalisiertem Prostata Karzinom, behandelt an der Medizinischen Universität Wien, wurden in diese Studie aufgenommen. Das Planungssystem Monaco (v.2.04, Elekta / CMS, USA) wurde zur Berechnung der Bestrahlungspläne verwendet. Die vier verschiedenen Modalitäten waren 9-Feld-IMRT mit ca. 50 Segmenten und 360°- VMAT mit ca. 100 Kontrollpunkten in einer Rotation, jeweils mit und ohne Ausgleichsfilter. Das Konzept Pareto optimaler Fronten (POFs) wurde zum Vergleich dieser vier Modalitäten herangezogen. Dabei wurde eine gewisse Anzahl verschiedener Pläne für alle Modalitäten nach folgendem Arbeitsablauf erstellt. Ausgehend von einem so genannten initial Plan, der gewisser Voraussetzungen erfüllte, wurde die Beschränkung der Dosis des Rektums schrittweise reduziert und somit ein neuer Plan mit veränderter Planqualität erzeugt. Die Pareto optimalen Pläne wurden ermittelt und die daraus entstehenden POFs aller Modalitäten miteinander verglichen. Das Volumen des Zielgebiets das weniger als 95% der verschriebenen Dosis erhielt (V95%) wurde verwendet um dessen Abdeckung zu beschreiben. Zur Charakterisierung der Aussparung des Rektums wurden das Volumen das 50Gy und mehr erhielt (V50Gy) bzw. das Volumen das 70Gy und mehr erhielt (V70Gy) verwendet. Das Volumen des Normalgewebes das 1Gy und mehr erhielt (V1Gy) sowie das Volumen das 5Gy und mehr erhielt (V5Gy) erhält wurden zur Beschreibung der Exposition des Normalgewebes mit niedrigen Dosen verwendet. Zur Ermittlung der Bestrahlungsplaneffizienz wurden die Bestrahlungszeiten der initial Pläne aller Modalitäten und Patienten gemessen. Basierend auf diesen Messungen und den korrespondierenden Monitor Einheiten (MUs) wurde die Effizienz aller Pläne geschätzt. Resultate: Bei zwei von drei Patient im Fall von IMRT und bei allen drei Patienten im Fall von VMAT wiesen die POFs der FFF- Modalitäten einen ähnliche oder sogar vorteilhafteren Verlauf im Vergleich zu den FF- Modalitäten auf. Die POFs von IMRT und VMAT zweier Patienten unterschieden sich im Bezug auf Abdeckung des Zielgebiets um ca. 2% bei vergleichbarer Rektum Aussparung. Die POFs aller Modalitäten des verbleibenden Patienten waren sehr ähnlich. Eine Reduzierung von bis zu 299cm3 von V5Gy des Normalgewebes wurde bei der Verwendung von IMRT FFF gegenüber IMRT FF festgestellt. Eine leichte Verringerung dieses Volumens bei der Verwendung von VMAT im Vergleich zu IMRT wurde ebenso beobachtet. Bei der Verwendung von IMRT FFF an Stelle von IMRT FF reduzierte sich V1Gy um bis zu 10%. Ebenso stellte sich eine Reduzierung dieses Volumens von ca. 6% bei der Verwendung von VMAT gegenüber IMRT ein. Noch weiter verringern lies sich V1Gy durch die Verwendung von VMAT FFF. Trotz der um 10% höheren Anzahl an MUs von IMRT FFF im Vergleich zu IMRT FF reduzierte sich die Bestrahlungszeit um ca. 23% für IMRT FFF. Obwohl sich durch Verwendung von VMAT an der Stelle von IMRT die Bestrahlungszeit um ca. 60% reduzierte, kam es zu einer Erhöhung der Bestrahlungszeit von ca. 20% bei der Verwendung von VMAT FFF gegenüber VMAT FF. Schlussfolgerung: Die Evaluierung der Bestrahlungsplanqualität zeigte, dass zwischen Modalitäten mit und ohne Ausgleichsfilter kaum ein Unterschied bezüglich Abdeckung des Zielgebiets und Aussparung des Rektums für reguläre lokalisierte Prostata Karzinome besteht. Die Exposition des Normalgewebes mit niedrigen Dosen lässt sich durch die Verwendung ausgleichsfilterfreier Modalitäten reduzieren. Darüber hinaus lässt sich die Bestrahlungsplaneffizienz von IMRT durch das entfernen des Ausgleichsfilters erhöhen. Aufgrund der Beschränkung der Dosisrate von VMAT durch die maximale Leaf- Geschwindigkeit kommt es zu keiner Erhöhung der Bestrahlungsplaneffizienz durch die Verwendung ausgleichsfilterfreier Strahlung.<br />

