Advanced

Dosimetric effects of breathing motion in radiotherapy

Edvardsson, Anneli LU (2018)
Abstract
The goal of radiotherapy is to deliver a homogeneous high dose of radiation to a tumour while minimising the dose to the surrounding healthy tissue. To achieve this, increasingly advanced treatment techniques, such as volumetric modulated arc therapy (VMAT) and proton therapy, have been developed. However, these treatment techniques are sensitive to patient motion, such as breathing, which may degrade the dose distribution to the tumour and healthy tissue. The simultaneous movement of the tumour and treatment delivery may cause unwanted heterogeneities in the dose distribution, so-called interplay effects. Treatment during deep inspiration (DI) could mitigate the motion and lead to favourable anatomical changes in the tumour position with... (More)
The goal of radiotherapy is to deliver a homogeneous high dose of radiation to a tumour while minimising the dose to the surrounding healthy tissue. To achieve this, increasingly advanced treatment techniques, such as volumetric modulated arc therapy (VMAT) and proton therapy, have been developed. However, these treatment techniques are sensitive to patient motion, such as breathing, which may degrade the dose distribution to the tumour and healthy tissue. The simultaneous movement of the tumour and treatment delivery may cause unwanted heterogeneities in the dose distribution, so-called interplay effects. Treatment during deep inspiration (DI) could mitigate the motion and lead to favourable anatomical changes in the tumour position with respect to healthy tissue. The aim of the work presented in this thesis was to investigate various effects of breathing motion on the tumour and healthy tissue dose distribution in radiotherapy.

Potential healthy tissue dose sparing using DI photon or proton therapy was investigated for left-sided breast cancer and mediastinal Hodgkin’s lymphoma (HL) by performing comparative treatment planning studies. The use of DI reduced the dose to healthy tissue for left-sided breast cancer patients. It also reduced the healthy tissue dose for most mediastinal HL patients, but the benefits were more patient specific due to large variations in the disease distribution. Protons reduced the dose to healthy tissue for both left-sided breast cancer and mediastinal HL patients compared to photons, regardless of the use of DI.

A tool to simulate breathing-motion-induced interplay effects for VMAT was developed and used to investigate how interplay effects vary for different treatment scenarios. The tool was further adapted for use in a more clinical setting to investigate interplay effects for stereotactic VMAT treatment of liver metastases. Interplay effects were shown to negatively affect the dose distribution, resulting in underdosing part of the tumour. The extent of interplay effects depended on the tumour motion and treatment plan characteristics.

In conclusion, major dosimetric effects of breathing motion on radiotherapy treatment were demonstrated by the work presented in this thesis. A beneficial effect of reduced healthy tissue dose was observed when the patient used controlled DI. Furthermore, by knowing the breathing-induced motion of the tumour, the treatment delivery parameters can be selected wisely to minimise unwanted interplay effects. Knowledge of the dosimetric effects of breathing motion is important to be able to individually optimise the radiotherapy treatment.
(Less)
Abstract (Swedish)
Cirka hälften av alla som drabbas av cancer i Sverige genomgår strålbehandling, där högenergetisk strålning används för att tillintetgöra cancertumören. Inför strålbehandlingen görs en datortomografiundersökning, vilket är en form av röntgenundersökning som ger snittbilder av patienten i tre dimensioner. I dessa bilder markerar en läkare det område som ska bestrålas mycket (tumören) samt de områden som ska bestrålas så lite som möjligt (frisk intilliggande vävnad). Själva behandlingen simuleras sedan i ett datorprogram, där flera olika parametrar kan justeras, så som strålslag, strålfältets storlek, form och riktning, samt strålningens energi (genomträngningsförmåga), för att ge en hög och jämn fördelning av strålningen till tumören och... (More)
Cirka hälften av alla som drabbas av cancer i Sverige genomgår strålbehandling, där högenergetisk strålning används för att tillintetgöra cancertumören. Inför strålbehandlingen görs en datortomografiundersökning, vilket är en form av röntgenundersökning som ger snittbilder av patienten i tre dimensioner. I dessa bilder markerar en läkare det område som ska bestrålas mycket (tumören) samt de områden som ska bestrålas så lite som möjligt (frisk intilliggande vävnad). Själva behandlingen simuleras sedan i ett datorprogram, där flera olika parametrar kan justeras, så som strålslag, strålfältets storlek, form och riktning, samt strålningens energi (genomträngningsförmåga), för att ge en hög och jämn fördelning av strålningen till tumören och samtidigt minimera strålningen till den friska vävnaden. Själva behandlingen ges med en strålningsapparat som kallas linjäraccelerator, som producerar fotonstrålning, eller med en cyklotron alternativt synkrotron som producerar protonstrålning. Skillnaden mellan foton- och protonstrålning är bl.a. att protoner är laddade partiklar, som avger sin energi djupare i kroppen, och på så sätt kan styras mer precist till tumören. På senare år har mer avancerade behandlingstekniker utvecklats, där strålningen bättre koncentreras till tumörområdet så att den friska vävnaden skonas. Detta innebär att en högre mängd strålning kan ges till tumören samtidigt som risken för biverkningar av behandlingen minskar. Ett exempel på en sådan behandlingsteknik är att linjäracceleratorn roterar runt patienten samtligt som fotonstrålning levereras kontinuerligt med varierad intensitet. På så sätt ges ett litet strålningsbidrag från varje vinkel runt patienten, och dessa överlappas i tumören där mängden strålning då blir mycket stor.

