Towards accurate dose accumulation for Step-&-Shoot IMRT: Impact of weighting schemes and temporal image resolution on the estimation of dosimetric motion effects

PurposeBreathing-induced motion effects on dose distributions in radiotherapy can be analyzed using 4D CT image sequences and registration-based dose accumulation techniques. Often simplifying assumptions are made during accumulation. In this paper, we study the dosimetric impact of two aspects which may be especially critical for IMRT treatment: the weighting scheme for the dose contributions of IMRT segments at different breathing phases and the temporal resolution of 4D CT images applied for dose accumulation.MethodsBased on a continuous problem formulation a patient- and plan-specific scheme for weighting segment dose contributions at different breathing phases is derived for use in step-&-shoot IMRT dose accumulation. Using 4D CT data sets and treatment plans for 5 lung tumor patients, dosimetric motion effects as estimated by the derived scheme are compared to effects resulting from a common equal weighting approach. Effects of reducing the temporal image resolution are evaluated for the same patients and both weighting schemes.ResultsThe equal weighting approach underestimates dosimetric motion effects when considering single treatment fractions. Especially interplay effects (relative misplacement of segments due to respiratory tumor motion) for IMRT segments with only a few monitor units are insufficiently represented (local point differences >25% of the prescribed dose for larger tumor motion). The effects, however, tend to be averaged out over the entire treatment course. Regarding temporal image resolution, estimated motion effects in terms of measures of the CTV dose coverage are barely affected (in comparison to the full resolution) when using only half of the original resolution and equal weighting. In contrast, occurence and impact of interplay effects are poorly captured for some cases (large tumor motion, undersized PTV margin) for a resolution of 10/14 phases and the more accurate patient- and plan-specific dose accumulation scheme.ConclusionsRadiobiological consequences of reported single fraction local point differences >25% of the prescribed dose are widely unclear and should be subject to future investigation. Meanwhile, if aiming at accurate and reliable estimation of dosimetric motion effects, precise weighting schemes such as the presented patient- and plan-specific scheme for step-&-shoot IMRT and full available temporal 4D CT image resolution should be applied for IMRT dose accumulation.

ZusammenfassungMotivationDosimetrische Effekte atmungsbedingter Bewegungen während der Strahlentherapie können anhand von 4D-CT-Bilddaten und Verfahren zur registrierungsbasierten Dosisakkumulation abgeschätzt werden. Während der Dosisakkumulation finden jedoch häufig vereinfachende Annahmen Anwendung. In diesem Artikel werden die dosimetrischen Auswirkungen zweier Aspekte untersucht, die insbesondere im Kontext der IMRT von Bedeutung sind: der Ansatz zur Gewichtung der Dosisbeiträge der IMRT-Segmente zu unterschiedlichen Atemphasen und die zeitliche Auflösung der zur Dosisakkumulation eingesetzten 4D-CT-Datensätze.MethodikAusgehend von einer kontinuierlichen Problemformulierung wird zur Dosisakkumulation in der Step-&-Shoot-IMRT ein patienten- und planspezifisches Schema zur Wichtung der Segmentdosisbeiträge zu unterschiedlichen Atemphasen hergeleitet. Dosimetrische Bewegungseffekte, die sich durch Anwendung des Schemas ergeben, werden anhand von 4D-CT-Daten und Bestrahlungsplänen von 5 Lungentumorpatienten mit Effekten verglichen, die bei Verwendung eines gebräuchlichen Gleichgewichtungsschemas berechnet werden. Die Auswirkungen einer Reduktion der zeitlichen Auflösung der Bilddaten werden anhand derselben Patienten und für beide Gewichtungsansätze ausgewertet.ResultateAuftretende dosimetrische Bewegungseffekte werden durch den Gleichgewichtungsansatz bei Betrachtung einzelner Fraktionen unterschätzt. Insbesondere werden Interplay-Effekte (durch die Tumorbewegung bedingte relative Fehlplatzierung von Segmenten) für IMRT-Segmente mit wenigen Monitor-Units nur unzureichend repräsentiert (lokale Punktdosisdifferenzen >25% der verschriebenen Dosis bei größerer Tumorbewegung). Die Effekte heben sich allerdings über den gesamten Therapieverlauf hinweg annähernd auf. Im Hinblick auf die zeitliche Auflösung der Bilddaten zeigt sich für den Gleichgewichtungsansatz im Vergleich zur vollen Auflösung bei Reduzierung auf die halbe Auflösung kaum eine nennenswerte Beeinflussung der Maßzahlen für die Dosisabdeckung des CTV. Für den genaueren patienten- und planspezifischen Wichtungsansatz werden hingegen selbst bei einer Auflösung von 10/14 Phasen Auftreten und Auswirkungen von Interplay-Effekten in Einzelfällen (große Tumorbewegung, unterdimensioniertes PTV) nur unzureichend abgebildet.SchlussfolgerungDie strahlenbiologischen Konsequenzen der für einzelne Fraktionen beobachteten lokalen Dosisdifferenzen >25% der verschriebenen Dosis sind noch weitgehend unklar und sollten weiter untersucht werden. Im Sinne einer genauen und verlässlichen Abschätzung der Bewegungseffekte sollten so lange präzise Wichtungsansätze wie das präsentierte patienten- und planspezifische Schema für die Step-&-Shoot-IMRT und die volle verfügbare zeitliche Bildauflösung zur IMRT-Dosisakkumulation herangezogen werden.