Commissioning and evaluation of a fallback-planning module for proton and photin radiotherapy

Abstract

Die technologischen Fortschritte der letzten Jahrzehnte im Bereich der Radiotherapie haben die Auswertung der höheren Präzision geladener Teilchen (Ionen) ermöglicht, die diese auf Grund des charakteristischen Bragg Peaks aufweisen. MedAustron, das erste Teilchenstrahl-anwendende Therapiezentrum in Österreich, wird in Wiener Neustadt, Niederösterreich bald in Patientenbetrieb gehen. Das Zentrum macht Gebrauch von einem Synchrotron um Protonen und Kohlenstoffionen zu beschleunigen, worauf die Teilchen dann extrahiert und in die Behandlungsräume geleitet werden. Es ist jedoch für Patienten mit schnell wachsenden Tumoren entscheidend, dass sie deren übliche Fraktionsdosis unverzögert aufnehmen, auch im Falle eines Synchrotronausfalls, weswegen einige Fraktionen, die mit Photonen behandelt wurden, einer Behandlungslücke vorgezogen werden. Das Bestrahlungsplanungssystem am MedAustron, RayStation (RaySearch Laboratories AB, Stockholm, Schweden), enthält ein sogenanntes Fallback Planning Modul, das die Erstellung von Fallback-Plänen erlaubt, welche die Dosisverteilung eines gegebenen Plans unterschiedlicher Behandlungsmodalität und/oder -methode nachahmen. Damit die Erstellung und Durchführung von Photonen-Fallback-Plänen mit dem Linearbeschleuniger vom Allgemeinen Krankenhaus der Stadt Wien (AKH Wien), dem Versa HD (Elekta AB, Stockholm, Schweden), überhaupt möglich ist, muss das Bestrahlungsplanungssystem die Beam Modelle der betreffenden Behandlungsmaschine beinhalten. Das Ziel dieser Masterarbeit bestand darin, das Bestrahlungsplanungssystem am MedAustron, RayStation, zu benutzen, um die Beam Modelle des Versa HD Linearbeschleunigers für die ¿abgeflachten"/ausgeglichenen und ¿unabgeflachten"/unausgeglichenen 6 MV und 10 MV Strahlen herzustellen, für alle klinisch-relevanten Feldgrößen, also insgesamt 16 Feldgrößen pro Beam Modell. Darüber hinaus wurden die bereits erstellten Beam Modelle extern verifiziert, mit Hilfe eines MATLAB-Codes, und indem die Anordnung der Messung der Basic Beam Daten virtuell rekonstruiert wurde, um einen Vergleich der gemessenen und berechneten/modellierten Dosen zu erlauben. Eine Behandlungsverifikation wurde auch durchgeführt, indem die fertigen Modelle zum Erstellen von klinischen Plänen benutzt wurden, die dann in Qualitätssicherungs-Pläne (quality assurance - QA plans) umgewandelt wurden. Die QA-Pläne wurden anschließend zur Bestrahlung eines Delta4-Phantoms eingestzt, dessen Software eine lokale Gamma-Index-Analyse ausführt, mit Pass/Fail-Kriterien von 3 mm Abstand-zur-Übereinstimmung (distance-to-agreement - DTA) und 3% lokale Dosisdifferenz (dose difference - DD). In einem letzten Verifikationsschritt wurde das 6 MV FF Beam Modell mit dem generischen Modell des Varian Linearbeschleunigers Clinac120 (Varian Medical Systems, Palo Alto, California, USA) verglichen. Dafür wurde dieselbe Methode angewandt, wie bei der Behandlungsverifikation. Die vier Beam Modelle, die im Züge dieser Masterarbeit entstanden sind, haben i.A. die unabhängige Gamma-Index-Analyse bestanden dadurch, dass mittlere Gamma<1-Werte größer als 90% für alle Beam Modelle und und Kurventypen aufgewiesen wurden, außer für die Inplane- (IN) Profile des 6 MV FF Beam Modells. Die mittleren Unterschiede zwischen den berechneten und gemessenen Punktdosen aus der Zentralachse lagen unter 1% für alle Beam Modelle. Es wurden mittlere Uniterschiede zwischen den berechneten und gemessenen Output-Faktoren von weniger als 0.35% beobachtet für alle Beam Modelle sowie individuelle lokale GPR-Werte i.A. größer als die 90%-Schwelle während der Behandlungsverifikation. Die mit den Kriterien von 3% lokaler Dosisdifferenz (dose difference - DD) und 3 mm Abstand-zur-Übereinstimmung (distance-to-agreement - DTA) erhaltenen mittleren GPRs waren größer als 90% für alle Beam Modelle und sogar größer als 95% für beide FFF Beam Modelle. Alle FB Pläne haben höhere lokale GPRs und waren dementsprechend exakter bei der Lieferung der geplanten Dosis, dies, jedoch, auf Kosten der Modulation und dadurch der Qualität des Bestrahlungsplanes. Das 6 MV FF Beam Modell sowohl vom Versa HD als auch vom Clinac120 zeigten eine gute Leistung für Indikationen niedriger Komplexität wie es das Prostatakarzinom geringen Risikos ist. Für eine Indikation höherer Komplexität (Prostatakarzinom hohen Risikos), jedoch, zeigte das generische Modell des Clinac120 eine niedrige mittlere GPR und eine große Variation unter den Ergebnissen. Zusammenfassend, es wurde gezeigt, dass alle vier Versa HD Beam Modelle für die klinische Praxis einsatzfähig sind, das Fallback Planning Modul sollte weiter optimisiert werden bevor es für die klinische Praxis in Notfallsituationen am MedAustron eingesetzt wird und das Gleiche wird auch für das generische Modell von Varians Clinac120 empfohlen.

