Adaptive radiotherapy of cervix cancer : dosimetric implications of organ variations

• Main Author: Daniel, Michaela
• Other Authors: Georg, Dietmar, TU Wien, Österreich
• Format: Thesis
• Language: English
• Published: 2020
• Subjects: Radioonkologie; Dosisberechnung; Organbewegung; Adaptive Radiotherapie; radiation oncology; dose calculation; organ motion; adaptive radiotherapy; Nodalen; Voll; Vollen; Orca
• Online Access: https://doi.org/10.34726/hss.2015.27042; https://hdl.handle.net/20.500.12708/2127

Abweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des Verfassers Zsfassung in dt. Sprache Zweck & Ziele: Bekanntermaßen treten während einer radiotherapeutischen Behandlung Orangbewegung, Tumorregression und Veränderung des Füllungsstandes von Organen auf, deren zeitlicher Verlauf im Weiteren den Behandlungserfolg beeinträchtigen können. Aus diesem Grund zielt die adaptive Radiotherapie ("adaptive radiotherapy" - ART) auf die Adaptierung der Behandlung auf die aktuelle, jeweilige anatomische Situation ab. Diese Masterarbeit behandelt ART für Zervixkarzinome. Für diesen Teilbereich der Onkologie wird im Speziellen postuliert, dass adaptive Bestrahlungsplanung sich positiv auf die Tumorabdeckung auswirkt und eine geringere Risikoorganbelastung zur Folge hat. Dies kann durch eine Anpassung des Bestrahlungsplans an die momentane Organkonstellation der Patientin unmittelbar vor der Bestrahlungsfraktion erreicht werden. Zur Zeit ist keine kommerzielle Komplettlösung zur Durchführung einer solchen Bestrahlungsadaptierung erhältlich. Außerdem sind bisher nur wenig klinische Daten zur ART von Zervixkarzinomen gesammelt worden. Der klinische Workflow der adaptiven Behandlung von Zervixkarzinomen am AKH Wien / Medizinischen Universität Wien basiert auf einem vorab entwickelten Bewegungsmodell. Das Hauptziel dieser Arbeit besteht darin, diesen Workflow mitzubegründen und im Weiteren durch die Entwicklung eines autarken Matlab Kontur-Interpolations-Programmes zu verbessern. Abschließend werden die erreichbaren Qualitäten der Bestrahlungsspläne von ART für Zervixkarzinome anhand einer dosimetrischen Auswertung von Bestrahlungsplänen ermittelt. Material &a Methoden: Patientengruppe: Die konturierten Bilddatensätze von drei Zervixkarzinom-Patientinnen wurden in der Planungsstudie untersucht. Jeder Bilddatensatz inkludiert das Planungs-CT, wöchentliche CTs und 3-5 Kegelstrahl-CTs ( "cone beam CT" - CBCT) pro Woche. Alle Patientinnen wurden mittels dreidimensionaler konformaler Strahlentherapie ("three dimensional conformal radio therapy" - 3D-CRT) mit einer totalen Dosisverschreibung von 45Gy behandelt, die in 25 Fraktionen von je 1,8Gy verabreicht wurde und einer begleitenden Chemotherapie von wöchentlich 40mg/m2 Cisplatin. Die Patientinnen wurden entweder als "Mover" oder als "Non-Mover" anhand der Messung der Bewegung des Uterus-Fundus klassifiziert. Mit einer Klassifikationsgrenze von 2cm waren zwei Patientinnen "Non-Mover", während eine "Mover" war. Insgesamt sind 69 Bilddatensätze und ihre zugehörigen Strukturkonturen der Organkonstellation in dieser Planungsstudie analysiert worden. OAR- and CTV-Definition: Das klinische Zielvolumen ("clinical target volume" - CTV) wurde in ein primäres (CTVP) und ein nodales (CTVN) geteilt. CTVP inkludiert den Primärtumor, Uterus, Parametrium und das obere Drittel der Vagina und wird mit einem Set-Up Sicherheitssaum von 1cm ausgestattet. Das CTVN setzt sich aus obturatorialen, iliakalen Lymphknoten, Leisten- und den paraaortischen Lymphknoten zusammen und erhält einen Sicherheitsrand von 0.5cm. Blase, Rektum, Sigmoid und Darm wurden als Risikoorgane ("organs at risk" - OARs) berücksichtigt. Bewegungsmodell / "Plan of the Day" -Ansatz: Unsere Methode hängt von interpolierten, intermediären Strukturen zwischen den CT-Aufnahmen der vollen und leeren Blase ab, welche mit Hilfe von OrCA* erstellt wurden. Basierend auf einem Bewegungsmodell erhielten wir durch eine Überlagerung dieses intermediären CTVPs mit dem jeweiligen Extrem- CTVP (Blase voll bzw. leer) "full" und "empty stage CTVP". Das Hinzufügen eines Sicherheitsrandes von 1cm führte zu den benötigten zugehörigen PTVPs. Dieser "2-stages" - oder "plan of the day" -Ansatz (PotD) gibt in der Klinik die Möglichkeit vor jeder Strahlungsfraktion individuell zu entscheiden welcher Bestrahlungsplan abgestrahlt werden soll. Bewegungsrobuster Plan: Für die Patientinnen, die