Uncertainties in the use of synthetic CT (sCT) for daily online adaptive radiotherapy for lung cancer

Abstract

Background and purpose: Cone Beam Computed Tomography (CBCT) based online adaptive radiotherapy (oART) has been clinically implemented for several anatomical sites worldwide. However, random and abrupt anatomical changes with large density alterations can occur in lung patients, leading to uncertainties with synthetic computed tomography (sCT) and dose calculation. The anatomical changes could be the resolution/appearance of atelectasis, tumor shrinkage, tumor positional deviation, pleural effusion, pneumonitis, etc. This study aimed to quantitatively investigate the uncertainty of dose calculation on sCT in the Ethos (Varian Medical Systems, Palo Alto, CA) oART-workflow and the possibility of using direct dose calculation on CBCT to minimize the dosimetric uncertainties for lung cancer patients with a broad range of anatomical changes. As well as qualitatively observe the generated sCT images.

Methods: Twenty lung cancer patients with different anatomical changes, resulting in re-planning during their courses of treatment, were included (treated between 15 January 2018 and 15 December 2022). An oART workflow was simulated for each patient in an Ethos emulator running in batch mode (Varian Medical Systems). During the simulated oART sessions, the original planning CT (pCT) was deformed to the re-planning CT (rCT), and also deformed to the first CBCT post-re-planning, used as input for the anatomy-of-the-day, generating the sCTrCT and sCTCBCT, respectively. The rCT treatment plan was re-calculated on the generated sCTrCT, sCTCBCT, and directly on each patient's CBCT (dCBCT). Resulting dose distributions were compared with the rCT using relevant dose volume histogram (DVH) parameters, where the dosimetric agreement was evaluated using Wilcoxon signed rank testing.

Results: 12 out of 20 generated sCTrCT and 14 out of 20 sCTCBCT images were assessed to have an anatomical disagreement with rCT due to anatomical changes that could not be corrected for by deformation in the Ethos oART workflow. The DVH differences between rCT-sCTrCT (in 13 out of 20 patients) and rCT-sCTCBCT (in 11 out of 16 patients, four patients were excluded due to large anatomical disagreement between CBCT and rCT) were acceptable (within 2.0%). The rest of the patients resulted in higher (over 2.0%) dose differences for any dosimetry metric investigated due to incorrect image deformations and erroneously generated sCTs because of anatomical changes.
The DVH dosimetry metric differences in rCT-sCTrCT (median, [min; max]) for the target structures were 0.3 [-2.0; 4.0]%, 0.3 [-0.2; 3.4]%, and -0.4 [-7.8; 0.9]% for GTV D99%, PTV D98% and PTV Dmax, respectively. In contrast, the corresponding differences for organs at risk (OAR) were 0.0 [-0.2; 0.1]%, 0.0 [-0.3; 0.2]%, 0.0 [-0.7; 1.0]%, 0.0 [-1.1; 0.5]% and -0.4 [-7.2; 2.0]% for mean lung dose (MLD), esophagus mean dose (Dmean), heart V25Gy, spinal cord maximum dose (Dmax) and body Dmax, respectively. The Wilcoxon signed rank presented statistically significant differences between rCT-sCTCBCT and rCT-sCTrCT, where DVH differences for rCT-sCTCBCT were -1.3 [-9.0; 1.4]% and -1.0 [-8.1; 1.4]% in comparison to rCT-sCTrCT with -0.4 [-7.8; 0.9]% and -0.4 [-7.2; 2.0]% for PTV Dmax and body Dmax, respectively.
The corresponding DVH differences between dCBCT and rCT were 1.1 [-1.3; 5.1]% for PTV D98%, and OAR, the differences were -1.9 [-6.8; -0.1]%, -7.2 [-15.2; 1.6]%, -1.7 [-27.1; 7.6]%, -0.7 [-7.4; 4.7]%, and -2.2 [-5.7; 4.3]% for MLD, esophagus Dmean, heart V25Gy, spinal cord Dmax and body Dmax, respectively.

