Replacing gamma analyses with DVH analyses for individual patient QA
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| Data de Publicação: | 2017 |
| Tipo de documento: | Dissertação |
| Idioma: | eng |
| Título da fonte: | Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) |
| Texto Completo: | http://hdl.handle.net/10451/27643 |
Resumo: | Tese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017 |
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Replacing gamma analyses with DVH analyses for individual patient QAControlo de qualidade em IMRTAnálise gamaAnálise DVHArcCHECKEPIDTeses de mestrado - 2017Domínio/Área Científica::Ciências Médicas::Biotecnologia MédicaTese de mestrado integrado em Engenharia Biomédica e Biofísica, apresentada à Universidade de Lisboa, através da Faculdade de Ciências, 2017O tratamento de Radioterapia pretende atuar contra uma das principais causas de morte mundialmente sentidas, o cancro. Esse tratamento consiste em irradiar o tecido danificado com elevada dose de radiação, de modo a cessar a proliferação das células cancerígenas. O mesmo é realizado com a máxima de tentar proteger o melhor possível o tecido envolvente, de modo a minimizar os efeitos secundários do tratamento no paciente. Ao longo dos últimos anos têm-se verificado inúmeros desenvolvimentos e mudanças na forma como a Radioterapia se procede, devido ao grande crescimento tecnológico ocorrido. Tendo sempre em mente o objetivo de minimizar a dose entregue no tecido saudável, novas técnicas de tratamento foram desenvolvidas, como por exemplo, IMRT (Intensity-Modulated Radiation Therapy) e VMAT (Volumetric-Modulated Arc Therapy), as quais permitem a irradiação mais precisa do tecido cancerígeno, através da sua conformação por parte das folhas, um constituinte integrante do acelerador. Também foram desenvolvidas novas técnicas de imagem que melhoraram tanto os processos de planeamento como o tratamento em si. Com o aparecimento de novos, precisos e eficazes softwares e sistemas, também o planeamento do tratamento mudou. Assim, em resposta às necessidades requeridas pela entrada de novos e complexos modos de tratamento e sistemas utilizados, o processo de controlo de qualidade tornou-se essencial no planeamento do tratamento. Com este processo pretende-se assegurar que o tratamento seja administrado ao paciente da forma mais segura e precisa. O controlo de qualidade em IMRT, e neste caso, específico a cada paciente, consiste numa medição do plano do paciente previamente realizado recorrendo-se aos sistemas de planeamento próprios. Esta medição simula o tratamento e requer sistemas específicos para a sua realização. Posteriormente procede-se a uma comparação do que foi medido com o planeado, de modo a verificar se existem erros no plano e se este pode ser ou não aprovado para o tratamento. Como método de análise da distribuição de dose quer no plano medido quer no planeado, é utilizada a análise gama que combina dois critérios, o de diferença de dose e o de distância, para calcular as diferenças existentes entre a distribuição de dose desses dois planos. No entanto, têm-se verificado alguma incoerências e falta de precisão por parte desse método, questionando-se a sua capacidade para estimar a presença de efeitos negativos clinicamente relevantes e erros no plano de tratamento do paciente. Na Fundação Champalimaud, o processo de controlo de qualidade específico a cada paciente em IMRT é realizado diariamente, utilizando a análise gama como método de avaliação da distribuição de dose e o ArcCHECK, desenvolvido pela Sun Nuclear Corporation, como sistema de medição de dose. Este estudo foi efetuado de modo a melhorar o processo de controlo de qualidade realizado na Fundação Champalimaud. Esse consistiu no teste de um software, 3DVH, também desenvolvido pela Sun Nuclear Corporation, que permite avaliar a distribuição de dose recorrendo à análise com DVH, Dose Volume Histogram, o método promissor e que pretende substituir a análise gama no processo de controlo de qualidade. DVH consiste num gráfico que relaciona a dose entregue por volume (em percentagem) de cada estrutura analisada. Para cumprir o principal objetivo deste estudo, foram feitos dois testes: um com campos quadrados abertos, e o segundo com planos de tratamento de pacientes. Seis planos de pacientes foram usados, cinco de cancro da mama e um de cancro da próstata. Todos os planos foram calculados no sistema de planeamento, Mónaco. Em ambos os testes foram usados planos com erros, ou seja, foram introduzidos erros nas folhas e nas unidades monitor (uma medida de calibração do acelerador associada à dose). Os primeiros alteram a posição das folhas, abrindo ou fechando as mesmas, tendo em conta o erro introduzido. Já os segundos erros alteram a quantidade de unidades monitor entregues no tratamento, reduzindo ou aumentando o seu número, tendo também em conta o erro