als "Non-Mover" kategorisiert wurden, ist ein bewegungsrobuster Plan erstellt worden, der einem ähnlichen Ansatz folgt. Die beiden CTVPs von vollem und leerem Blasenvolumen-CT-Scan wurden fusioniert und mit einem Sicherheitsrand von 1cm versehen, um das bewegungsrobuste PTV zu erhalten. Beide Planungsstrategien basierten auf zwei vollen 360° VMAT-Bögen in der transversalen Ebene, wobei das Isozentrum dem Zentrum des Tumors entsprach. Auswertung durch das Planungssystem: Die gesamte Auswertung der Planungsstrategien war möglich durch Bildregistriertung der Skelettanatomie aller verfügbaren Scans auf das Planungs-CT und Importierung von allen zugehörigen Konturdatensätzen in diesen einen Scan. Die Platzierung aller verfügbaren Konturdatensätze in den Planungs-CT-Scan macht es möglich alle DVH-Werte aller Strukturkonturen mit nur einer einzigen Behandlungsplanberechnung auszuwerten. Resultate: Die analysierten OAR DVH-Daten zeigten nur kleine Unterschiede zwischen non-ART und bewegungsrobustem Plan, abgesehen von dem Anstieg der mittleren Dosis der Blase von ungefähr 6Gy bei einer Patientin. Die andere Patientin schien von dem bewegungsrobusten Plan zu profitieren, da sich ihre Zervix-Uterus-Zielabdeckung verbesserte. Die Analyse der Dosisverteilung und DVHs zeigte vor allem für den PotD-Ansatz gute Resultate im Sinne von einer deutlichen Verbesserung der CTVP-Abdeckung von 74 ± 18% auf 98 ± 3%. Die OAR DVH-Werte zeigten einen Anstieg der mittleren Blasendosis von 30±4Gy auf 41±2Gy. Eine zusätzliche Analyse untersuchte die Fragestellung einer CTV-PTV-Rand-Verringerung. Für die nodalen CTVs wurde festgestellt, dass der Rand von 0.5cm nicht reduziert werden sollte, da eine Verringerung auf 0.2cm zu einem Abfall der nodalen Zielabdeckung von ungefähr 5% für alle drei Patientinnen führte. Eine Reduktion des primären CTV Randes von 1cm zu 0.5cm schien eine ungefähr 2 ± 3Gy niedrigere mittlere Blasendosis für alle drei Patientinnen zur Folge zu haben. Andererseits zeigten die Daten für die Mover-Patientin und den PotD-Ansatz, dass dadurch die Zervix-Uterus-Zielabdeckung um 3% verschlechtert wird. Alle weiteren OAR DVH-Werte zeigten keine signifikanten Abweichungen durch diese Veränderung des Sicherheitsrandes. Fazit: Abschließend können wir festhalten, dass alle notwendigen Bausteine für einen funktionierenden radiotherapeutischen Behandlungs-Workflow für Zervixcarzinome für den klinischen Gebrauch bereit sind. Generell können wir aus den Ergebnissen unserer Planungsstudie schließen, dass die Blase mit dem adaptiven Ansatz einer höheren mittleren Dosis ausgesetzt werden wird, aber die Patientinnen durch die verbesserte Zielabdeckung profitieren werden. Auf jeden Fall muss das zuvor definierte Bewegungsmodell während des gesamten Behandlungsverlaufs regelmäßig verifiziert und kontrolliert werden und zukünftig müssen weitere Studien mit einer höheren Anzahl an Patientinnen durchgeführt werden. *"Organ Contour Adaptor" ist ein Matlab Programm, welches im Rahmen dieser Arbeit entwickelt worden ist und intermediäre CTVP- und Blasenkonturen generiert. Purpose & Objectives: It is well known that motion, tumor regression and filling variations of organs occur during radiotherapy and can thus affect treatment outcome. Therefore adaptive radiotherapy (ART) aims for adaptation of the treatment to the respective anatomic situation. This thesis tackles ART for cervix cancer, where it is postulated that this kind of advanced radiotherapy would be beneficial for the patients in terms of better coverage of the tumor and improved sparing of organs at risk. This can be achieved by adapting the treatment plan to the current organ constellation of the patient immediately before the fraction is delivered. Currently no commercial turnkey solutions are available to perform such a treatment-planadaption. Furthermore only few clinical data have been gathered so far regarding the effects of ART for cervix cancer patients. The clinical workflow of adaptive treatment of cervical cancer at the Vienna General Hospital / Medical University of Vienna will be based on a pre-treatment established motion model. The main aim of this thesis is to establish and improve this workflow by means of the development of a stand-alone Matlab contour-interpolation tool. Finally, the achievable treatment plan quality of ART for cervix cancer was assessed by dosimetric evaluation of resulting treatment