Tumörer i området kring bröstkorgen rör sig när patienten andas. Under behandlingen är det viktigt att strålningen hamnar på exakt rätt ställe, vilket försvåras om tumören rör sig. Med de nya teknikerna är strålningen så väl anpassad till tumören att man riskerar att missa den om man inte tar hänsyn till tumörens rörelse. Vanligtvis utökas behandlingsmarginalen kring tumören för att säkerställa bestrålningen trots rörelse, men på bekostnad av att en större mängd frisk vävnad bestrålas. Det kan dessutom förekomma inbördes rörelser mellan bestrålningsmaskinens delar och tumören, vilket kan resultera i en ojämn fördelning av strålningen till tumören. Dessa oönskade effekter, sk interplayeffekter, förekommer trots utökad behandlingsmarginal och är svåra att förutspå då de beror på många olika behandlingsrelaterade parametrar. I nuläget finns inget kommersiellt program som beräknar interplayeffekter för en patientbehandling. I denna avhandling utvecklades därför ett verktyg för avancerade datorsimuleringar av interplayeffekter. Detta verktyg användes för att undersöka hur interplayeffekter varierar med olika behandlingsrelaterade parametrar, samt applicerades på stereotaktisk behandling av levertumörer, där en stor mängd strålning levereras vid några få behandlingstillfällen. Simuleringarna påvisade förekomsten av interplayeffekter, vilket gav upphov till en ojämn fördelning av strålningen till tumören. Delar av tumören fick således för lite strålning, vilket skulle kunna påverka behandlingsresultatet negativt. Interplayeffekterna varierade med de olika parametrarna som simulerades och genom att välja dessa parametrar klokt, kan man således minska dessa oönskade effekter. Detta verktyg kan i framtiden användas kliniskt för att förutspå effekter av andningsrörelser för verkliga patientbehandlingar.

