Andrea Schwahofer

Intensity modulated radiotherapy in the management of sacral chordoma in primary versus recurrent disease

PURPOSE To investigate treatment outcome in patients suffering from sacral chordoma after intensity modulated radiotherapy (IMRT) for primary versus recurrent disease. MATERIAL/METHODS We report on 34 patients with histologically proven sacral chordoma. Seventeen patients were treated at time of initial diagnosis with post-operative IMRT (n=13) or with IMRT alone (n=4). Seventeen patients were treated in recurrent disease after surgery (n=11) or with radiotherapy alone (n=6). Median total dose to the boost volume (PTV2) was 66 Gy (range, 72-54) with 2 Gy per fraction using an integrated boost concept. Median dose to target volume (PTV1) was 54 Gy in 1.8 Gy. RESULTS Local control was 35% (12/34) and overall survival 74% (25/34) after a median follow-up of 4.5 years. Actuarial local control was 79%, 55% and 27% after 1, 2 and 5 years, respectively. Local control was significantly higher in patients treated for primary tumors (p<0.03) and in total doses >60 Gy (p<0.01). Actuarial overall survival was 97%, 91% and 70% after 1, 2 and 5 years, respectively. CONCLUSION These data demonstrate that local control after IMRT is higher in patients treated for primary tumors and using higher radiation doses. Therefore, we recommend radiotherapy as part of initial treatment in sacral chordoma.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose A Comparison between sMLM-IMRT and Helical Tomotherapy

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

Dosimetric integration of daily mega-voltage cone-beam CT for image-guided intensity-modulated radiotherapy

PurposeThe goal of this work was to compare different methods of incorporating the additional dose of mega-voltage cone-beam CT (MV-CBCT) for image-guided intensity modulated radiotherapy (IMRT) of different tumor entities.Material and methodsThe absolute dose delivered by the MV-CBCT was calculated and considered by creating a scaled IMRT plan (scIMRT) by renormalizing the clinically approved plan (orgIMRT) so that the sum with the MV-CBCT dose yields the same prescribed dose. In the other case, a newly optimized plan (optIMRT) was generated by including the dose distribution of the MV-CBCT as pre-irradiation. Both plans were compared with the orgIMRT plan and a plan where the last fraction was skipped.ResultsNo significant changes were observed regarding the 95% conformity index of the target volume. The mean dose of the organs at risk (OAR) increased by approx. 7% for the scIMRT plan and 5% for the optIMRT plan. A significant increase of the mean dose to the outline contour was observed, ranging from 3.1 ± 1.3% (optIMRT) to 13.0 ± 6.1% (scIMRT) for both methods over all entities. If the dose of daily MV-CBCT would have been ignored, the additional dose accumulated to nearly a whole treatment fraction with a general increase of approx. 10% to the OARs and approx. 4% to the target volume.ConclusionBoth methods of incorporating the additional MV-CBCT dose into the treatment plan are suitable for clinical practice. The dose distribution of the target volume could be achieved as conformal as with the orgIMRT plan, while only a moderate increase of mean dose to OAR was observed.ZusammenfassungZielsetzungVergleich verschiedener Methoden zur Integration der zusätzlichen Dosis von täglichen Megavolt-Cone-Beam-CTs (MV-CBCT) für die bildgestützte intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) verschiedener Tumorentitäten.Material und MethodenDer absolute zusätzliche Dosisbeitrag durch das MV-CBCT wurde jeweils berechnet. In einem Fall wurde durch Re-Normalisierung ein skalierter IMRT-Plan (scIMRT) erzeugt, bei dem die Summe aus IMRT-Plan und MV-CBCT die verschriebene Dosis des klinisch akzeptierten IMRT-Plans (orgIMRT) ergab. Im anderen Fall wurde ein neu optimierter IMRT-Plan (optIMRT) erstellt, der die zusätzliche Dosis des MV-CBCT als Vorbelastung berücksichtigt. Beide Pläne wurden mit dem orgIMRT-Plan und einem Plan, bei dem die letzte Fraktion weggelassen wurde, verglichen.ErgebnisseEs zeigten sich keine signifikanten Veränderungen des 95%-Konformität-Index des Zielvolumens. Die mittlere Dosisbelastung der Risikoorgane (OAR) erhöhte sich beim scIMRT-Plan um etwa 7% und beim optIMRT-Plan um etwa 5%. Es zeigte sich ein signifikanter Anstieg der mittleren Dosis der Außenkontur des Patienten im Bereich von 3,1 ± 1,3% (optIMRT) bis 13,0 ± 6,1% (scIMRT) bei beiden Methoden über alle Lokalisationen. Der zusätzliche Dosisbeitrag eines täglichen MV-CBCT lag in der Größenordnung einer Fraktion und führte insgesamt zu einer Zunahme der Belastung der Risikoorgane um etwa 10% und der Dosis im Zielvolumen um etwa 4%.SchlussfolgerungenBeide Methoden zur Integration der zusätzlichen Dosis eines MV-CBCT in den Bestrahlungsplan eigenen sich für die klinische Routine. Die Dosisverteilung des Zielvolumens war im Vergleich zur IMRT ähnlich konformal, bei moderatem Anstieg der mittleren Dosisbelastung der Risikoorgane.