Purpose: For the last two decades numerous sophisticated precision radiotherapy techniques have been developed. A comparatively new way of dose delivery is to remove the flattening filter from the beam line. Advantages of flattening filter free photon beams are the increased dose rate and the reduced scatter- and leakage radiation. The aim of this study was to investigate the treatment plan quality of intensity modulated radiotherapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT) of localised prostate cancer. The high energy photons were delivered either with flattening filter (FF) and without flattening filter (FFF). Treatment plan assessment was based on the relationship between target coverage and rectum sparing. Furthermore, the differences concerning the exposure of normal tissue to low doses when using the different modalities were also observed in this study. Additionally, the investigation of the treatment plan efficiency of all modalities, especially the difference between the delivery with and without flattening filter, was explored. Finally, the representative treatment plans of all modalities were verified by dosimetric measurements. Materials and Methods: Three patients with localised prostate cancer, treated at the Medical University of Vienna, were included in this study. The treatment planning system Monaco (v.2.04, Elekta/CMS, USA) was employed to calculate the treatment plans of the four modalities, namely 9- field IMRT with about 50 segments and 360◦ - single arc VMAT with about 100 control points each with and without flattening filter. The concept of Pareto optimal fronts (POFs) was utilized to perform the comparison of the treatment plan quality of the four modalities. Various plans were created for all modalities by the following work flow. Starting form an initial plan, which fulfilled certain requirements, the constraint of the rectum cost function was reduced stepwise creating a new plan with different plan quality. The so called Pareto optimal plans of these sets were determined and the resulting POFs were used to compare the modalities. The volume which received less than 95% of the prescribed dose (V<95% ) was used to describe the target coverage. To characterise the rectum sparing the volume which received 50 Gy or more (V50Gy ) and the volume which received 70 Gy or more (V70Gy ) were used. The volume of normal tissue which received 1 Gy or more (V1Gy ) and 5 Gy or more (V5Gy ) were evaluated to describe the exposure of normal tissue to low doses. The delivery times of the initial plans of all modalities were measured. Based on these time measurements and the corresponding number of monitor units (MUs), the time efficiency of all four modalities was assessed. Additionally, these inital plans were verified by dosimetric measurements with the Delta4 phantom (ScandiDos AB, Uppsala, Sweden). A treatment plan passed the verification if 90% of the evaluated gamma- index achieved a distance to agreement of less than 3 mm and a dose deviation of less than 3%. Results: The POFs regarding V50Gy and V70Gy of the rectum of the FFF- modalities were similar or even superior to the FF- modalities in case of IMRT for two of three patients and in case of VMAT for all three patients. For two of three patients the POFs of IMRT and VMAT deferred by about 2% of target coverage at common level of rectum sparing. The POFs of the remaining patient were very similar for all four modalities. A decrease of V5Gy of normal tissue of up to 299 cm3 was observed when using IMRT FFF compared to IMRT FF. A slight reduction of this value was also found when using VMAT instead of IMRT. With regard to V1Gy of normal tissue, a reduction of up to 10% for IMRT FFF compared to IMRT FF and a reduction of 6% for VMAT FF compared to IMRT FF was determined. This value decreased even further when using VMAT FFF instead of VMAT FF. Despite the increase in MUs of about 10% when using IMRT FFF instead of IMRT FF, the time efficiency increased by about 23%. Although the time efficiency increased by about 60% when using VMAT instead of IMRT, it decreased by 20% when using VMAT FFF compared to VMAT FF. All investigated treatment plans passed the acceptance criterion for dosimetric verification. Conclusion: The evaluation of the treatment plan quality showed that there was virtually no difference regarding target coverage between the flattened and flattening filter free options of IMRT and VMAT for regular prostate cases. The exposure of normal tissue to low dose can be reduced by the use of FFF- modalities. Furthermore, the time efficiency of IMRT plans was increased by the use of FFF- beams. Due to the restricted dose rate of VMAT plans by the maximum leaf velocity, no increase of plan efficiency was observed when using FFF- beams for rotational IMRT.<br />