Rotational and Inter-Isocentre Setup Errors in External Beam Radiotherapy

Abstract

Sädehoidossa tuhotaan pahanlaatuista kudosta korkeaenergisellä ionisoivalla säteilyllä. Säteily voi myös vahingoittaa kasvaimen lähellä olevia elimiä. Huolellisella optimoinnilla maksimoidaan kasvaimen saama annos ja minimoidaan riskielinten annos. Sädehoidon annossuunnittelu perustuu yleensä tietokonetomografiakuvaan. Hoito annetaan yleensä useassa fraktiossa usean viikon aikana. Potilaan asennon tarkka toistettavuus päivittäisten hoitokertojen ja suunnittelukuvan välillä on tärkeää, koska asetteluvirheet voivat johtaa epäoptimaaliseen hoitokohteen annosjakaumaan ja kasvattaa tervekudosten saamaa annosta, mikä saattaa heikentää hoidon tehoa ja lisätä haittavaikutuksia. Asetteluvirheitä voidaan monitoroida asettelukuvauksilla hoitoa ennen ja sen aikana.

Tämän väitöskirjatutkimuksen tarkoitus oli kehittää tekniikoita asetteluvirheiden ja niiden annosvaikutusten vähentämiseen ulkoisessa fotonisädehoidossa. Tutkimus keskittyi rotaatiovirheiden korjaamiseen rinnan ja lantion alueen sädehoidoissa sekä isosentrien välisten asetteluvirheiden korjaamiseen kraniospinaalisädehoidossa. Tutkimus toteutettiin retrospektiivisesti.

Ensimmäisessä osatyössä simuloitiin systemaattisten rotaatiovirheiden vaikutusta vasemman rinnan sädehoidossa kiertämällä 20 potilaan annossuunnittelukuvia 1°−3° ja uudelleenlaskemalla annosjakauma kierretyissä kuvissa. Tutkimuksessa analysoitiin field-in-field- ja kaarimodulointitekniikoilla toteutettujen suunnitelmien annosjakaumia. Kiertojen vaikutus kliinisen kohdetilavuuden annosjakaumaan oli merkityksetön, kun käytettiin 5 mm marginaalia suunnittelukohdetilavuuteen. Jopa 1° rotaatiovirheet aiheuttivat kuitenkin yli 1 Gy mediaanikasvun sydämen ja vasemman sepelvaltimon laskevan haaran maksimiannoksiin. Sen takia tutkimuksessa suositeltiin rotaatiovirheiden korjaamista hoitopöytää kallistamalla.

Hoitopöydän kallistukset voivat aiheuttaa sekundääristä potilaan liikettä, joka voidaan havaita tarkistuskartiokeilatomografiakuvauksella. Toisessa osatyössä määritettiin korrelaatio pöydän kallistusten ja tarkistuskartiokeilatomografiakuvauksessa havaittujen jäännösvirheiden välillä 22 lantion alueen sädehoitopotilaan hoidoissa. Lisäksi analysoitiin pintatunnistustekniikan tarkkuutta sekundäärisen liikkeen havaitsemisessa. Pöydän kallistus sivuttaisakselin ympäri aiheutti keskimäärin 0.7 mm/1° sekundäärisen liikkeen pituussuunnassa, ja kallistus pitkittäisakselin ympäri keskimäärin −1.3 mm/1° liikkeen sivuttaissuunnassa. Pintatunnistustekniikka havaitsi sekundäärisen liikkeen riittävällä tarkkuudella. Pintatunnistustekniikan käyttö voisi vähentää tarkistuskartiokeilatomografiakuvauksiin liittyvää säteilyannosta ja työmäärää. Kraniospinaalihoidossa eli koko aivojen ja selkäytimen sädehoidossa koko hoitokohteen kattamiseksi tarvitaan kaksi tai kolme osa-annossuunnitelmaa, joiden isosentrit sijaitsevat eri kohdissa pituussuunnassa. Potilaan asennon vaihtelun takia anatominen isosentrietäisyys poikkeaa usein annossuunnitelmasta. Kolmas osatyö selvitti, voitaisiinko isosentrietäisyys sopeuttaa potilaan asentoon matalan annosgradientin kaarimoduloitua sädehoitotekniikkaa käytettäessä. Fraktiokohtaiset pituussuunnan isosentrien väliset asetteluvirheet määritettiin 12 kraniospinaalisädehoitopotilaan päivittäisistä asettelukuvista. Isosentrietäisyyden sopeuttamisen annosvaikutusta simuloitiin siirtämällä osa-annossuunnitelmia isosentrien välisen asetteluvirheen verran. Koko hoitojakson annosjakauma määritettiin laskemalla fraktiokohtaiset annos- jakaumat yhteen. Muutokset osa-annossuunnitelmien saumakohdan lähes-maksimi- ja lähes-minimiannoksissa olivat alle 5 prosenttiyksikköä kaikilla potilailla, joilla keskimääräinen isosentrien välinen virhe oli korkeintaan 3 mm koko hoitojakson aikana. Tulosten mukaan isosentrietäisyyden sopeuttaminen voi olla järkevää, kun käytetään matalan annosgradientin annossuunnittelutekniikkaa, kunhan systemaattinen isosentrien välinen virhe on korkeintaan 3 mm.