In the last few decades, technological advancements in the field of radiation therapy have made it possible to exploit the higher precision of charged particles (ions), owed to their distinctive Bragg peak. A new facility making use of particle beams, MedAustron, the first of its kind in Austria will soon become operational in Wiener Neustadt, Lower Austria. It will rely on a synchrotron to accelerate protons and carbon ions and the particles will be subsequently extracted and directed towards the treatment rooms. However, in case of a synchrotron breakdown it is crucial for patients with fast-growing tumors to be able to receive their usual fraction dose without delay, which is why a few fractions of photon beam treatment are preferable to no treatment whatsoever. The treatment planning system at MedAustron, RayStation (RaySearch Laboratories AB, Stockholm, Sweden), incorporates a so-called Fallback Planning module enabling the creation of "fallback" (FB) plans which mimic the dose distribution of a given plan with a different modality and/or treatment technique. In order to be able to create and deliver photon fallback plans with the linear accelerator (linac) at the General Hospital in Vienna (AKH Wien), the Versa HD (Elekta AB, Stockholm, Sweden), the TPS must include the beam model(s) of the respective machine. This thesis was aimed at using MedAustron's TPS, RayStation, to create the beam models of the Versa HD linac for 6 MV and 10 MV flattened (FF) and unflattened (FFF) beams for all clinically relevant field sizes, adding up to 16 field sizes per beam model. Furthermore, once created, the beam models were independently verified using a MATLAB code and by digitally recreating the experimental setup for the measurement of basic beam data and comparing the computed and the measured doses. A treatment-delivery verification was also performed by using the finished models to create clinically acceptable plans which were then converted to quality assurance (QA) plans that were subsequently delivered to a Delta4 phantom, whose software performed a local gamma-index analysis with 3 mm distance-to-agreement (DTA) and 3% local dose difference (DD) pass/fail criteria. In a final verification step, the 6 MV FF beam model was compared to the generic model of Varian's Clinac120 linac (Varian Medical Systems, Palo Alto, California, USA) using the same method employed in the treatment-delivery verification. The four beam models created over the course of this master's thesis have generally passed the independent gamma-index analysis, showing mean gamma<1-values greater than 90% for all beam models and curve types except for the inplane (IN) profiles of the 6 MV FF beam model. Average differences between computed and measured central axis point doses were found to be under 1% for all beam models. Average differences between measured and computed output factors of less than 0.35% were observed for all beam models as were individual local GPR values higher than the 90% threshold, in general, during the treatment-delivery verification. The average GPR obtained with 3% local DD and 3 mm DTA criteria were above 90% for all models and even above 95% for both FFF beam models. All FB plans showed higher local GPRs and were therefore more accurate when delivering the planned dose, however, at the expense of the modulation and therefore the quality of the treatment plan itself. The 6 MV FF beam model of both the Versa HD and the Clinac120 performed well for a low complexity indication such as low risk prostate carcinoma. For an indication of higher complexity (high risk prostate carcinoma), however, the generic model of the Clinac120 exhibited a low mean GPR and a high variation among the results. To conclude, all four Versa HD beam models have thus been proven to be fit for clinical practice, the Fallback Planning Module should be further optimized before being implemented in clinical practice in contingency situations at MedAustron and the same is recommended for the generic model of Varian's Clinac120.