Det finns sätt att hantera tumörrörelser som inte kräver en ökad behandlingsmarginal och minimerar oönskade rörelseeffekter. Ett exempel är att patienten håller andan under bestrålningen. Om patienten andas in djupt kan dessutom tumören separeras från strålkänsliga organ, vilket ibland kan vara fördelaktigt. Till exempel ökar avståndet mellan bröstet och hjärtat vid djup inandning, vilket är fördelaktigt vid behandling av vänstersidig bröstcancer. I denna avhandling har behandling under djup inandning, i kombination med både foton- och protonbehandling, för vänstersidig bröstcancer och Hodgkins lymfom (cancer i lymfsystemet) undersökts. Generellt visade sig både behandling under djup inandning och protoner vara fördelaktigt med minskad strålning till hjärtat och lungorna. Dessa resultat har bidragit till klinisk implementation av en säkrare samt mer effektiv och patientvänlig teknik för behandling av bröstcancer och Hodgkins lymfom under djup inandning på Skånes universitetssjukhus, och legat till grund för utvecklingen av nationella riktlinjer. De har också bidragit till att det svenska protoncentrat Skandionkliniken, som en av de första klinikerna i världen, har behandlat en Hodgkins lymfom patient med protoner under djup inandning.
(Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
supervisor
opponent
  • Professor Nyholm, Tufve, Umeå universitet
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
radiotherapy, breathing motion, DIBH, interplay effects, VMAT, proton therapy, breast cancer, Hodgkin’s lymphoma, liver, dosimetry, treatment planning, medical physics
pages
170 pages
publisher
Lund University, Faculty of Science, Department of Medical Radiation Physics
defense location
Strålbehandlingshusets föreläsningssal 3 vån, Klinikgatan 5, Lund
defense date
2018-10-05 09:00:00
ISBN
978-91-7753-805-9
978-91-7753-804-2
language
English
LU publication?
yes
id
05db5808-e486-4376-a4be-94697ea55334
date added to LUP
2018-09-04 13:56:28
date last changed
2018-11-21 21:41:25
@phdthesis{05db5808-e486-4376-a4be-94697ea55334,
  abstract     = {The goal of radiotherapy is to deliver a homogeneous high dose of radiation to a tumour while minimising the dose to the surrounding healthy tissue. To achieve this, increasingly advanced treatment techniques, such as volumetric modulated arc therapy (VMAT) and proton therapy, have been developed. However, these treatment techniques are sensitive to patient motion, such as breathing, which may degrade the dose distribution to the tumour and healthy tissue. The simultaneous movement of the tumour and treatment delivery may cause unwanted heterogeneities in the dose distribution, so-called interplay effects. Treatment during deep inspiration (DI) could mitigate the motion and lead to favourable anatomical changes in the tumour position with respect to healthy tissue. The aim of the work presented in this thesis was to investigate various effects of breathing motion on the tumour and healthy tissue dose distribution in radiotherapy.<br/><br/>Potential healthy tissue dose sparing using DI photon or proton therapy was investigated for left-sided breast cancer and mediastinal Hodgkin’s lymphoma (HL) by performing comparative treatment planning studies. The use of DI reduced the dose to healthy tissue for left-sided breast cancer patients. It also reduced the healthy tissue dose for most mediastinal HL patients, but the benefits were more patient specific due to large variations in the disease distribution. Protons reduced the dose to healthy tissue for both left-sided breast cancer and mediastinal HL patients compared to photons, regardless of the use of DI.<br/><br/>A tool to simulate breathing-motion-induced interplay effects for VMAT was developed and used to investigate how interplay effects vary for different treatment scenarios. The tool was further adapted for use in a more clinical setting to investigate interplay effects for stereotactic VMAT treatment of liver metastases. Interplay effects were shown to negatively affect the dose distribution, resulting in underdosing part of the tumour. The extent of interplay effects depended on the tumour motion and treatment plan characteristics.<br/> <br/>In conclusion, major dosimetric effects of breathing motion on radiotherapy treatment were demonstrated by the work presented in this thesis. A beneficial effect of reduced healthy tissue dose was observed when the patient used controlled DI. Furthermore, by knowing the breathing-induced motion of the tumour, the treatment delivery parameters can be selected wisely to minimise unwanted interplay effects. Knowledge of the dosimetric effects of breathing motion is important to be able to individually optimise the radiotherapy treatment.<br/>},
  author       = {Edvardsson, Anneli},
  isbn         = {978-91-7753-805-9},
  language     = {eng},
  publisher    = {Lund University, Faculty of Science, Department of Medical Radiation Physics},
  school       = {Lund University},
  title        = {Dosimetric effects of breathing motion in radiotherapy},
  url          = {https://lup.lub.lu.se/search/ws/files/50588756/e_spik_Annelii.pdf},
  year         = {2018},
}