A new strategy for online adaptive prostate radiotherapy based on cone-beam CT

PurposeInterfractional organ motion and patient positioning errors during prostate radiotherapy can have deleterious clinical consequences. It has become clinical practice to re-position the patient with image-guided translational position correction before each treatment to compensate for those errors. However, tilt errors can only be corrected with table corrections in six degrees of freedom or “full” adaptive treatment planning strategies. Organ shape deformations can only be corrected by “full” plan adaptation. This study evaluates the potential of instant treatment plan adaptation (fast isodose line adaptation with real-time dose manipulating tools) based on cone-beam CT (CBCT) to further improve treatment quality.Methods and MaterialsUsing in-house software, CBCTs were modified to approximate a correct density calibration. To evaluate the dosimetric accuracy, dose distributions based on CBCTs were compared with dose distributions calculated on conventional planning CTs (PCT) for four datasets (one inhomogeneous phantom, three patient datasets).To determine the potential dosimetric benefit of a “full” plan adaptation over translational position correction, dose distributions were re-optimized using graphical “online” dose modification tools for three additional patients’ CT-datasets with a substantially distended rectum while the original plans have been created with an empty rectum (single treatment fraction estimates).ResultsAbsolute dose deviations of up to 51% in comparison to the PCT were observed when uncorrected CBCTs were used for replanning. After density calibration of the CBCTs, 97% of the dose deviations were ⩽3% (gamma index: 3%/3 mm).Translational position correction restored the PTV dose (D95) to 73% of the corresponding dose of the reference plan. After plan adaptation, larger improvements of dose restoration to 95% were observed. Additionally, the rectal dose (D30) was further decreased by 42 percentage points (mean of three patient datasets).ConclusionsAn accurate dose calculation based on CBCT-datasets is possible when density distributions are corrected. The presented adaptive strategy has the potential to reduce dose delivery errors due to organ deformations to a minimum.

ZusammenfassungEinleitungInterfraktionäre Organbewegungen und Patientenpositionierungsfehler während der Strahlentherapie des Prostatakarzinoms können sich negativ auf die Behandlungsqualität auswirken. Eine Patientenrepositionierung vor jeder Behandlung auf der Basis einer bildgestützten linearen Translationskorrektur des Isozentrums zur Kompensation dieser Fehler hat Einzug in die klinische Routine gehalten. Rotationsfehler können jedoch nur mit Tischbewegungen in sechs Freiheitsgraden oder adaptiven Bestrahlungstechniken korrigiert werden. Organdeformationen lassen sich jedoch nur durch eine Anpassung des Bestrahlungsplanes ausgleichen. In dieser Arbeit wurde das Potential einer unmittelbaren Bestrahlungsplan-Adaption (schnelle Isodosenanpassung mit „Echtzeit“-Dosis-Manipulationswerkzeugen) basierend auf “cone-beam CT” (CBCT) untersucht, um die Behandlungsqualität noch weiter zu verbessern.Material und MethodenMit Hilfe von Softwareeigenentwicklungen wurden die CBCT-Datensätze modifiziert, um eine korrekte Dichtekalibrierung zu erhalten. Zur Bestimmung der dosimetrischen Genauigkeit wurden die berechneten Dosisverteilungen auf Basis von CBCT mit Dosisverteilungen basierend auf einem konventionellen Planungs-CT von vier Datensätzen miteinander verglichen (ein inhomogenes Beckenphantom, drei Patientendatensätze).Zur Abschätzung der dosimetrischen Überlegenheit eines „voll“ adaptierten Bestrahlungsplanes gegenüber einer translatorischen Positionskorrektur wurden die Dosisverteilungen mit Hilfe von grafischen “online”- Dosismodifikationswerkzeugen bei drei weiteren Patienten-CT-Datensätzen mit übermäßig erweitertem Rektum re-optimiert, während der Originalplan mit leerem Rektum erstellt wurde (Abschätzungen für Einzelfraktionen).ErgebnisseWenn unkorrigierte CBCTs zur Re-Planung verwendet wurden, konnten absolute Dosisabweichungen bis zu 51% im Vergleich zum Planungs-CT beobachtet werden. Nach einer Kalibrierung der CBCTs waren 97% der Dosisabweichungen ⩽3% (Gammaindex: 3%/3 mm).Eine Translationskorrektur des Isozentrums führte zu einer Wiederherstellung der PTV-Dosis (D95) auf 73% der korrespondierenden Dosis im Referenzplan. Die Planadaption führte zu einer weitaus besseren Wiederherstellung der Dosis auf 95% der Ausgangsdosis. Zusätzlich verringerte sich die Rektumdosis um 42 Prozentpunkte (Mittelwert aus drei Patientendatensätzen).SchlussfolgerungEine genaue Dosisberechnung auf der Basis von CBCT-Datensätzen ist möglich, wenn die Dichteverteilungen korrigiert werden. Die hier vorgestellte adaptive Strategie hat das Potential, Dosisapplikationsfehler aufgrund von Organdeformationen auf ein Minimum zu reduzieren.