Anna Simeonova-Chergou

Deep Inspiration Breath Hold-Based Radiation Therapy: A Clinical Review.

Several recent developments in linear accelerator-based radiation therapy (RT) such as fast multileaf collimators, accelerated intensity modulation paradigms like volumeric modulated arc therapy and flattening filter-free (FFF) high-dose-rate therapy have dramatically shortened the duration of treatment fractions. Deliverable photon dose distributions have approached physical complexity limits as a consequence of precise dose calculation algorithms and online 3-dimensional image guided patient positioning (image guided RT). Simultaneously, beam quality and treatment speed have continuously been improved in particle beam therapy, especially for scanned particle beams. Applying complex treatment plans with steep dose gradients requires strategies to mitigate and compensate for motion effects in general, particularly breathing motion. Intrafractional breathing-related motion results in uncertainties in dose delivery and thus in target coverage. As a consequence, generous margins have been used, which, in turn, increases exposure to organs at risk. Particle therapy, particularly with scanned beams, poses additional problems such as interplay effects and range uncertainties. Among advanced strategies to compensate breathing motion such as beam gating and tracking, deep inspiration breath hold (DIBH) gating is particularly advantageous in several respects, not only for hypofractionated, high single-dose stereotactic body RT of lung, liver, and upper abdominal lesions but also for normofractionated treatment of thoracic tumors such as lung cancer, mediastinal lymphomas, and breast cancer. This review provides an in-depth discussion of the rationale and technical implementation of DIBH gating for hypofractionated and normofractionated RT of intrathoracic and upper abdominal tumors in photon and proton RT.

Automatically gated image-guided breath-hold IMRT is a fast, precise, and dosimetrically robust treatment for lung cancer patients.

