Comparison of 2D time-integrated, 3D time-integrated and 2D time-resolved portal dosimetry in detecting patient dose errors in external beam radiotherapy

Detalhes bibliográficos
Autor(a) principal: Brás, Mariana Gomes
Data de Publicação: 2016
Tipo de documento: Dissertação
Idioma: eng
Título da fonte: Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)
Texto Completo: http://hdl.handle.net/10451/26329
Resumo: Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016
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spelling Comparison of 2D time-integrated, 3D time-integrated and 2D time-resolved portal dosimetry in detecting patient dose errors in external beam radiotherapyRadioterapiaAlterações geométricasVMATEPIDDosimetria portalTeses de mestrado - 2016Domínio/Área Científica::Engenharia e Tecnologia::Engenharia MédicaTese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2016Em radioterapia externa com feixes de fotões é essencial que a distribuição de dose planeada seja entregue ao paciente com elevada precisão de modo a garantir a qualidade do tratamento. No entanto, existem certos tipos de erros que podem ocorrer durante as várias fracções de tratamento do paciente e prejudicar assim a qualidade do tratamento. Esses erros podem estar relacionados com o linac (acelerador linear) - posições incorrectas dos colimadores multi-folhas - ou com o paciente - erros de posicionamento do paciente ou alterações geométricas na anatomia do paciente. Os erros de posicionamento do paciente, como é o caso da translação ou rotação do paciente, podem fazer com que o feixe de radiação não atinja o tumor acabando por prejudicar o tecido saudável que se encontra à sua volta. No que diz respeito às alterações geométricas, as mais frequentes no decorrer do tratamento de radioterapia em pacientes com cancro no pulmão são o desvio do tumor, a regressão do tumor e a efusão pleural (excesso de fluido que se acumula na cavidade pleural). Estas alterações geométricas podem resultar numa discrepância entre a distribuição de dose planeada e a distribuição de dose que é realmente entregue ao paciente prejudicando assim a qualidade do tratamento. Deste modo, torna-se fundamental verificar a entrega da distribuição de dose quer antes quer durante o decorrer do tratamento do paciente de forma a detectar estes tipos de erros e garantir assim a qualidade do tratamento. Outro factor que também tem contribuído para uma maior exigência das práticas de verificação de dose durante o tratamento do paciente é o aparecimento de novas técnicas de radioterapia externa mais complexas que envolvem mais graus de liberdade, como é o caso da técnica de VMAT (terapia de arco volumétrico). O aumento da complexidade destas técnicas aumenta também a complexidade do tratamento e leva por isso a uma maior exigência na validação e controlo de qualidade (QA) do tratamento. Existem várias ferramentas de verificação de dose utilizadas em prática clínica para QA do tratamento e para detecção de discrepâncias de dose, como é o caso das câmaras de ionização, dos EPIDs (electronic portal imaging devices), dos filmes radiocrómicos, dos géis de polímeros ou outros detectores. O EPID tem sido o detector mais utilizado actualmente para a verificação de dose antes e durante o tratamento de radioterapia. Este detector obtém a distribuição de dose medida que depois é comparada com a distribuição de dose planeada (prevista). A análise gama é o método quantitativo mais utilizado para comparação de distribuições de dose. Este método utiliza em simultâneo dois critérios, a percentagem de diferença de dose (DD) e a distância de concordância (DTA), para o cálculo do índice gama pixel por pixel ou voxel por voxel. Ao aplicar um critério de aceitação (ex.: 3%, 3 mm), as discrepâncias entre as distribuições de dose de extensão geométrica e magnitude variável podem ser identificadas. Esta tese centra-se em dosimetria portal de transmissão em que o paciente se encontra entre o feixe de radiação e o EPID que mede a distribuição de dose entregue ao paciente. O aparecimento de novas técnicas de radiação mais complexas, como IMRT (radioterapia de intensidade modulada) e VMAT também tem levado ao desenvolvimento de novos métodos de verificação de dose com base em EPID. O método de 2D time-resolved portal dosimetry foi introduzido recentemente para a técnica VMAT. Este método diferencia-se pelo facto de o EPID ler a distribuição de dose para cada segmento (duração compreendida entre dois pontos de controlo consecutivos) do VMAT em vez de ler apenas a distribuição de dose cumulativa (time-integrated portal dosimetry). O principal objectivo desta tese é a comparação do desempenho dos métodos 2D time-integrated, 3D time-integrated e 2D time-resolved portal dosimetry na detecção de discrepâncias de dose em pacientes com cancro no pulmão causadas pela simulação de alterações geométricas na anatomia do paciente. Para tal foram simulados múltiplos desvios do tumor, múltiplas regressões do tumor e múltiplos níveis de efusão pleural (fluido que se acumula na cavidade pleural) em cada CT (Tomografia Computorizada) de planeamento de seis pacientes com cancro no pulmão que foram tratados com VMAT na MAASTRO Clinic. Também se procedeu ao cálculo de imagens de dose portal no CT de planeamento original e em cada CT manipulado (CT com a alteração geométrica já aplicada) recorrendo aos três métodos de dosimetria portal já referidos. De forma a comparar a dose planeada com a dose medida, foram feitas 2D time-integrated, 2D time resolved e 3D time-integrated gamma analyses para cada alteração geométrica simulada e para cada paciente utilizando cinco critérios gama diferentes. Posteriormente, foi investigado o desempenho de cada um destes métodos através da construção de curvas ROC (Receiver Operating Characteristic) e da determinação dos valores da área sob a curva (AUC). Como principais resultados, 3D time-integrated portal dosimetry foi o método que demonstrou o melhor desempenho (AUC = 0.85) na detecção de desvios do tumor e 2D time-resolved portal dosimetry foi o método que revelou o melhor desempenho na detecção de regressões do tumor (AUC = 0.93) e de efusão pleural. Além disso também foi estudada a correlação entre a variação da métrica D95% do DVH (Dose Volume Histogram) calculado para cada paciente e as gamma fail rates obtidas para cada paciente e para cada tipo de alteração geométrica com cada método de dosimetria portal já referido. Esta correlação foi estudada tendo em consideração apenas um paciente, e tendo em consideração os seis pacientes como um grupo. Como resultado verificou-se que existe correlação a nível individual, mas não a nível colectivo. O facto de haver correlação a nível individual é bastante importante pois significa que no futuro será possível obter uma curva de regressão para cada simulação de um paciente e prever qual será a variação da métrica D95% a partir das gamma fail rates medidas e decidir assim quando adaptar o plano de tratamento do paciente em causa. Para além das simulações nos pacientes, também foi realizada uma experiência com um fantoma representativo do tórax humano (CIRS dynamic thorax phantom) com o intuito de replicar os desvios do tumor simulados nos pacientes. Foi feito um conjunto de simulações e medições experimentais seguindo o mesmo protocolo. No que diz respeito às medições experimentais, foi construído um mini-fantoma representativo do tumor (dois cilindros de PMMA - polymethylmethacrylate) com tecido pulmonar à volta (esponja) de forma a possibilitar a colocação de um filme radiocrómico entre os dois cilindros de PMMA. Nesta experiência foi feita uma irradiação com VMAT para cada desvio do tumor (mini-fantoma) aplicado no dynamic thorax phantom e a dose recebida no tumor foi medida em cada irradiação através de dosimetria com filme radiocrómico. Além disso, também foram adquiridas imagens portais do EPID durante cada irradiação. Os resultados deste estudo revelaram que as simulações e medições com o fantoma seguem o mesmo comportamento. O método 2D time-resolved portal dosimetry demonstrou ter capacidade para detectar mais discrepâncias de dose causadas por desvios do tumor do que 2D time-integrated portal dosimetry. Como principal conclusão, 2D time-resolved portal dosimetry demonstrou ser o melhor método na generalidade para detectar discrepâncias de dose causadas por alterações geométricas da anatomia dos pacientes e no fantoma. Este novo método de dosimetria portal foi capaz de identificar discrepâncias de dose que não são reveladas quando se comparam apenas integrated portal dose images.In external photon beam radiotherapy, patient-related errors are common to occur during the treatment course of the patient. These errors, such as tumor regression or tumor shift, may result in discrepancies between the planned and the actually delivered dose distribution to the patient. In this way, it is vital to perform dose verification during the treatment course of the patient to detect these errors and ensure treatment quality. The Electronic Portal Imaging Device (EPID) has been used as a tool for performing both pre-treatment and in-treatment dose verification. Since the introduction of more complex beam delivering techniques, especially Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT), more complex dose verification methods based in EPID dosimetry have also been introduced such as 2D time-integrated portal dosimetry, 3D time-integrated portal dosimetry and, more recently, 2D time-resolved portal dosimetry. The main goal of this project was to compare the performance of 2D time-integrated, 3D time-integrated and 2D time-resolved portal dosimetry in detecting dose discrepancies caused by simulated errors related to the patient’s anatomy. Multiple tumor shifts, tumor regressions and pleural effusion (excess fluid that accumulates in the pleural cavity) levels inside the lung were simulated in the planning CT-scan of six lung cancer patients treated with VMAT at MAASTRO clinic. Portal dose images were calculated in the original and manipulated planning-CT scans with the three portal dosimetry methods. For dose comparison 2D time-integrated, 2D-time resolved and 3D time-integrated gamma analyses were performed for each geometrical change and each patient employing five different gamma criteria. As main results, 3D time-integrated portal dosimetry demonstrated the highest performance (AUC = 0.85) in detecting tumor shifts and 2D time-resolved portal dosimetry revealed the highest performance in detecting tumor regressions (AUC = 0.93) and pleural effusion. A correlation between D95% changes in the DVHs and gamma fail rates was found at individual patient level but not at the patient cohort level. A phantom experiment was done to replicate the tumor shifts simulated in the patients. A set of simulations and measurements were performed following the same protocol. The dynamic thorax phantom was irradiated with VMAT for each tumor shift applied. The dose to the tumor was determined with film dosimetry and EPID images were collected during each irradiation. The results revealed that the phantom simulations and measurements follow the same behavior. The 2D time-resolved portal dosimetry showed to be able to detect more dose discrepancies caused by the tumor shifts than 2D time-integrated portal dosimetry. As main conclusion, 2D time-resolved portal dosimetry was superior in general to 2D and 3D time-integrated portal dosimetry in detecting dose discrepancies caused by geometrical changes within the patients and the phantom. Time-resolved portal dosimetry is able to highlight discrepancies that are not shown when only the integrated portal dose images are compared.Verhaegen, FrankPeralta, Luís Filipe dos Santos Garcia,1961-Repositório da Universidade de LisboaBrás, Mariana Gomes2017-01-30T16:03:06Z201620162016-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/26329TID:201607913enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos)instname:Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãoinstacron:RCAAP2023-11-08T16:16:25Zoai:repositorio.ul.pt:10451/26329Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:43:02.395522Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse
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