introduzido. Relativamente aos erros nas folhas, foram introduzidos erros sistemáticos e aleatórios. Os primeiros consistem na mudança sistemática e simétrica da posição das folhas, ou seja, todas fecham ou todas abrem. Nos erros aleatórios as folham movem-se aleatoriamente, não se sabendo a priori que posição essas podem tomar. Foram introduzidos erros sistemáticos de ±0.5, ±1, ±2 e ±3 mm e erros aleatórios com desvio padrão de 1, 2, 3, 4 e 5 mm. Relativamente aos erros nas unidades monitor, foram introduzidos erros sistemáticos de ±2 e ±4%. De modo a perceber se os softwares estão a efetuar as análises de uma forma precisa e se os sistemas de medição estão a adquirir dose de uma forma eficaz, foram realizadas predições para ambos os testes. No teste com campos quadrados abertos, ou seja, com planos mais simples, foi possível realizar as predições tanto para os dados dos erros nas folhas como para os dados dos erros nas unidades monitor. Enquanto que, para o teste com planos de pacientes apenas foram feitas predições para os dados dos erros nas unidades monitor, pois estes planos são mais complexos na forma como o plano é irradiado. As medições de todos os planos com e sem erros foram efetuadas recorrendo-se ao acelerador Synergy, da Elekta, e aos sistemas de aquisição de informação dosimétrica, ArcCHECK e EPID (Electronic Portal Imaging Device). Utilizou-se o ArcCHECK, pois é o sistema utilizado na fundação e o que fornece os dados de medição compatíveis e necessários para realizar a análise em 3DVH. No caso do EPID, este, nós últimos anos, tem mostrado grandes capacidades dosimétricas e muitas vantagens por ser um sistema fisicamente ligado ao acelerador e já integrante no processo de controlo de qualidade em alguns institutos. Na fundação encontra-se em investigação, na tentativa de ser implementado, por isso também entrou para este estudo, de modo a ser comparado com o ArcCHECK. As análises gama e com DVH foram feitas recorrendo-se aos específicos softwares de cada sistema de medição, PreDose, pdapp e pdDVH que usam os dados provenientes das medições com EPID e SNC e 3DVH que usam os dados provenientes das medições com ArcCHECK. Os resultados relativos aos testes feitos com campos quadrados abertos mostraram que os sistemas foram capazes de detetar a presença dos erros nas unidades monitor tanto através da análise gama, como da análise usando DVH. No caso da deteção dos erros nas folhas, o 3DVH mostrou reduzidas capacidades para o fazer, ao contrário dos softwares de análise respectivos ao EPID, tanto para a análise gama como para a análise usando DVH. Foram observadas algumas faltas de correlação entre a análise gama e a análise com DVH. Percebeu-se ainda que os erros maiores causam também maiores perturbações, neste caso, menores gamma passing rate, parâmetro de análise calculado pela análise gama, maiores desvios entre os DVHs de referência e os de medição e maiores valores de diferença de dose média. Pelas análises dos DVHs também se conseguiu perceber com maior clareza em que estruturas os efeitos eram mais evidentes e que os erros negativos causavam uma redução da dose entregue ao paciente e os positivos um aumento dessa mesma dose. No caso dos resultados obtidos a partir dos testes com planos de pacientes, esses também mostraram algumas faltas de correlação entre a análise gama e a análise com DVH. Nestes testes a análise com DVH apenas foi realizada com o 3DVH, pois não foi possível realizar medições com erros em planos de pacientes. Nestes testes o 3DVH mostrou-se bastante eficaz em ambas as análises, destacando-se principalmente na análise com DVH, pois fornece bastante informação relativa à distribuição de dose no paciente. No entanto, devido aos resultados menos bons na deteção de erros nas folhas, as suas análises podem não ser as mais seguras. No caso na detecção de erros nas unidades monitor, tal como no teste dos campos quadrados, o 3DVH conseguiu detetar os erros em aproximadamente todos os planos analisados. Em suma, o 3DVH parece ser uma boa opção a implementar no processo de controlo de qualidade da Fundação Champalimaud, tendo em conta que é um software compatível com o sistema de medição usado, essencialmente para efetuar a análise com DVH, a qual mostrou ser clinicamente mais eficiente e relevante do que a análise gama. No entanto, o 3DVH necessita de algumas melhorias. As faltas de correlação visíveis entre a análise com DVH e a análise gama mostram que este último método pode esconder erros relevantes, enquanto o tratamento é aprovado pelo mesmo. Como mencionado anteriormente, a análise com DVH, principalmente no 3DVH, fornece muita informação relevante e permite ter uma melhor noção das zonas afectadas pelos erros e com que intensidade estas são perturbadas, analisando valores específicos de dose, como por exemplo, a dose máxima, a dose média, a dose que afetou 95% do volume, entre outros. Pretende-se