Analysis of bladder cancer treatment plans generated for online adaptive radiotherapy and validation of an integrated independent dose calculation software

Abstract

Purpose: In 2019 Varian EthosTM linear accelerator (Varian Medical Systems, CA, USA) with integrated artificial intelligence (AI) was installed at Herlev Hospital, Copenhagen, Denmark, enabling online adaptive radiotherapy (oART) e.g for bladder cancer patients with a large margin reduction. The AI utilizes so called influencers for initial delineation of the targets and organs at risks (OAR) using reference planning computed tomography (CT) images as a guide. The system generates two plans for the treatment, of which one is re-calculated (scheduled plan) and the other is re-optimized (adapted plan) on the anatomy of the day. Moreover, this treatment approach makes traditional phantom based quality as- surance (QA) unavailable. This project was focused on three aims; the reduction of target volume achieved utilizing oART approach instead of conventional image-guided radiation therapy (IGRT); quality analysis of the adapted and scheduled plans; validation of a a com- mercial solution for an integrated independent dose calculation.

Materials and Methods: In total 6 bladder cancer patients, treated with oART, were in- cluded in the study. Volumetric and dosimetric analysis were performed retrospectively for 102 adapted and scheduled plans in terms of target coverage and absorbed dose to OAR, such as Bowel Bag and Rectum. The results were compared to corresponding conventional IGRT plans with regular margins used in the clinic. Additionally, effect of bladder volume variations on absorbed dose to OAR was investigated. Conformity index (CI) and homo- geneity index (HI) were computed and compared for adapted and scheduled plans.

Furthermore, 54 adapted plans were automatically transferred to Mobius Adapt (Varian Medical Systems, CA, USA) for verification. Global gamma indexes were calculated using the following criteria : 3%/3 mm, 3%/2 mm and 2%/2 mm, 10% threshold. Results from Mobius Adapt calculations were compared to measured local gamma indexes 3%/2 mm, 20% threshold with Delta4+ phantom (Scandidos, Upsalla, Sweden ).
Results: oART enabled 13 %- 59 % planning target volume (PTV) reduction compared to the conventional approach for the studied patients. For scheduled plans, the results revealed an impact on absorbed dose to Bowel Bag (R2> 0.7) for cases with large bladder volume variations (median (Q2) >155 cm3, interquartile range (IQR) >60 cm3) during the course treatment, but not to Rectum (R2< 0.3). Whereas smaller bladder volume variations (Q2
< 100cm3, IQR< 30 cm3) did not affect the dose received neither to Bowel Bag or Rec- tum (R2< 0.4, R2< 0.2). A statistically significant improvement in homogeneity (p< 0.05, two patients p= 0.81, p= 0.42) and conformity (p< 0.05) was obtained in the adapted plans compared to the scheduled. No significant difference (p= 0.82, others p < 0.001) was ob- served between Delta4+ local gamma index 3%/2 mm and Mobius Adapt 3%/3 mm.

Conclusion: Adaptation had significant impact on absorbed dose to OAR for all studied patients enabling target coverage, while reducing the PTV volume . An independent dose calculation with Mobius Adapt has been validated for dose verification during oART, where traditional phantom-based approaches are not available.

Popular Abstract (Swedish)

Det nns olika strålterapitekniker som används för att behandla cancer. Extern strålbehandling
är den vanligaste formen av strålterapi. Syftet med extern strålbehandling är att döda
eller bromsa cancercellens tillväxt genom att inducera strålskador i DNA, som kommer
påverka deras mekanismer och leda till döden. Den eekt uppnås när höga doser levereras
till tumören. Problemet som uppstår vid användning av den här metoden är att man
inducerar strålskador även i friska celler, som har allmänt en bättre reparationsförmåga och
överlever. Bestrålning av friska vävnader har alltid varit ett huvudproblem för cancer i urinblåsan.
Blåscancer är bland de hårdaste urologiska sjukdomarna att behandla med strålterapi
på grund av kontinuerlig variation i urinblåsan. För att ta hänsyn till plötsliga volymförändringar
används stora behandlingsmarginaler för att säkerställa täckning av behandlingsområdet.
Förutom detta är blåsan belägen i bäckenområdet där radiokänsliga organ benner
sig. Leverera höga doser till dessa organ kan ge upphov till olika bieekter.

Men i dagens läge förbättras tekniken kontinuerligt, strålterapi har blivit mer personlig, noggrannare
och eektivare. En ny online adaptiva metod för behandling av blåscancer har
utvecklats där articiell intelligens utnyttjas för att anpassa behandling till dagens anatomi.
Innan behandlingsstart kommer patienten för datortomogra, bildtagning som behövs för
att avgränsa urinblåsan och rita andra organ i riskzonen som riskerar att få för höga doser.
Bilder med denierad struktur används för att generera en behandlingsplan. Vid behandlingstillfället
sker ytterligare en biltagning. I den bildtagningen kommer articiell intelligens
att rita om tidigare strukturen. Därefter, börjar systemet generera två olika plan. Den
enda planen är beräknad med avseende på dagens anatomi. Den andra planen är beräknad
och optimerad till dagens anatomi. Planen som är bäst är vald for behandlingen. Det
tillvägagångssättet gör det möjligt att minska behandlingsmarginalerna och skona friska vävnader
som omger blåsan. Dessutom, den absorberade dosen till organ i riskzonen kan också
minimeras.

Innan behandlingen påbörjas måste planen verieras. Detta görs för att säkerställa att dosfördelningen
i tumören stämmer överens med läkarnas ordination. Traditionellt görs veri-
ering genom att leverera plan till ett fantom som kommer beräkna skillnaden i den planerade
dosen och den levererade dosen. Om inga avvikelser upptäcks blir planen godkänd
för behandling. Med den nya online adaptiva metoden är det inte möjligt att avbryta redan
påbörjat behandlingen och veriera den nya genererade planen. Därför utförs planveriering
med hjälp av oberoende dosberäkningsprogramvara.

I detta examensarbete utfördes en retrospektiv studie av sex urinblåscancer patienter som
behandlades med online adaptiva metod där de två olika generade adaptiva planer (minskade
marginaler) jämfördes med varandra och med det konventionella sättet (med stora
marginaler). Resultatet visade att behandlingsmarginalerna kan reduceras 33-55 procent
och behålla behandlingsvolymens täckning med hänsyn till att planen är beräknad och optimerad
till dagens anatomi. Den oberoende dosberäkningsprogram har också validerats med
fantommätningar, vilket innebär att det är ett pålitligt verktyg för planveriering.

• author: Badika, Daria
• supervisor: Lucie Calmels; Patrik Sibolt; Lina Andersson; David Sjöström
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20201
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9035191
• date added to LUP: 2021-01-17 12:57:58
• date last changed: 2021-01-17 12:57:58