Advancing dynamic trajectory radiotherapy: exploring robustness for treatment planning and managing motion for delivery

Abstract

Abstract About one in three individuals will develop cancer during their lives which makes cancer a leading cause of death. Fortunately, advances in diagnosing and treating cancer in the last century have improved patient survival and treatment outcome. Modern cancer treatment is based on three pillars. Radiotherapy, alongside surgery and chemotherapy, is prescribed to almost every second cancer patient as a single or combined treatment modality. As a local treatment technique, radiotherapy uses ionizing radiation to treat the tumor. In this context, the term dose is used as a surrogate for the tumor and healthy tissue cell damage induced by the radiation. Although there are other types of ionizing radiation, such as electron-, proton- and heavy ion-based ionizing radiation, photon-based external radiotherapy is the main treatment modality with about 15’000 photon treatment machines worldwide. The external application of photon-based radiotherapy provides cancer patients with a localized, non-invasive treatment method. However during tumour irradiation, healthy tissue will also receive some dose, especially in cases involving deep seated tumours. The resulting radiation induced toxicities can greatly affect a patient’s prognosis and quality of life. As a combined result of the advances in imaging, computation and the introduction of new machine equipment in the last decades, treatment outcomes of external radiotherapy could be improved and side effects reduced. Since the early 2000s, the C-arm clinical linear accelerator (linac) has been the workhorse of photon-based radiotherapy. With its multi-leaf collimator (MLC) it enables to efficiently shape the radiation beam and to modulate its intensity, leading to improved healthy tissue sparing. Today’s main treatment techniques for external, photon-based radiotherapy treatments are three dimensional conformal radiotherapy, intensity modulated radiotherapy (IMRT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT). The introduction of these techniques refined the quality of photon-based radiotherapy treatment plans by improving target coverage and dose conformity to the tumor as well as reducing dose to healthy tissue and reducing delivery time. Building on these advancements, the pre-clinical research technique dynamic trajectory radiotherapy (DTRT) has been recently developed. DTRT extends VMAT by dynamic table and dynamic collimator rotation during beam-on. DTRT indicates a potential to improve the dosimetric plan quality. Healthy tissue can be spared by avoiding critical organs in the beam path, while maintaining similar tumor coverage and similar delivery times as VMAT. However, the term plan quality is not limited to dosimetric plan quality. It is rather an overriding concept and further includes robustness (to uncertainties on the planning, delivery and patient side), plan complexity, deliverability of and planning protocols for the treatment technique. With the aim to advance DTRT plan quality, each of these aspects must be investigated. The first study presented in this work, describes the development of a flexible Monte Carlo based robustness tool, to calculate and evaluate the robustness of treatment plans of different treatment techniques. With the intention to characterize robustness of DTRT plans, this tool also enables the plan robustness comparison with other treatment techniques. The dynamic table rotation during delivery, specifically the gradient in gantry-table rotation, is a main characteristic of DTRT. The second study investigates DTRT plan quality, in terms of dosimetric plan quality, complexity, robustness, deliverability and delivery time as a function of the freedom in the gantry-table rotation gradient for three example cases in the brain and head and neck region. Furthermore, it provides a path finding algorithm for the gantry-table paths of the DTRT plans that includes a maximal user-specified freedom in the gantry-table rotation gradient. The findings of this study are employed in the following studies to generate DTRT plans with appropriate restrictions