The application of metal artifact reduction (MAR) in CT scans for radiation oncology by monoenergetic extrapolation with a DECT scanner

Metal artifacts in computed tomography CT images are one of the main problems in radiation oncology as they introduce uncertainties to target and organ at risk delineation as well as dose calculation. This study is devoted to metal artifact reduction (MAR) based on the monoenergetic extrapolation of a dual energy CT (DECT) dataset. In a phantom study the CT artifacts caused by metals with different densities: aluminum (ρ Al=2.7 g/cm(3)), titanium (ρ Ti=4.5 g/cm(3)), steel (ρ steel=7.9 g/cm(3)) and tungsten (ρ W=19.3g/cm(3)) have been investigated. Data were collected using a clinical dual source dual energy CT (DECT) scanner (Siemens Sector Healthcare, Forchheim, Germany) with tube voltages of 100 kV and 140 kV(Sn). For each tube voltage the data set in a given volume was reconstructed. Based on these two data sets a voxel by voxel linear combination was performed to obtain the monoenergetic data sets. The results were evaluated regarding the optical properties of the images as well as the CT values (HU) and the dosimetric consequences in computed treatment plans. A data set without metal substitute served as the reference. Also, a head and neck patient with dental fillings (amalgam ρ=10 g/cm(3)) was scanned with a single energy CT (SECT) protocol and a DECT protocol. The monoenergetic extrapolation was performed as described above and evaluated in the same way. Visual assessment of all data shows minor reductions of artifacts in the images with aluminum and titanium at a monoenergy of 105 keV. As expected, the higher the densities the more distinctive are the artifacts. For metals with higher densities such as steel or tungsten, no artifact reduction has been achieved. Likewise in the CT values, no improvement by use of the monoenergetic extrapolation can be detected. The dose was evaluated at a point 7 cm behind the isocenter of a static field. Small improvements (around 1%) can be seen with 105 keV. However, the dose uncertainty remains of the order of 10% to 20%. Thus, the improvement is not significant for radiotherapy planning. For amalgam with a density between steel and tungsten, monoenergetic data sets of a patient do not show substantial artifact reduction. The local dose uncertainties around the metal artifact determined for a static field are of the order of 5%. Although dental fillings are smaller than the phantom inserts, metal artifacts could not be reduced effectively. In conclusion, the image based monoenergetic extrapolation method does not provide efficient reduction of the consequences of CT-generated metal artifacts for radiation therapy planning, but the suitability of other MAR methods will be subsequently studied.

