Three-dimensional versus four-dimensional dose calculation for volumetric modulated arc therapy of hypofractionated treatments

PurposeRespiratory motion is a non-negligible source of uncertainty in radiotherapy. A common approach is to delineate the target volume in all respiratory phases (ITV) and to calculate a treatment plan using the average reconstruction of the four-dimensional computed tomography (4DCT) scans. In this study the extent of the interplay effect caused by interaction between dynamic dose delivery and respiratory tumor motion, as well as other motion effects were investigated. These effects are often ignored when the ITV concept is used.Methods and MaterialsNine previously treated patients with in ten abdominal or thoracic cancer lesions (3 liver, 3 adrenal glands and 4 lung lesions) were selected for this planning study. For all patients, phase-sorted respiration-correlated 4DCT scans were taken, and volumetric modulated arc therapy (VMAT) treatments were planned using the ITV concept. Margins from ITV to planning target volume (PTV) of 3-10 mm were used. Plans were optimized and dose distributions were calculated on the average reconstruction of the 4DCT. 4D dose distributions were calculated to evaluate motion effects, caused by the interference of dynamic treatment delivery with respiratory tumor motion and inhomogeneously planned target dose. These calculations were performed on the phase-sorted CT series with a respiration-correlated assignment of the treatment plan's monitor units (MU) to the respiration phases of the 4DCT. The 4D dose was accumulated with rigid as well as deformable registrations of the CT series and compared to the original 3D dose distribution. Maximum, minimum and mean doses to ITV and PTV, and maximum or mean doses to organs at risk (OAR), were compared after rigid accumulation. The dose variation in the gross tumor volume (GTV) was compared after deformable registration.ResultsUsing rigid registrations, variations in the investigated dose parameters between 3D and 4D dose calculations were found to be within -2.1% to 1.4% for all target volumes and within -0.8% to 1.7% in OAR. Using deformable registrations, dose differences in the GTV were below 3.8% for dose accumulation of lung and adrenal gland patients. For liver patients the used deformable registrations were not considered to be robust enough. It was also shown that a major part of the dose differences originates from the Hounsfield unit differences between 3D and 4D calculations, regardless of the interplay effect.ConclusionThe evaluated motion effects during VMAT treatments resulted in negligible dose variability. Therefore, the approximation of calculating the dose on the average reconstruction of the 4DCT (3D dose calculation), instead of calculating on the respiration-correlated phase CTs (4D dose calculation) with assignment of the corresponding MUs, gives acceptable results.

ZusammenfassungHintergrundDie Atembewegung ist eine nicht zu vernachlässigende Fehlerquelle in der Strahlentherapie. Ein gebräuchlicher Ansatz ist es, das Zielvolumen in allen Atemphasen zu konturieren (ITV) und den Bestrahlungsplan auf der gemittelten Rekonstruktion der vierdimensionalen Computertomographie-Aufnahme (4DCT) zu berechnen. Diese Studie untersucht den Interaktionseffekt (Interplay), welcher durch die Wechselwirkung zwischen der dynamischen Bestrahlung und der atembedingten Tumorbewegung zustande kommt, und andere Bewegungseffekte. Diese Effekte werden oft nicht berücksichtigt, wenn das ITV-Konzept verwendet wird.Methoden und MaterialienNeun vorgängig behandelte Patienten mit insgesamt zehn abdominalen oder thorakalen Tumorläsionen (3 Leber-, 3 Nebennieren- und 4 Lungentumoren) wurden für diese Planungsstudie ausgewählt. Für alle Patienten wurden phasensortierte, atemkorrelierte 4DCTs aufgenommen und Behandlungspläne für volumenmodulierte Bogenbestrahlung (VMAT) nach dem ITV-Konzept erstellt mit ITV-Expansionen von 3-10 mm zur Erstellung des Planungszielvolumens (PTV). Die Pläne wurden optimiert und die Dosisverteilungen auf der gemittelten Rekonstruktion des 4DCT berechnet. 4D-Dosisverteilungen wurden zur Auswertung der Bewegungseffekte berechnet, die durch die Interaktion der dynamischen Bestrahlung mit der respiratorischen Tumorbewegung und inhomogen geplanter Dosis im Zielvolumen verursacht werden. Dazu wurden Dosisberechnungen auf phasensortierten CT-Serien durchgeführt mit atemkorrelierter Zuteilung der Monitoreinheiten (MU) des Behandlungsplanes zu den Atemphasen des 4DCT. Die 4D-Dosis wurde akkumuliert nach rigider sowie nach deformierbarer Registrierung der CT-Serien und mit der originalen 3D-Dosisverteilung verglichen. Die maximale, minimale und gemittelte Dosis im ITV und PTV und die maximale oder gemittelte Dosis in Risikoorganen (OAR) wurden im Falle rigider Registrierung verglichen und die Dosis zum Tumorvolumen (GTV) nach deformierbarer Registrierung.ResultateDer Vergleich von 3D- und 4D-Berechnungen unter Verwendung rigider Registrierung ergab Differenzen in den untersuchten Dosisparameter von -2,1% bis 1,4% für alle Zielvolumina und von -0,8% bis 1,7% für OARs. Bei den deformierbaren Registrierungen waren die Dosisdifferenzen im GTV für Lungen- und Nebennierenläsionen unter 3,8%. Im Falle der Leberläsionen erwies sich die deformierbare Registrierung als nicht robust genug. Es wurde ebenfalls gezeigt, dass ein großer Anteil der gefundenen Dosisunterschiede von den unterschiedlichen Hounsfield-Einheiten der 3D- und 4D-Berechnungen herrühren, unabhängig vom Interaktionseffekt.ZusammenfassungDie Auswertung der Bewegungseffekte während VMAT-Behandlungen zeigte eine vernachlässigbare Dosisvariabilität. Daher liefert die Näherung, die Dosis auf der gemittelten Rekonstruktion des 4DCT (3D Dosisberechnung) zu berechnen, anstelle der Berechnung auf den atemkorrelierten Phasen-CTs mit entsprechender MU-Zuteilung, akzeptable Resultate.