in the gantry-table rotation gradient. Head and neck cancer is one of the most complex treatment sites due to the several organs at risk in close proximity to the tumor. The third study facilitates DTRT treatment planning for this cancer entity. It provides and investigates a standardized but patient-specific DTRT treatment planning protocol, which is used in the fourth study to generate the DTRT treatment plans. The fourth study is a retrospective comparative study of 46 head and neck cases to assess the dosimetric robustness of DTRT and VMAT plans. The impact of different patient-setup and machine position related uncertainties are investigated. Intra-fraction patient motion can influence the dosimetric plan quality and lead to a difference between the planned and delivered dose. In the fifth and last study, the technical feasibility and dosimetric performance of free-breathing gating as an active motion mitigation strategy for DTRT is explored. In conclusion, a tool to assess robustness was successfully developed and employed to compare the robustness of different treatment techniques. DTRT plan quality as a function of the freedom in the gantry-table rotation gradient was investigated, first protocols to generate DTRT plans for head and neck cancer patients were established and free-breathing gating for DTRT was successfully performed for the first time. Together, these findings advance DTRT on the different fronts of treatment plan quality and pave the way for a clinical implementation of DTRT with the long-term goal of improving cancer care and treatment outcome for the patients. Zusammenfassung In den letzten Jahren haben sich Krebserkrankungen zu einer der häufigsten Todesursachen entwickelt. Statistiken zeigen, dass etwa ein Drittel der Bevölkerung im Laufe ihres Lebens an Krebs erkrankt. Moderne Therapieansätze gegen Krebs stützen sich dabei auf drei Säulen. Nebst der chirurgischen Intervention und der Chemotherapie wird fast jedem zweiten Krebspatienten eine Strahlentherapie als alleinige oder kombinierte Behandlungsmethode verschrieben. Als lokales Therapieverfahren nutzt die Strahlentherapie ionisierende Strahlung, um den Tumor mit einer bestimmten Dosis zu bestrahlen und die Tumorzellen zu sterilisieren. In diesem Zusammenhang wird der Begriff Dosis als Surrogat für die durch die Strahlung verursachte Schädigung von Tumor- und gesunden Gewebezellen verwendet. Unter den verschiedenen Strahlentherapieoptionen, einschliesslich Elektronen, Protonen und schwere Ionen, ist die externe Photonen-Strahlentherapie die häufigste Behandlungsmethode mit weltweit etwa 15’000 Photonen-Strahlentherapie-Behandlungsgeräten. Sie wird extern angewendet und bietet eine nicht-invasive, lokalisierte Behandlungsmethode für Krebspatienten. Bei der Bestrahlung des Tumors wird jedoch stets auch gesundes Gewebe mitbestrahlt, insbesondere bei tiefsitzenden Tumoren. Dies führt unweigerlich zu Nebenwirkungen, sogenannten strahleninduzierten Toxizitäten, die die Lebensqualität der Patienten erheblich beeinträchtigen können. In den letzten Jahrzehnten konnten in Kombination mit den Entwicklungen in der Bildgebung, der Computertechnik und der Einführung neuer Bestrahlungsgeräte grosse Fortschritte bei den Behandlungsergebnissen und eine Reduzierung der Nebenwirkungen der Strahlenthera pie erzielt werden. Seit Anfang der 2000er Jahre hat sich der klinische C-arm Linearbeschleuniger (Linac) als Hauptapplikationsgerät für die externe Photonen-basierte Strahlentherapie etabliert. Mit Hilfe des Multilamellen-Kollimators (MLC) ist er in der Lage, den Photonenstrahl effizient und präzise auf den Tumor zu men und die Intensität der Strahlung zu modulieren. Die wichtigsten externen, Photonen-basierten Behandlungstechniken sind heute die konforme 3D-Strahlentherapie, die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) und die volumetrisch modulierte Bogen-Therapie (VMAT). Mit Einführung dieser Techniken hat sich die Qualität der Photonenbestrahlung und damit die Planqualität verbessert. Neben Verbesserungen im Bereich der Tumor Dosis und ihrer Konformität ermöglichen diese Techniken die Dosis für gesundes Gewebe zu reduzieren und zusätzlich die Behandlungsgenauigkeit und -dauer