Comparison of Dosimetric Quality Assurance Methods for Stereotactic Treatment Plans

Abstract

Radiation therapy is an important cancer treatment method. Radiation therapy techniques have advanced rapidly during last decades. Implementation of intensity modulated treatments with modern image guidance has enabled conformal dose distributions and high geometrical accuracy. Stereotactic radiation therapies are high precision treatments with high radiation doses for small targets. The accuracy requirements are highlighted in stereotactic treatments and quality assurance of treatment plans is an important procedure. The aim of this thesis was to quantitatively compare the performance of different commercial quality assurance systems for quality assurance (QA) of stereotactic treatment plans with volumetric modulated arc therapy technique using flattening filter free (FFF) beams (6 MV FFF or 10 MV FFF). 48 clinical treatment plans (20 brain, 19 lung and 9 prostate tumors) were verified using a portal dosimetry system and a 2D array detector. The portal dosimetry measurements were acquired with Varian aS1200 electronic portal imaging device. The 2D array detector was IBA I’mRT MatriXX Evolution. Gamma index analysis was performed with gamma criteria of 3% dose difference and 3 mm distance to agreement (3%/3 mm), 2%/2 mm, 1%/1 mm and 3%/1 mm. Average percentual dose difference was also evaluated from portal dosimetry measurements. Energy dependency was investigated comparing results from treatment plans with 6 MV FFF and 10 MV FFF beams. Effect of analysis threshold was examined with threshold values of 5% and 60% from the maximum dose. Portal dosimetry for treatment plans with 6 MV FFF beams was carried out with two different portal dose prediction algorithms (Varian Portal Dose Image Prediction PDIP and Anisotropic Analytical Algorithm AAA). The results show that as the target volume increases, the gamma passing rates increase in portal dosimetry measurements for brain and lung tumors. I’mRT MatriXX Evolution measurement results show significant target volume dependency, gamma passing rates increasing as the volume increases in all the target site groups. PDIP and I’mRT Matrixx Evolution measurement results show energy dependency (6 MV FFF vs. 10 MV FFF). PDIP measurements result in higher gamma passing rates for treatment plans with 6 MV FFF than 10 MV FFF. I’mRT MatriXX Evolution measurements result in higher gamma passing rates with 10 MV FFF than 6 MV FFF. The analysis threshold value affects the results in varying amount depending on the measurement setup, indicating the importance of preselected threshold in QA protocols. Portal dosimetry measurements with PDIP-algorithm result in higher gamma passing rates than measurements with AAA-algorithm. Comparison of portal dosimetry with both algorithm and array detector measurements with I’mRT MatriXX Evolution show that the measurement method has a significant effect on measurement results. The gamma passing rates decrease and the deviations increase from PDIP to AAA and AAA to I’mRT MatriXX Evolution. PDIP results correlate with AAA results, but I’mRT MatriXX Evolution results do not correlate with portal dosimetry results. In conclusion, the QA results of stereotactic treatment plans are dependent on the measurement system, beam energy, target volume and analysis parameters. The QA results obtained with different measurement systems cannot be compared directly. This thesis gives quantitative information for Varian portal dosimetry and IBA I’mRT MatriXX Evolution -array detector.