Improving radiotherapy planning in patients with metallic implants using the iterative metal artifact reduction (iMAR) algorithm

Metal artifacts in computed tomography (CT) images can cause important errors in dose calculation. Algorithms developed to reduce these artifacts could improve these images but also introduce a bias in tissues surrounding metallic implants. The purpose of this study is to validate a pre-commercial metal artifact reduction tool for radiotherapy treatment planning. The performance of the iterative metal artifact reduction (iMAR) algorithm developed by Siemens Healthcare is evaluated on a test platform. A calibration phantom constituted of tissue-equivalent plastics is used to estimate the image bias from artifact correction. Patient CT data with metal implants (seven dental fillings, one bilateral hip) are reconstructed using weighted filtered backprojection and corrected using the iMAR algorithm. Radiotherapy treatment plans are calculated and compared on corrected and uncorrected images using the collapsed cone convolution dose algorithm implemented in RayStation (RaySearch). Phantom scans show that iMAR reproduces CT numbers within ±44 HU for tissue equivalent substitutes in 3.6 cm2 circular ROIs. The effect of this CT number difference on megavoltage photon dose calculation is shown to be within ±1% dose error. Comparing patient plans from corrected and uncorrected images, dose differences of up to ±5% are discovered in target volume and organs at risk, depending on the treatment site. The iMAR algorithm resulted in improvement of image quality in metal artifact affected CT images for radiotherapy planning. The technique reduces dose errors significantly while keeping calculated doses in the surrounding tissues within a clinically acceptable level in comparison to ground truth. Future work could aim at the improvement of benchmark methods for a clinical environment.

Experimental determination of the photon-energy dependent dose-to-water response of TLD600 and TLD700 (LiF:Mg,Ti) thermoluminescence detectors

The aim of this study has been the experimental determination of the energy dependent dose-to-water response of TLD600 and TLD700 thermoluminescent detectors (Harshaw) in X-ray beams with mean photon energies from about 20 to 200keV in comparison with 60Co gamma rays and 6MV X-rays. Experiments were carried out in collaboration with the German secondary standard laboratory PTW Freiburg. The energy dependent relative responses of TLD600 and TLD700 thermoluminescence detectors were determined at radiation qualities between 30kVp and 280kVp. The overall uncertainty of the measured values was characterized by standard deviations varying from 1.2 to 3%. The present results agree with previous studies on the energy dependent dose-to-water response of TLD100. As an application example, the results were used to measure doses associated with X-ray imaging in image-guided radiotherapy.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral DoseDer Einfluss verschiedener IMRT-Technologien auf die periphere Dosis. Ein Vergleich zwischen sMLM-IMRT und Tomotherapie

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose@@@Der Einfluss verschiedener IMRT-Technologien auf die periphere Dosis. Ein Vergleich zwischen sMLM-IMRT und Tomotherapie: A Comparison between sMLM-IMRT and Helical Tomotherapy

Purpose:To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.Material and Methods:A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.Results:All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.Conclusion:The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.Ziel:Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.Material und Methodik:Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.Ergebnisse:Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.Schlussfolgerung:Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

IGRT and its Quality Assurance at the DKFZ

Modern treatment techniques like IMRT offer the possibility to deliver highly conformal dose distributions. Therefore accurate patient positioning is necessary. This, in turn, requires image guidance techniques. In-room CT and cone beam CT are two possibilities to realize image-guided radiation therapy. At the DKFZ we have the opportunity to work with both techniques. Special software delivers offset vectors for table movement to compensate possible misalignment in positioning. This issue needs a daily quality assurance, which is done with the help of the QUASATM Penta-Guide Phantom. The QA procedure simulates a misalignment, which has to be detected and corrected by our TPS Virtuos or by Siemens RTT . A special adapter feature the possibility to use this phantom outside of the laser marked isocenter, but in a special stereotactic setup commonly used for imaging at the DKFZ.