plans. Materials & Methods: Patient Cohort: The delineated imaging data sets of 3 cervix cancer patients were acquired. Each data set included the planning-CT, weekly CTs and 3-5 CBCTs per week. All patients were treated with 3D-CRT with a total dose prescription of 45Gy that was delivered in 25 fractions of 1.8Gy each and a concomitant chemotherapy of 40mg/m2 cisplatinum weekly. The patients were classified to be either mover or non-mover by measuring the top-of-uterus motion (ToUM). With a classification threshold of 2cm two patients were non-movers and one was a mover. In total 69 image data sets and their according structure contours of the organ constellation were analyzed in this planning study. OAR- and CTV-Definition: The CTV was split into a primary CTV (CTVP) and a nodal CTV (CTVN). The CTVP includes the primary tumor, uterus, parametria and proximal third of the vagina and is enclosed by a safety-margin of 1cm. The CTVN is composed of obturatorial, iliac lymph nodes, groins and para-aortic lymph nodes and contained within a setup-marginof 0.5cm. Bladder, rectum, sigmoid and bowel were considered as OARs. Motion Model / "Plan of the Day"-Approach: Our method depended on an interpolated intermediate structure from the data of full and empty bladder scan, which had to be generated by use of OrCA*. By overlaying full with intermediate or intermediate with empty bladder volume CTV we obtained full and empty stage CTV. Adding a safety margin of 1cm resulted in the needed corresponding PTVs. This 2-stages- or "plan of the day"-approach (PotD) gives in the clinic the possibility to decide which plan to deliver for each fraction individually. Motion Robust Plan: For the patients categorized as non-movers a motion robust treatment plan was generated following a similar attempt. The two CTVs of the full and empty bladder scans were fused and a safety margin of 1cm was added to obtain the motion robust PTV. Both planning strategies were based on two full 360° VMAT-arcs in the transversal plane where the isocenter equals the center of the tumor. Evaluation through TPS: The overall evaluation of the planning strategies was possible by image registration of the bony anatomyof all available scans to the planning-CT and import of all according contour data sets to this one scan. Placing all available contour data in the planning-CT scan gives the possibility to evaluate all DVH-values of all structure contours by calculating just one treatment plan. Results: The analyzed OAR DVH-data showed only minor differences between non-ART and motion robust plans, except for the increase of the Dmean of the bladder by about 6Gy for one patient. The other patient seemed to benefit from the motion robust plan in terms of an increased cervix-uterus target coverage. The analysis of dose distributions and DVHs showed especially for the PotD-approach good results by means of a substantial increase of cervixuterus target coverage from 74 ± 18% to 98 ± 3%. The OAR DVH-values showed an increase of Dmean of the bladder from 30 ± 4Gy to 41 ± 2Gy. An additional analysis focused on the question of the CTV-PTV-margins. For the nodal CTV we found that the setup margin of 0.5cm should not be decreased, since reducing it to 0.2cm led to approximately 5% less nodal target coverage for all 3 patients. Reducing the primary CTV margin from 1cm to 0.5cm seemed to lead to approximately 2 ± 3Gy lower Dmean of the bladder for all patients. On the other hand for the mover-patient and her PotD-approach we found that the cervix-uterus target coverage went down about 3% through this margin reduction. All other OAR DVH-values did not seem to be significantly influenced by this margin-modification. Conclusion: In conclusion we can state that all the necessary building blocks for a functioning radiotherapeutic treatment workflow for cervix carcinomas are now ready for clinical use. Conceived in general terms, according to the findings of our planning study the mean dose of the bladder will increase with the adaptive approach, but patients will benefit due to improved target coverage. Anyhow the pre-determined motion models have to be verified and monitored on a regular basis during the treatment course and more patients need to be included in future studies. *OrCA is a Matlab program that was developed in the scope of this thesis and generates intermediate contours of the CTV as well as bladder. 97