Conclusions: Anatomical disagreement between sCTs and rCT images for lung cancer patients with anatomical changes could cause dose differences of over 2.0%. However, this is not always the case, and therefore this type of patient cohort with anatomical changes undergoing oART must be carefully evaluated on a patient individual level. This finding demonstrates the need for patient and fraction-specific quality assessment, which is unavailable in the current version of Ethos treatment system.
The future solution could potentially be direct dose calculation on CBCT. However, this requires further investigation since no conclusion can be drawn from this study due to rCT and CBCT geometrical differences. The findings in this study suggest that using the oART workflow with the Ethos treatment system for lung cancer patients with anatomical changes is currently not clinically appropriate due to the uncertainties with the resulting sCT used for the oART workflow.

Popular Abstract (Swedish)

Lungcancer har den högsta dödligheten för cancerrelaterade sjukdomar och är vanligare hos kvinnor än hos män. Under 2021 rapporterade cancerfonden att 4264 personer i Sverige hade insjuknat i lungcancer varav 2352 var kvinnor och 1912 var män. De senaste åren har prognosen för lungcancer förbättrats markant, där fler och fler blir långtidsöverlevare. Prognosen har framför allt förbättrats på grund tidig detektion och förbättrade behandlingstekniker. Den främsta orsaken till lungcancer är rökning på grund av cancerframkallande föreningar som finns i tobak.

Tillgängliga behandlingsmetoder är operation, strålbehandling och läkemedel. Strålbehandling är en av de vanligaste behandlingsmetoderna mot cancer, det innebär att en liten mängd stråldos levereras till tumören för att döda cancerceller över en period. Normalt har lungcancerpatienter 30 till 33 fraktioner. Inför strålbehandling ska en del förberedelse göras, det innebär att patient ska genomgå datatomografi även kallad för CT. Datatomografi ger en tredimensionell bild över behandlingsområdet och information hur röntgenstrålning dämpas i kroppen. I sin tur används CT-bilden för att skapa en behandlingsplan och beräkna stråldos till tumör och friska organ. Varje patient får en behandlingsplan skräddarsydd för dem, för att ge den mest optimala behandlingen. Inför varje behandling tas en tvådimensionell röntgenbild som kallas för Cone beam computer tomography (CBCT). CBCT-bilden används för att kunna positionera patienten rätt, med andra ord säkerställs det att tumören träffas av strålningen. Anatomiska förändringar kan detekteras på CBCT-bild och om de har förändrats drastiskt behöver patienten genomgå ett ytterligare CT-undersökning för att skapa en ny behandlingsplan, kallad för re-planning plan. De anatomiska förändringarna förekommer hos lungcancerpatienter och det som kan inträffa är atelektas, pleuravätska, lunginflammation, tumörminskning eller att tumörens position ändras. Beroende på hur patienten och anatomiska förändringar ser ut kan den planerade behandlingsplanen vara bättre eller sämre anpassad till patienten, detta problem kan undvikas med adaptiv strålbehandling.

Adaptiv strålbehandling är en alternativ behandlingsmetod som tar hänsyn till den dagliga anatomin och anpassar dosplanen enligt patients anatomiska utseende. För att kunna utgöra en dosberäkning i den adaptiva strålbehandlingen används syntetisk CT kallad för sCT. sCT skapas från den dagliga CBCT-bild med beräkningsinformation, så kallad Hounsfield Unit (HU) från planering CT. HU ger information hur strålningen dämpas i kroppen. Det finns en oro över hur dessa sCT hanterar stora anatomiska förändringar i adaptiv strålbehandling och hur stor den dosimetriska osäkerheten kan bli. Vid tillfällen där det finns stora anatomiska förändringar hos lungcancerpatienten kan överföring av HU från planering CT till den dagliga CBCT-bild skapa en stor osäkerhet för densitetsmappning på den sCT bild, och det kan leda till avvikande dosberäkning.

Det andra möjliga alternativ för att göra en dosberäkning i en adaptiv plan, är att dosberäkna på CBCT-bild som tas inför varje behandlingstillfälle. Syftet med detta projekt undersöker om dosberäkning på CBCT-bild minskar det dosimetriska osäkerheter i jämförelse med dosberäkning av sCT vid stora anatomiska förändringar för lungcancerpatienter. De sCT bilder ska utvärderas om det erinra med re-planning CT i hänsyn med de stora anatomiska förändringarna.

• author: Vivika, Johansson
• supervisor: Wiviann Ottosson; Patrik Sibolt
• organization: Medical Physics Programme
• course: MSFT02 20232
• year: 2023
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 9147403
• date added to LUP: 2024-01-31 13:33:06
• date last changed: 2024-01-31 13:33:06