Sädehoito on tärkeä syövän hoitomuoto. Sädehoitotekniikat ovat kehittyneet nopeasti viimeisten vuosikymmenien aikana. Intensiteetti muokatun sädehoidon käyttöönotto yhdessä nykyaikaisten kuvantaohjaustekniikoiden kanssa ovat mahdollistaneet konformaaliset annosjakaumat sekä korkean geometrisen tarkkuuden. Stereotaktiset sädehoidot ovat korkean tarkkuuden hoitoja suurilla sädeannoksilla pieniin kohteisiin. Tarkkuusvaatimukset korostuvat stereotaktisissa hoidoissa ja potilassuunnitelmien laadunvarmistus on tärkeä työvaihe. Tämän tutkimuksen tarkoitus oli verrata kvantitatiivisesti eri kaupallisten mittalaitteiden suorituskykyä stereotaktisten potilassuunnitelmien laadunvarmistuksessa. Potilassuunnitelmat on toteutettu kaarihoitotekniikalla hyödyntäen tasoittamattomia säteilykeiloja (6 MV FFF ja 10MV FFF). 48 kliinistä potilassuunnitelmaa (20 aivokasvainta, 19 keuhkokasvainta ja 9 eturauhasen kasvainta) verifioitiin käyttämällä portaalidosimetriaa sekä 2D tasoilmaisinta. Portaalidosimetria toteutettiin Varianin aS1200-ilmaisimella ja tasoilmaisimena käytettiin IBA:n I’mRT MatriXX Evolution –tasoilmaisinta. Gamma indeksi analyysi toteutettiin gamma kriteereillä 3% annosero ja 3 mm etäisyys ero (3%/3 mm), 2%/2 mm, 1%/1 mm and 3%/1 mm. Portaalidosimetriatuloksista määritettiin myös keskimääräinen prosentuaalinen annosero. Energian vaikutusta tutkittiin vertaamalla tuloksia suunnitelmista jotka on toteutettu energioilla 6 MV FFF tai 10 MV FFF. Analyysikynnyksen vaikutusta tutkittiin vertaamalla kahdella eri kynnyksellä (5% ja 60%) saatuja tuloksia. 6 MV FFF-energialla toteutetut potilassuunnitelmat lasketettiin kahdella eri portaalidosimetria algoritmilla, Varianin Portal Dose Image Prediction (PDIP)-algoritmilla, sekä Anisotropic Analytical (AAA)-algoritmilla. Portaalidosimetriatulokset osoittavat, että kohteen kasvaessa, gamma-analyysin hyväksymisprosentit kasvavat aivo- ja keuhkokasvainten osalta. I’mRT MatiXX Evolution – ilmaisimella gamma-analyysin hyväksymisprosentit kasvavat ja hajonta pienenee kaikkien kasvainryhmien välillä kun kohteen koko kasvaa. Energiariippuvuus osoitettiin sekä PDIP-portaalidosimetrialla, että I’mRT Matrixx Evolution –mittauksissa. Portaalidosimetrialla gamma-analyysin hyväksymisprosentit huononevat kun käytetään 10 MV FFF-energiaa, verrattuna 6MV FFF-energiaan. I’mRT MatriXX Evolution –tasoilmaisimella hyväksymisprosentit kasvavat kun käytetään 10 MV FFF-energiaa. Analyysikynnys vaikuttaa tuloksiin vaihtelevalla tavalla riippuen mittausasetelmasta, osoittaen etukäteen valitun analyysikynnyksen tärkeyttä laadunvarmistusprotokollassa. Portaalidosimetria PDIP-algoritmilla antaa korkeampia hyväksymisprosentteja kuin AAA-algoritmilla. Kun portaalidosimetriaa verrataan tasoilmaisimeen, havaitaan että mittausmenetelmä vaikuttaa tuloksiin merkitsevästi. AAA-algoritmilla saadut hyväksymisprosentit ovat huonompia kuin PDIP-algoritmilla saadut ja tasoilmaisimella saadut hyväksymisprosentit ovat edelleen huonompia ja hajonta suurempaa kuin AAA-algoritmilla. Portaalidosimetriatulokset eri algoritmeilla korreloivat keskenään, mutta tasoilmaisimella saadut tulokset eivät korreloi portaalidosimetriatulosten kanssa. Yhteenvetona voidaan todeta, että stereotaktisten potilassuunnitelmien laadunvalvontatulokset riippuvat mittaussysteemistä, käytetystä energiasta, kohteen koosta sekä analyysiparametreista. Eri mittalaitteilla saatuja mittaustuloksia ei voida suoraan verrata toisiinsa. Tämä työ antaa kvantitatiivista informaatiota Varianin portaalidosimetriasta sekä IBAn I’mRT Matrixx EVolution –tasoilmaisimesta.