Feasibility and uncertainties of 4D dose simulation for post-treatment quality assurance in radiotherapy of moving targets

Abstract

Quality assurance in 4D radiotherapy is an essential process to verify that the dose delivered to a patient is sufficient to achieve pre-treatment defined goals, which are typically the total tumor eradication and optimal sparing of healthy tissue and organs. However, there are currently no appropriate tools available to account for the dynamical nature of free patient breathing in combination with complex dose delivery techniques. The focus of the present thesis lies therefore within a specific clinical context application: the development of a framework for retrospective quality assurance in 4D radiotherapy of lung and liver metastases treated by volumetric modulated arc therapy (VMAT).Achieving this requires following key steps to be taken: (1) Development of a patient-specific image- and model-based 4D (3D + time) dose accumulation framework for the highly dynamic VMAT dose delivery technique. (2) Application of respective framework to real patient data in order to investigate the correlation of during-treatment motion, its interplay with VMAT dose delivery dynamics and observed local recurrence of lung/liver metastases after treatment. (3) Investigation of simulation robustness, accuracy and potential uncertainty sources and implementation of uncertainty propagation. The basis of step (1) is combining the modeling of the dynamic VMAT dose delivery, which employs the variation of gantry speed, dose rate and collimator leaf positions, and the patient-specific internal structure motion. However, internal structure motion information is routinely not acquired during dose delivery. Thus, a dedicated modeling approach has to be utilized to estimate the internal patient motion, enabling the simulation of motion-affected dose distributions. For step (2), the patient-specific 4D-simulated dose distributions are computed and compared to pre-treatment planned (reference-)dose distributions. The estimated deviations (underdosages) are analyzed and correlated to information about the clinical outcome. A potential linkage is found, which to some extent demonstrate the dose simulation to be reliable. Despite this result, dose simulation uncertainties and impacting parameters as well as the general accuracy are extensively investigated in step (3). Limitations encountered during phantom-based verification measurements motivated to further improve the 4D dose simulation framework by introducing an uncertainty propagation scheme and re-implementing the actual dose calculation utilizing gold standard Monte Carlo dose simulations. It is concluded that the consideration of individual patient motion variability during dose delivery in combination with VMAT dose accumulation for quality assurance in 4D radiotherapy is feasible.

Die Qualitätssicherung (QS) in der 4D-Strahlentherapie stellt sicher, dass vor der Patientenbehandlung definierte Ziele, d.h. typischerweise die irreparable Tumorschädigung und die optimale Schonung von gesundem Gewebe und Organen, erreichbar sind. Eine Berücksichtigung der freien Patientenatmungsdynamik während einer Behandlung mit komplexer Bestrahlungstechnik im Sinne einer QS ist jedoch mit zurzeit verfügbaren Methoden nicht möglich. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt daher auf einer spezifischen klinischen Anwendung: die Entwicklung eines Frameworks für die retrospektive QS in der 4D-Strahlentherapie von Lungen- und Lebermetastasen, behandelt durch volumetrisch modulierte Bogenbestrahlung (VMAT). Folgende Arbeitsschritte sind nötig: (1) Entwicklung eines patientenspezifischen bild- und modellbasierten 4D (3D + Zeit)-Dosisakkumulationsframeworks für die dynamische VMAT-Bestrahlungstechnik. (2) Anwendung des entsprechenden Frameworks auf reale Patientendaten sowie die Untersuchung der Korrelation zwischen Bewegung während der Behandlung, ihr Zusammenspiel mit der VMAT-Bestrahlungsdynamik und das lokale Wiederauftreten von Lungen-/Lebermetastasen nach der Behandlung. (3) Analyse von Simulationsrobustheit, -genauigkeit und potenziellen Unsicherheitsquellen sowie Implementierung einer Unsicherheitsfortpflanzung. Die Grundlage von Schritt (1) ist die Kombination aus der Modellierung der dynamischen VMAT-Technik (variierende Gantry-Geschwindigkeit, Dosisleistung und Kollimatorlamellenposition) und Informationen über die patientenspezifische interne Bewegung. Allerdings wird diese während der Dosisapplikation routinemäßig nicht erfasst. Ein spezieller Modellierungsansatz ist daher für die interne Schätzung der Bewegung nötig, um eine Simulation von bewegungsbeeinflussten Dosisverteilungen zu ermöglichen. Für Schritt (2) werden die patientenspezifischen 4D-simulierten Dosisverteilungen mit den vor der Behandlung geplanten (Referenz-)Dosisverteilungen verglichen. Die resultierenden Abweichungen werden analysiert und mit Informationen über den klinischen Ausgang korreliert. Die festgestellte Korrelation demonstriert zumindest zum Teil die Zuverlässigkeit der Dosissimulation. Trotz dieses Ergebnisses werden in Schritt (3) die Unsicherheiten der Dosissimulation und mögliche Einflussgrößen sowie die allgemeine Simulationsgenauigkeit untersucht. Bei phantombasierten Verifikationsmessungen identifizierte Limitierungen motivierten, das 4D-Dosissimulationframework durch die Einführung einer Unsicherheitsfortpflanzung und die Implementierung einer eigenständigen Dosisberechnung (Goldstandard Monte Carlo-Simulation) zu verbessern. Die Resultate belegen die prinzipielle Möglichkeit der Berücksichtigung von der individuellen Bewegungsvariabilität in einer VMAT-Dosisakkumulation zur QS in der 4D-Strahlentherapie.