Characterizing the Quality and Complexity of Prostate Radiotherapy Treatment Plans Towards Automated planning

Abstract

With the increased use of advanced radiotherapy treatment delivery techniques, including intensity modulated radiation therapy and volumetric modulated arc therapy (VMAT), more conformal dose distributions have been achieved with a high degree of sparing of organs at risk. However, dose planning is labor and time intensive, and highly dependent on the planner skills and experience. The implementation of automated planning solutions can certainly contribute to reduce these drawbacks. An important step in setting up such tools is the characterization of the quality and the complexity of local treatment plans.The aim of this project was establishing a database for the configuration of RapidPlan, the Eclipse TPS knowledge-based auto-planning solution. Plans from prostate patients treated with VMAT in a Halcyon linac were retrospectively selected from the installation in June 2021 till April 2024. To assess plan quality, SPIDERplan, a tool developed at IPO Coimbra, was configured according to the clinical preferences of the radiation oncologists. Its graphical presentation was improved and statistical analysis was included. Plan complexity was evaluated through the calculation of multiple metrics proposed in the literature. Both plan quality and complexity analyses were integrated into an electronic platform called qualComp. This platform allows the automatic calculation of the quality and complexity of each new plan, as well as the graphical comparison with the existing database. In a comprehensive and dynamic way, qualComp namely allows identifying plans with overmodulation, not necessarily with a quality improvement. The retrospective study showed a steady decrease in complexity which then stabilized, after the Eclipse reaching the learning curve plateau and the introduction of planning guidelines aiming to clinical practice standardization. It was also observed that the quality of the plans was not affected by the decrease in complexity. Overall, the characterization of plan quality and complexity in an automated manner enables planning standardization, and paves the way towards a reliable configuration, validation andtesting of automated planning solutions.

Com o aumento de técnicas avançadas de radioterapia, nomeadamente a radioterapia de intensidade modulada e a arcoterapia volumétrica modulada (VMAT), têm vindo a ser obtidos planos de tratamento mais conformais e com maior poupança dos órgãos de risco. Todavia, o planeamento dosimétrico é um processo complexo, laborioso e demorado e depende da destreza e experiência do planeador. Estas desvantagens podem ser superadas com a implementação de plataformas de planeamento automático. Um passo importante na configuração dessas ferramentas é a caracterização da qualidade e complexidade dos planos de tratamento produzidos localmente. Este projeto teve como principal objetivo estabelecer uma base de dados para a configuração de uma plataforma de planeamento automático, RapidPlan, disponível no sistema de planeamento Eclipse. Desta forma, foram restrospectivamente selecionados planos VMAT de doentes com cancro da próstata, tratados num acelerador linear Halcyon, desde a sua instalação, em junho de 2021, até abril de 2024. Para avaliar a qualidade dos planos, a ferramenta SPIDERplan, desenvolvida no IPO Coimbra, foi configurada de acordo com as preferências clínicas dos radioncologistas. A sua apresentação gráfica foi igualmente melhorada e um novo módulo de análise estatística implementado. Quanto à complexidade dos planos foram calculadas várias métricas propostas na literatura. Os módulos de análise da qualidade e de complexidade dos planos foram integrados numa plataforma eletrónica denominada qualComp. Esta plataforma permite o cálculo automático da qualidade e da complexidade de cada novo plano, bem como a sua comparação gráfica com os planos existentes. De maneira abrangente e dinâmica, a qualComp permite, por exemplo, identificar planos com excesso de modulação, sem que isso corresponda necessariamente a uma melhoria de qualidade. No período considerado, o estudo retrospetivo mostrou uma redução constante na complexidade, que estabilizou após o plateau da curva de aprendizagem de planeamento, no Eclipse, ter sido atingido e terem sido introduzidas normas de planeamento, tendentes à uniformização das práticas. Verificou-se, ainda, que a qualidade dos planos não foi afetada pela redução da complexidade dos mesmos. De um modo geral, a caracterização automática da qualidade e da complexidade dos planos permite a padronização de soluções de otimização do planeamento dosimétrico e abre caminho para a configuração e validação de soluções de planeamento automático.