Breathing Effects in Proton Scanning for Hodgkin's Lymphoma

Abstract

Purpose/Background
Proton beam scanning (PBS) for mediastinal Hodgkin's Lymphoma (HL) is limited when treating in free-breathing (FB) due to breathing motion in the thoracic region. Tumour motion and the time structure of the beam delivery will cause interplay and dose blurring effects, resulting in discrepancies of dose in the planned dose distribution both inside and at the edges of tumour volume (TV). Current national guidelines only allow tumour motion less than $5$ mm in any direction to ensure target dose coverage. This study assesses the effects of simulated breathing motions in PBS delivery for various mediastinal HL dose distributions using different tumour motion amplitudes and beam delivery parameters. Specifically, this study aims to quantify the dosimetric effects of large breathing amplitudes on PBS delivery in the cases included in the study and identify parameters that may mitigate breathing effects.

Material and methods
The impact of breathing was estimated by computing relative dose differences between dose distributions during motion and corresponding static conditions. Dose distributions were measured using a 2D ionisation chamber array detector on top of a modified motion platform at the Swedish proton facility in Uppsala. Planar dose distributions from three HL patients with clinical robust treatment plans were measured in solid water for different target depths by allocating various amounts of solid water plates on top of the detector. The respiratory tumour motion was simulated using an asymmetrical sine-curve with amplitudes of 5, 10 and 15 mm in the superior-inferior (SI) direction. Tumour motion parameters were assessed by changing period time and motion regularity. We also studied a range of beam delivery parameters by modifying the air gap, spot spacing and accumulating fractions. Breathing effects were quantified by computing a 98th percentile of the absolute value of .

Results
Breathing effects increased with larger amplitudes but could be mitigated by accumulating fractions, increasing the air gap and reducing the spot spacing. The interplay effect dominated the overall breathing effect and varied drastically between patients at 5 mm motion amplitude, with a single-fraction 98th percentile value ranging from 10.3% in the worst-case scenario, representing a heterogeneous dose distribution, to 2.2% in the best-case scenario, corresponding to a homogeneous dose distribution.

Conclusion
For the patients considered, interplay effects are highly patient-specific, highlighting that the impact of respiratory motion has a high dependency on the beam delivery and plan characteristics and not only on the tumour motion pattern. PBS may be allowed for tumour motion above 5 mm in the SI direction. However, to reduce the interplay effect, care should be given to avoid a heterogeneous dose distribution in the tumour volume, keeping the spot intensities low if achievable.

Popular Abstract (Swedish)

Idag behandlas nästan hälften av alla cancerpatienter i Sverige med någon form av strålbehan- dling, som komplement till annan behandling eller som självständig terapi. Strålningen är opti- merad för att koncentrera effekten på tumörområdet och minimera biverkningar på intilliggande organ och vävnad. Dagens strålbehandling utnyttjar flera strålslag som tillför olika behandlings- former och valbarheter. Majoriteten av alla cancerpatienter har traditionellt sätt behandlats med fotoner, vilket är strålning med tillräckligt hög energi för att ge upphov till skada på vävnad. Numera är även laddade partiklar i form protoner en vanlig behandlingsform. Protoner har fysikaliska egenskaper som medför att partiklarna avger majoriteten av sin energi på en distinkt räckvidd, jämfört med fotoner som deponerar sin energi över ett större behandlingsdjup. Den väldefinierade räckvidden hos protoner tillåter tumöreffekten att koncentreras naturligt, vilket resulterar i att behandlingsvolymen minskar vid klinisk protonbehandling jämfört med konven- tionell strålbehandling. Partikelräckvidden är däremot starkt påverkad av densitetsvariationer i kroppen, vilket vid större förändringar, orsakat av till exempel andningsrörelser, kan förskjuta protoner bort ifrån tumörområdet. Behandlingsområden såsom lunga har således tidigare und- vikits eftersom andningsrörelser är starkt närvarande i lungområdet. Modern protonbehandlin- gen använder idag en skannad stråle som utgörs av flera monoenergetiska protoner, vilka lev- ereras till olika delar av tumörvolymen. Målet är att bestråla tumörområdet homogent, vilket möjliggörs då den skannade strålen sveps över hela tumörvolymen. Under bestrålning justeras energin och positionen av protonerna som ska överlämna energin. Skanningen är dock inte mo- mentan i tiden, vilket, i kombination med andningsrörelser, kan leda till att den skannade strålen inte sveps uniformt över tumörvolymen. En sådan effekt gör att bestrålning inte blir homogen och är ett exempel på en så kallad interplayeffekt.

I det här arbetet undersöktes och kvantifierades påverkan av andningsrörelser vid skannad protonbehandling av mediastinal Hodgkins lymfom, en lymfkärlsjukdom lokaliserad i lungom- rådet där andningsrörelser kan vara av betydelse. Idag är det endast rekommenderat att tillåta protonbehandling av Hodgkins lymfom för tumörrörelser mindre än 5 mm i någon riktning för att försäkra sig om att tumörområdet bestrålas homogent och att angränsade områden inte bestrålas. Syftet med arbetet var att jämföra andningseffekter på tumören för tre olika andningsstorlekar: 5, 10 och 15 mm och undersöka huruvida gränsen för 5 mm tumörrörelse kan höjas. Andnin- gen simulerades m.h.a. en periodisk vågrörelse för tre patienter med olika behandlingsplaner och tumörgeometrier som tidigare fått protonbehandling. En retrospektiv analys genomfördes där andningsparametrar såsom vågrörelsens form, frekvens eller diverse behandlingsparametrar som i teorin kan minimera andningseffekten undersöktes och vilken inverkan parametrarna hade på patienterna.

Studien tillkännager att interplayeffekt är patientspecifik med stora variationer, men att be- handlingsparametrar kan justeras för att mildra interplayeffekten. Arbetet har även belyst nöd- vändigheten av en protonbehandling med homogen bestrålning, då andningseffekten var större för inhomogena bestrålningar. Resultaten presenteras med optimism och ger indikationer på att tumörrörelser över 5 mm kan tillåtas, och viktigaste av allt, att protonbehandlingen är säker för de rörelserestriktioner som finns idag.

• author: Nilsson, John
• supervisor: Marika Enmark; Anneli Edvardsson; Ingrid Kristensen; Karin Vallhagen Dahlgren
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT01 20212
• year: 2022
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9099244
• date added to LUP: 2022-09-03 14:52:08
• date last changed: 2022-09-03 14:52:08