Optimization of proton pencil beam scanning technique for moving targets

Abstract

Radioterapia protonowa, jedna z najbardziej precyzyjnych i unikatowych form radioterapii, jest jednocześnie jedną z najbardziej dynamicznie rozwijających się technik na przestrzeni ostatnich lat, również w Polsce. Poniższa praca doktorska jest dedykowana wyłącznie radioterapii protonowej tzw. poruszających się narządów, których położenie może się zmieniać w czasie seansu terapeutycznego, co czyni ją jedną z najbardziej złożonych zagadnień w radioterapii w ogólności. Dzięki znacznemu zyskowi terapeutycznemu, obserwowanemu przy wykorzystaniu wiązek protonowych oraz pomimo wielu technicznych wyzwań, leczenie wskazań takich jak, np. rak piersi lub rak płuca, zostało klinicznie zaimplementowane w wielu ośrodkach na całym świecie. Implementację musi jednak poprzedzać szczegółowa i dogłębna analiza zysków, weryfikacja możliwości danego systemu oraz zasadność użycia techniki w konkretnych przypadkach. Zaprezentowane w poniższej rozprawie badania mogą stanowić podstawę dla przyszłych protokołów klinicznych wykorzystywanych w leczeniu poruszających się narządów w Centrum Cyklotronowym Bronowice (CCB) IFJ PAN w Krakowie. W celu oszacowania zasadności wykorzystania wiązki protonowej w leczeniu raka piersi przeprowadzone zostało retrospektywne porównanie z powszechnie dostępną techniką fotonową, a także efektywność dodatkowego wykorzystania tzw. techniki wstrzymanego oddechu w radioterapii protonowej. Rozpoczęcie tego etapu zostało poprzedzone pomiarem oraz wprowadzeniem w CCB IFJ PAN nowej krzywej kalibracji tomografu komputerowego użytego do zebrania danych obrazowych. Wyniki wskazują, iż radioterapia protonowa umożliwia znaczną minimalizację dawek na narządy krytyczne, w tym serce i lewą tętnicę wieńcową zstępującą, co w przyszłości może się przekładać na mniejsze ryzyko wystąpienia późnych powikłań. Ponadto, wykonana optymalizacja oraz weryfikacja wpływu różnych układów wiązek w radioterapii protonowej raka piersi, zarówno dla tomografii wykonanych na swobodnym, jak i wstrzymanym oddechu, pozwoliła na oszacowanie ich wpływu na jakość planu terapeutycznego. Dostępne w CCB IFJ PAN narzędzia wspomagające, m.in. obrazowanie, czy dozymetrię, tj. fantom oddechowy CIRS Dynamic Thorax Phantom, platforma oddechowa CIRS Dynamic Platform, czy system bramkowania oddechowego VisionRT, zostały wykorzystane w celu oszacowania możliwości ośrodka CCB IFJ PAN pod kątem leczenia raka płuca. Prezentowane prace obejmowały wykonanie tomografii 4D, planowanie oraz testy dozymetryczne na stanowisku gantry. Dwa algorytmy do optymalizacji dawki, dostępne w systemie planowania leczenia Varian Eclipse, zostały zweryfikowane pod kątem możliwości ich użycia w tym konkretnym przypadku (Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Ponadto, wprowadzono i zwalidowano tzw. technikę repaintigu, tj. wielokrotnego przemiatania warstw energetycznych planu terapii oraz oszacowano wpływ efektu interplay, wynikającego z nałożenia się struktur czasowych ruchu guza oraz wiązki protonowej, na zaplanowany rozkład dawki podczas testów dozymetrycznych dla dwóch krzywych oddechowych z wykorzystaniem fantomu oddechowego.

Proton pencil beam scanning radiotherapy, a precise and unique radiotherapy modality, has been dynamically developed worldwide over recent years. It is worth emphasizing that, also in Poland, this sophisticated technology has been evolving since the first treatments of deep situated tumors at Cyclotron Centre Bronowice (CCB) IFJ PAN in 2016. This dissertation is dedicated specifically to the proton radiotherapy of the so-called moving targets, whose position might change over treatment, making it one of the most complex topics in the radiotherapy world. Nevertheless, despite many technical challenges and difficulties, the treatments of indications such as, e.g., breast or lung cancer, have been clinically implemented in many facilities worldwide due to the significant dosimetric gain available to achieve with proton beams. However, the clinical implementation of treatment procedures has to be preceded by a thorough analysis of potential benefits, verification of the system's abilities and suitability to be used in specific cases. Therefore, the work presented in this dissertation might be an initial basis for creating future treatment protocols for moving target treatments at CCB IFJ PAN in Krakow, Poland. In order to estimate the validity of using proton beams in breast cancer treatments, a comparative and retrospective study with the commonly used photon modality and the effectiveness of using breath hold technique in combination with protons had been conducted. The planning study followed the implementation of a dedicated CT calibration curve at CCB IFJ PAN for the scanner used in data collection. The results showed that proton radiotherapy might enable further and significant reduction of the unwanted dose to critical organs, such as, e.g. heart or left anterior descending artery, thus decreasing the risk of possible late toxicity effects. Moreover, a study optimizing and verifying the significance of beam angle selection in proton radiotherapy of breast cancer was also conducted, to create a basis for future treatment protocols. The study used five beam arrangements, applied in free and breath hold anatomies. It verified their impact and each beam's selection vulnerability on resulting plan quality and robustness. Several activities were undertaken to verify the possibilities of conducting lung cancer treatments with proton beams at CCB IFJ PAN. Available in the facility, radiotherapy tools, such as, e.g. CIRS Dynamic Thorax Phantom, CIRS Dynamic Platform or VisionRT system, were employed in the study. The presented works were divided into 4D imaging, treatment planning and dosimetry of lung cancer, simulated by a breathing phantom. Two optimization algorithms of the Varian Eclipse Treatment Planning System (TPS) were used to assess each algorithm’s dosimetric differences and effectiveness in lung cancer treatment planning Varian Medical Systems, Palo Alto, California). Moreover, the implementation and validation of the so-called repainting modality, used to minimize the interplay effect during scanned beam delivery, was also conducted, and obtained results showed high beam parameters reproducibility. Measurements performed at the gantry room, with a dedicated detector and dynamic platform, enabled to assess the impact of interplay effect on a treatment plan quality and verified the ability of repainted delivery on the dose distributions improvement in two selected motion scenarios.