ainda perceber quais são os melhores valores de restrição de dose a analisar. O EPID também se mostrou muito eficiente e eficaz na deteção dos erros, e quando este for clinicamente aceite, poderá ser a melhor opção para realizar a controlo de qualidade especifica a cada paciente em IMRT, tendo em conta a sua geometria (está acoplado ao acelerador) e resolução.In the last years, great developments in radiotherapy took place both in technology and in treatment techniques. An example of this is the Intensity-Modulated Radiation Therapy (IMRT), whose emergence changed the way treatment planning is performed. As a consequence, patient-specific quality assurance (QA) became essential in the treatment planning. This makes sure that the treatment is carried out as planned and it assures the quality of the treatment and safety of the patient. The QA consists in comparing the planned and measured dose distributions. Gamma analysis is the most common mathematical method used for dose comparison. It compares two dose distributions, reference dose and evaluated dose, by combining dose and distance criteria. However, gamma analysis has demonstrated incoherencies, poor accuracy in estimating the errors and poor correlation with clinically relevant dose deviations. This study was performed in order to improve the patient-specific QA process carried out in Champalimaud Foundation. It consisted in testing a new software, 3DVH, that uses an alternative, Dose Volume Histogram (DVH) analysis to compare measured and planned doses. This method intends to replace the gamma analysis in QA. To this end, two tests were performed, the first with open square fields plans and the second with patient plans. In both tests, MLC and MU errors were introduced in the plans, changing the leaves positions and the monitor units quantity used for the treatment, respectively. The measurements were carried out with the The ArcCHECK and the Electronic Portal Imaging Device (EPID) to measure the dose distribution. ArcCHECK is the device used in Champalimaud Foundation for QA measurements, and the EPID is the device that has been demonstrating accurate dosimetric capabilities and is currently in research in Champalimaud Foundation. The analysis was made using specific software: PreDose, pdapp and pdDVH for the EPID data, and commercial SNC and 3DVH for the ArcCHECK data. Thus, the reference and the measured dose distributions were compared using both gamma analysis and DVH analysis, and the results were compared with predictions previously calculated, in order to verify if there is a correlation between both methods and to test the accuracy of the systems to detect the errors. In the square fields test, unlike 3DVH, EPID showed more sensitivity to estimate the effects of the MLC errors in the plans, mainly in the DVH analysis. All the systems detected the presence of the MU errors in the gamma and in the DVH analysis. Lack of correlation was observed between the gamma analysis and the DVH analysis, i.e. the gamma analysis can provide wrong results and hide relevant errors, while the treatment is approved. On the other hand, the DVH analysis provides more and clinically relevant information about the effect of the errors in the structures. In the patient plans, the DVH analysis was just performed by the 3DVH and it showed significant accuracy in its performance for detecting MU errors. For MLC errors, its results are not very reliable, due to the lesser results obtained in the square fields test. All the systems detected the presence of the errors in the gamma analysis. However, a lack of correlation between the DVH analysis and gamma analysis was also observed. This study proved that the gamma analysis is a limited method, with incoherencies and that it is not a good method to estimate effects of the errors. On the other hand, the DVH analysis showed accuracy and efficiency in dose distribution evaluation, providing general (of all treatment) and individual (of each structure) clinically relevant information. Thus, 3DVH is a good system to be implemented for the DVH analysis. However, should EPID be clinically accepted, it is the best option, taking into account its geometry, performance and resolution.Peralta, Luís Filipe dos Santos Garcia,1961-Stroom, JoepRepositório da Universidade de LisboaBoita, Joana Maria dos Santos2017-05-09T15:29:14Z201720172017-01-01T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/10451/27643TID:201684802enginfo: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:RCAAP2023-11-08T16:18:46Zoai:repositorio.ul.pt:10451/27643Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireopendoar:71602024-03-19T21:44:02.052776Repositório Científico de Acesso Aberto de Portugal (Repositórios Cientìficos) - Agência para a Sociedade do Conhecimento (UMIC) - FCT - Sociedade da Informaçãofalse |
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