Robust Automatic Planning For Stereotactic Body Radiation Therapy

Abstract

Purpose: In radiotherapy, treatment plans must be optimised to ensure the best coverage of target volumes while sparing organs at risk from unnecessary radiation that could damage them. Since photon radiotherapy treatments are typically fractionated into multiple sessions, to ensure that all uncertainties are adequately considered throughout the treatment period is essential. Specifically, in the case of stereotactic body radiotherapy (SBRT), the treatment consists of a small number of fractions, with each fraction delivering a higher radiation dose than other techniques such as intensity-modulated radiotherapy (IMRT). This work aims to study the influence of uncertainties in the delivery of radiotherapy treatments, taking into consideration the impact of the number of fractions and irradiation directions used. It also aims at testing a new treatment planning approach, in which different treatment plans are applied in each daily fraction of the treatment, to see if this diversification strategy is able to mitigate, to a certain extent, the impacts of uncertainty. Methods: In a first phase, the impact of the number of fractions and the choice of angular configuration on dosimetric results was studied being uncertainty explicitly taken into account when evaluating these plans. In a second phase, six different treatment plans were compared in five cases of prostate cancer, evaluated in such a way that uncertainty is also explicitly considered. All the approaches tested consider treatment plans calculated automatically and without manual intervention by the planner. Monte Carlo simulation was used to compare these approaches. Results: From the computational experiments carried out, it was possible to observe that the smaller the number of fractions used, the greater the expected impact of uncertainties. It can therefore be considered that the use of a greater number of fractions naturally contributes to an increase in the robustness of the treatment plans. It was also possible to verify that the number of irradiation directions influences the impact that uncertainties can have, with a greater number of directions corresponding to an increase in the robustness of the plans and coverage of the target volumes.Conclusions: When the five prostate cases were studied, and six different treatment plans were compared, the main conclusion to be drawn is that even treatment plans that fulfil all the medical prescription constraints can correspond to treatment plans that end up not fulfilling these restrictions when they are evaluated with the impact of uncertainty being taken into account explicitly. Thus, the use of margins (Planning Target Volume) does not appear to be sufficient as a mitigation measure against uncertainties. The angular configuration plays a fundamental role in the robustness of treatment plans and the diversification of the treatment plan by treatment fraction could help mitigating the impact of uncertainties.

Objetivo: A otimização dos planos de tratamento de radioterapia tem, como principal objetivo, garantir o cumprimento da prescrição médica, irradiando de forma adequada os volumes a tratar e poupando, o mais possível, os órgãos em risco. Os tratamentos de radioterapia são, habitualmente, fracionados em várias sessões e estão sujeitos à influência de incertezas de diferentes origens. No caso específico da radioterapia estereotáxica corporal (SBRT), o tratamento é composto por um número bastante reduzido de frações e, em cada uma dessas frações, é administrada maior dosagem de radiação do que é habitual em outros tratamentos com maior número de frações como a radioterapia de intensidade modulada (IMRT). Neste trabalho pretendeu-se analisar o impacto que a incerteza pode ter no tratamento que é administrado, nomeadamente tendo em conta o número de frações e as direções de irradiação que estão a ser consideradas. Foi também testada uma nova abordagem de tratamento, que se baseia na utilização de diferentes planos de tratamento em cada fração de tratamento, para verificar se esta diversificação poderia ser uma medida interessante de mitigação dos impactos das incertezas. Métodos: Numa primeira fase foi estudado o impacto do número de frações e da escolha da configuração angular nos resultados dosimétricos quando se tem em conta, de forma explícita, a incerteza na avaliação destes planos. Numa segunda fase, foram comparados seis planos de tratamento diferentes em cinco casos de cancro de próstata, avaliados por forma a que a incerteza seja, também, explicitamente considerada. Todas as abordagens testadas consideram planos de tratamento calculados de forma automática e sem intervenção manual do planeador. Para comparação destas abordagens foi utilizada simulação de Monte Carlo. Resultados: Das experiências computacionais levadas a cabo, foi possível observar que quanto menor o número de frações utilizadas, maior o impacto esperado das incertezas. Assim, pode considerar-se que a utilização de um número maior de frações contribui, de forma natural, para um aumento de robustez dos planos de tratamento. Também foi possível verificar que o número de direções de irradiação influencia o impacto que as incertezas podem ter, sendo que um maior número de direções corresponde a um aumento da robustez dos planos e cobertura dos volumes alvo. Conclusão: Quando se estudaram os cinco casos de próstata, e se compararam seis planos de tratamento diferentes, a principal conclusão a retirar é a de que mesmo planos de tratamento que cumprem todas as restrições da prescrição médica podem corresponder a planos de tratamento que acabam por não cumprir com estas restrições quando são avaliados considerando de forma explícita o impacto da incerteza. Assim, a utilização de margens no volume tumoral parece não ser suficiente. A configuração angular tem um papel fundamental na robustez dos planos de tratamento e a diversificação do plano de tratamento por fração de tratamento poderá contribuir para a mitigação do impacto das incertezas.