zu verbessern. Darauf aufbauend, wurde in den letzten Jahren die prä-klinische Forschungstechnik Dynamic Trajectory Radiotherapy (DTRT) entwickelt. DTRT erweitert VMAT durch die Einführung dynamischer Tisch und Kollimator Rotationen während der Bestrahlung. Dies bietet ein Verbesserungspotenzial im Bereich der dosimetrischen Planqualität, d.h. eine bessere Schonung des gesunden Gewebes durch Vermeidung kritischer Organe im Strahlengang, bei gleichzeitiger Beibehaltung der Tumorabdeckung und ähnlicher Bestrahlungszeiten wie VMAT. Der Begriff Planqualität ist jedoch nicht nur auf die dosimetrischen Aspekte beschränkt. Es handelt sich vielmehr um ein übergeordnetes Konzept, das zusätzlich Robustheit (in Bezug auf Planungsunsicherheiten, Abstrahlungsunsicherheiten und patientenbezogene Unsicherheiten), Plan-Komplexität, Applizierbarkeit und standardisierte Planungsprotokolle für die Behandlungstechnik umfasst. Zusammenfassend, um die gesamte Planqualität von DTRT Plänen zu verbessern, bedarf es einer ausführlichen Untersuchung all dieser Aspekte Die erste Studie, die in dieser Arbeit vorgestellt wird, beschreibt die Entwicklung eines flexiblen Monte-Carlo basierten Tools zur Berechnung und Bewertung der Robustheit von Behandlungsplänen verschiedener Bestrahlungstechniken. In Bezug auf DTRT soll dieses Tool die Robustheit von DTRT-Plänen charakterisieren und den Vergleich mit anderen Behandlungstechniken ermöglichen. Die dynamische Tischrotation während der Bestrahlung ist eines der Hauptmerkmale von DTRT. Die zweite Studie untersucht daher die Planqualität der DTRT-Pläne in Bezug auf die dosimetrische Planqualität, die Komplexität, die Robustheit, die Applizierbarkeit und die Bestrahlungszeit als Funktion der Freiheit in dem Gradienten zwischen Gantry- und Tischrotation. Zusätzlich wird ein Pfadfindungsalgorithmus für die Gantry-Tisch Pfade der DTRT Pläne vorgestellt, der eine benutzerdefinierter Freiheit in dem Gantry-Tischrotationsgradienten respektiert. Die Ergebnisse dieser Studie werden in den folgenden Studien verwendet, um DTRT Behandlungspläne mit angemessenen Restriktionen bezüglich Gantry-Tischrotationsgradienten zu generieren. Kopf- und Hals-Tumore sind eine der komplexesten Behandlungsstellen aufgrund der verschiedenen gesunden Organen in der Nähe dieser Tumore. Die dritte Studie erleichtert die DTRT-Behandlungsplanung für diese Krebsart, indem sie ein standardisiertes, aber patientenspezifisches DTRT Planungsprotokoll für Kopf und Hals Krebspatienten bereitstellt und untersucht. Dieses Protokoll wird in der folgenden Studie angewandt, um die DTRT Behandlungspläne zu generieren. Die vierte Studie präsentiert eine retrospektive Studie für 46 Kopf- und Hals-Krebspatienten, um die dosimetrische Robustheit von DTRT und VMAT Behandlungspläne zu bewerten. Die Studie konzentriert sich auf die Untersuchung und den Vergleich der Auswirkungen verschiedener Unsicherheiten beim Patientensetup und der Genauigkeit von verschiedenen Maschinenkomponenten auf DTRT und VMAT Behandlungspläne. Intra-fraktionelle Patientenbewegungen beeinflussen die dosimetrische Planqualität und können zu Unterschieden zwischen der geplanten und der applizierten Dosis führen. In der fünften und letzten Studie wird die technische Durchführbarkeit und die dosimetrische Performance des Free-Breathing Gating als aktive Strategie zur Minderung negativer Effekte der Patientenbewegung auf die dosimetrische Planqualität für DTRT untersucht. Zusammenfassend wurde ein Tool zur Bewertung der Robustheit erfolgreich entwickelt und angewandt, um die Robustheit verschiedener Behandlungstechniken zu vergleichen. Weiter wurde die Qualität von DTRT Behandlungspläne in Abhängigkeit von der Freiheit in dem Gantry-Tischrotationsgradienten untersucht. Erste Protokolle zur Erstellung von DTRT Behandlungsplänen für Kopf- und Hals-Tumore wurden entwickelt und die Durchführung von Free-Breathing Gating für DTRT wurde erstmals erfolgreich getestet. Diese Ergebnisse bringen DTRT an den verschiedenen Fronten der Planqualität voran und ebnen den Weg für die klinische Umsetzung von DTRT mit dem langfristigen Ziel, die externe Photonen-basierte Krebsbehandlung und das Behandlungsergebnis für die Patienten zu verbessern.