Neljäs osatyö määritti selkärangan pituuden vuorokausivaihtelun suuruutta 13 kraniospinaalisädehoitopotilaan asettelukuvista, jotka oli otettu eri kellonaikoina. Etäisyys kallonpohjan ja kolmannen lannenikaman välillä lyheni keskimäärin 0.8 mm tunnissa. Tämä johtuu siitä, että painovoima painaa nikamavälilevyjä kasaan pystyasennossa. Hoitokertojen aikatauluttaminen alle kahden tunnin päähän annossuunnittelukuvauksen kellonajasta voi merkittävästi vähentää isosentrien välisiä asetteluvirheitä.

Radiotherapy utilises high-energy ionising radiation to destroy malignant tissue. The radiation may also damage the organs located close to the tumour. Careful optimisation is required to maximise the tumour dose and minimise the dose to organs-at-risk. Radiotherapy treatment planning is in most cases based on a computed tomography image. The treatment is usually delivered in several fractions over the course of weeks. Reproducing the patient position accurately between the planning image acquisition and daily treatment fractions is important, because setup errors may lead to suboptimal target dose distribution and increased doses to healthy tissue, potentially reducing the treatment effectiveness and increasing side effects. Setup imaging is used to monitor the setup errors before and during treatment delivery.

This research aimed to develop methods to minimise setup errors and their dosimetric effects in photon external beam radiotherapy. The focus was on correction of rotational setup errors in breast and pelvic radiotherapy, and inter-isocentre setup errors in craniospinal irradiation. The research was conducted retrospectively.

In Study I, the effect of systematic rotational setup errors in left-sided breast radiotherapy was simulated by rotating the planning computed tomography images of 20 patients by 1° − 3° and recalculating the dose distribution in the rotated im- ages. Dose distributions from field-in-field and volumetric modulated arc therapy plans were analysed. The rotations had a negligible effect on the dose distribution to the clinical target volume when a 5 mm planning target volume margin was used. However, even 1° rotational setup errors caused more than 1 Gy median increase in the maximum doses to the heart and left anterior descending artery. Thus, correction of rotational setup errors using a robotic six-degrees-of-freedom couch was recommended.

The robotic couch tilts may induce secondary patient motion, which can be detected by verification cone-beam computed tomography imaging. In Study II, the correlation between couch tilts and residual setup errors observed in the verification cone-beam computed tomography images was quantified in 22 pelvic radiotherapy patients. In addition, the accuracy of surface imaging in detecting the secondary motion was analysed. Couch tilts in pitch and roll directions caused average patient shifts of 0.7 mm/1° and −1.3 mm/1° in longitudinal and lateral directions, respectively. Surface imaging was sufficiently accurate in detecting the secondary motion. Surface imaging could reduce the radiation dose and workload associated with verification cone-beam computed tomography imaging.

In craniospinal irradiation, radiotherapy of the whole brain and spinal cord, two or three partial treatment plans with different isocentre locations along the cranio- caudal direction are required to cover the long treatment volume. It is common that the anatomical inter-isocentre distance deviates from the treatment plan due to deformative changes in patient posture. Study III investigated the feasibility of adapting the isocentre distance to the daily patient position when using a partial-arc volumetric modulated arc therapy technique with low dose gradient field junctions. The fraction-specific craniocaudal inter-isocentre setup errors were determined from the daily setup images of 12 craniospinal irradiation patients. The dosimetric effect of adapting the isocentre distance was simulated by shifting the partial plans by the magnitude of the inter-isocentre setup error. The fraction-specific doses were accumulated to a cumulative dose distribution. The cumulative deviation in the near- maximum and near-minimum junction region doses was less than 5 percentage point in all patients with a mean inter-isocentre setup error less than or equal to 3 mm. The results indicate that adapting the isocentre distance according to the patient position can be a feasible approach when using a low-dose gradient technique, given that the systematic inter-isocentre setup error is less than or equal to 3 mm.

Study IV quantified the diurnal variation in spinal length in the setup images of 13 craniospinal irradiation patients acquired at different times of day. The average decrease in the distance between the base of skull and the third lumbar vertebra was 0.8 mm/hour. This is explained by the compression of the intervertebral discs by gravity in upright position. Scheduling the treatment fractions within two hours of the time of the day of the treatment planning imaging session can reduce the inter-isocentre setup deviations in a statistically significant way.