Μελέτη και ανάπτυξη μεθόδων δοσιμετρικής επαλήθευσης πλάνων θεραπείας σε σύγχρονες τεχνικές ακτινοθεραπείας

Abstract

Patient-specific quality assurance (PSQA) is integral to contemporary radiation therapy. Currently, the evaluation of the verification plans is being performed mainly with statistical methods, which could underestimate the clinical importance of the spotted differences, as per the literature. This work aims to present a novel method based on the difference of the isodose surfaces as a dose distribution comparison tool to connect acceptance tolerance to QA limitations (equipment capabilities) and transfer a more clinical approach in the analysis procedure. The distance of dose points from the isocenter can be used as a function to define the shape of an isodose surface. Isodose surface differences (ISD) are defined as the normalised differences of reference and evaluated surface histograms plotted against their corresponding isodose. Acceptance tolerances originate from actual QA tolerances, and they are presented in a clinically intuitive way. The ISD method was compared to the gamma index using intentionally erroneous VMAT and IMRT plans. Results revealed that the ISD method is sensitive to all errors induced in the plans. Discrepancies are presented per isodose, enabling the evaluation of the plan in two regions, which represent PTV and Normal Tissue. In conclusion, the ISD method is a meaningful, QA-related, registration-free, clinically oriented technique of dose evaluation during the verification process. This method can be used as a standalone or an auxiliary tool to the well-established evaluation procedures, overcoming significant limitations reported in the literature.

Η διενέργεια επαλήθευσης των ακτινοθεραπευτικών πλάνων για κάθε ασθενή αποτελεί αναπόσπαστο μέρος της σύγχρονης ακτινοθεραπείας, λόγω της αυξημένης πολυπλοκότητάς της. Επί του παρόντος, η αξιολόγηση των πλάνων επαλήθευσης πραγματοποιείται κυρίως με στατιστικές μεθόδους. Σκοπός της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη μιας νέας μεθόδου σύγκρισης κατανομών δόσης, η οποία α) να παρέχει κλινικό περιεχόμενο στα αποτελέσματά της και β) να έχει όρια αποδοχής που να προκύπτουν από τις πραγματικές δυνατότητες του γραμμικού επιταχυντή. Η βασική ιδέα έγκειται στο γεγονός ότι το σχήμα κάθε ισοδοσιακής καμπύλης ή επιφανείας είναι εφικτό να παραμετροποιηθεί σε ιστόγραμμα χρησιμοποιώντας ως συνάρτηση μετατροπής την απόσταση των σημείων που την αποτελούν από το ισόκεντρο της θεραπείας. Με αυτό τον τρόπο, η πολύπλοκη σύγκριση στον τρισδιάστατο χώρο απλοποιείται με τη βοήθεια μέτρων ανομοιότητας ιστογραμμάτων. Ως «διαφορές ισοδοσιακών επιφανειών» ορίζονται οι κανονικοποιημένες διαφορές των ιστογραμμάτων των επιφανειών αναφοράς και αξιολόγησης συναρτήσει των αντίστοιχων ισοδοσιακών επιπέδων του πλάνου. Τα όρια αποδοχής πηγάζουν από τα όρια διασφάλισης ποιότητας του γραμμικού επιταχυντή, μεταβάλλονται ανάλογα με τη βάθμωση των περιοχών του πλάνου και παρουσιάζονται με κλινικά εύληπτο τρόπο. Η προτεινόμενη αυτή μέθοδος συγκρίθηκε με τον δείκτη γ χρησιμοποιώντας κατανομές δόσης VMAT και IMRT στις οποίες εισήχθησαν σκοπίμως λάθη αυξανόμενης σημαντικότητας. Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι η προτεινόμενη μέθοδος είναι ευαίσθητη σε όλα τα σφάλματα που εμπεριέχονται στα πλάνα. Οι αποκλίσεις παρουσιάζονται ανά ισοδόσιακή επιτρέποντας την αξιολόγηση των πλάνων σε δύο περιοχές που αντιπροσωπεύουν την περιοχή υψηλής δόσης (στόχος) και τους φυσιολογικούς ιστούς. Συμπερασματικά, η προτεινόμενη μέθοδος «Διαφορών Ισοδοσιακών Επιφανειών» αποτελεί μια εύληπτη, σχετική με τα πρωτόκολλα διασφάλιση της ποιότητας, απαλλαγμένη από την ανάγκη αντιστοίχισης των κατανομών και κλινικά προσανατολισμένη τεχνική αξιολόγησης της δόσης ακτινοβολίας κατά τη διαδικασία επαλήθευσης ακτινοθεραπευτικών πλάνων. Η μέθοδος αυτή μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε ως αυτόνομο είτε ως επικουρικό εργαλείο στις καθιερωμένες διαδικασίες αξιολόγησης, ξεπερνώντας σημαντικούς περιορισμούς όπως αναφέρονται στη διεθνή βιβλιογραφία.