BackgroundHigh-dose radiotherapy of lung cancer is challenging. Tumors may move by up to 2xa0cm in craniocaudal and anteroposterior directions as a function of breathing cycle. Tumor displacement increases with treatment time, which consequentially increases the treatment uncertainty.ObjectiveThis study analyzed whether automatically gated cone-beam-CT (CBCT)-controlled intensity modulated fast deep inspiration breath hold (DIBH) stereotactic body radiation therapy (SBRT) in flattening filter free (FFF) technique and normofractionated lung DIBH intensity-modulated radiotherapy (IMRT)/volumetric-modulated arc therapy (VMAT) treatments delivered with a flattening filter can be applied with sufficient accuracy within a clinically acceptable timeslot.Materials and methodsPlans of 34xa0patients with lung tumors were analyzed. Of these patients, 17xa0received computer-controlled fast DIBH SBRT with a dose of 60xa0Gy (5xa0fractions of 12xa0Gy or 12xa0fractions of 5xa0Gy) in an FFF VMAT technique (FFF-SBRT) every other day and 17xa0received conventional VMAT with a flattening filter (conv-VMAT) and 2-Gy daily fractional doses (cumulative dose 50–70xa0Gy).ResultsFFF-SBRT plans required more monitor units (MU) than conv-VMAT plans (2956.6u2009±u2009885.3xa0MU for 12xa0Gy/fraction and 1148.7u2009±u2009289.2xa0MU for 5xa0Gy/fraction vs. 608.4u2009±u2009157.5xa0MU for 2xa0Gy/fraction). Total treatment and net beam-on times were shorter for FFF-SBRT plans than conv-VMAT plans (268.0u2009±u200974.4xa0s vs. 330.2u2009±u200993.6xa0s and 85.8u2009±u200925.3xa0s vs. 117.2u2009±u200929.6xa0s, respectively). Total slot time was 13.0xa0min for FFF-SBRT and 14.0xa0min for conv-VMAT. All modalities could be delivered accurately despite multiple beam-on/-off cycles and were robust against multiple interruptions.ConclusionAutomatically gated CBCT-controlled fast DIBH SBRT in VMAT FFF technique and normofractionated lung DIBH VMAT can be applied with a low number of breath-holds in a short timeslot, with excellent dosimetric accuracy. In clinical routine, these approaches combine optimally reduced lung tissue irradiation with maximal delivery precision for patients with small and larger lung tumors.ZusammenfassungHintergrundDie Hochdosisstrahlentherapie des Bronchialkarzinoms ist eine Herausforderung. Bis zu 2xa0cm kann sich der Tumor in kraniokaudaler und anteroposteriorer Richtung bewegen – abhängig vom Atemzyklus. Die Tumorverschiebung nimmt mit der Behandlungsdauer zu, was also die Behandlungsunsicherheit vermehrt.ZielIn der vorliegenden Studie wurde untersucht, ob die automatisch gesteuerte, Cone-Beam-Computertomographie(CBCT)-kontrollierte, intensitätsmodulierte stereotaktische Strahlentherapie („stereotactic body radiation therapy“, SBRT) im Atemanhalt nach schneller tiefer Inspiration („deep inspiration breath hold“, DIBH) ohne Ausgleichskörper („flattening filter free“, FFF) und die mit einem Ausgleichskörper applizierte normal fraktionierte intensitätsmodulierte DIBH-Strahlentherapie/volumenmodulierte Strahlentherapie mit Rotation des Bestrahlungsarms („volumetric-modulated arc therapy“, VMAT) der Lunge mit ausreichender Genauigkeit innerhalb eines klinisch akzeptablen Zeitfensters angewendet werden können.Material und MethodenDie Bestrahlungspläne von 34 Patienten mit Bronchialkarzinomen wurden ausgewertet. Von diesen Patienten erhielten 17 eine computergesteuerte SBRT mit schneller DIBH und einer Dosis von 60xa0Gy (5xa0Fraktionen à 12xa0Gy oder 12xa0Fraktionen à 5xa0Gy) in FFF-VMAT-Technik (FFF-SBRT) jeden 2.xa0Tag, und 17 erhielten eine konventionelle VMAT mit Ausgleichskörper (conv-VMAT) und täglichen Teildosen von 2xa0Gy (kumulative Dosis: 50–70xa0Gy).ErgebnisseFür Pläne mit FFF-SBRT waren mehr Überwachungseinheiten („monitor units“, MU) erforderlich als für Pläne mit con-VMAT (2956,6u2009±u2009885,3xa0MU für 12xa0Gy/Fraktion bzw. 1148,7u2009±u2009289,2xa0MU für 5xa0Gy/Fraktion vs. 608,4u2009±u2009157,5xa0MU für 2xa0Gy/Fraktion). Die Dauer der Gesamttherapie und der Beam-on-Zeit („Strahl ein“) waren für FFF-SBRT-Pläne kürzer als für Pläne mit conv-VMAT (268,0u2009±u200974,4xa0s vs. 330,2u2009±u200993,6xa0s bzw. 85,8u2009±u200925,3xa0s vs. 117,2u2009±u200929,6xa0s). Das Gesamtzeitfenster betrug 13,0xa0min für FFF-SBRT und 14,0xa0min für conv-VMAT. Alle Therapiemodalitäten konnten genau appliziert werden – trotz mehrerer Beam-on-/-off-Zyklen – und waren bei mehrfachen Unterbrechungen stabil.SchlussfolgerungAutomatisch gesteuerte CBCT-kontrollierte SBRT mit schneller DIBH in VMAT-FFF-Technik und normal fraktionierte DIBH-Lungen-VMAT können mit wenigen Malen Luftanhalten in einem kurzen Zeitfenster mit ausgezeichneter dosimetrischer Genauigkeit appliziert werden. Im klinischen Alltag wird bei diesen Ansätzen die optimal reduzierte Bestrahlung des Lungengewebes mit maximaler Bestrahlungspräzision für Patienten mit kleinen und größeren Bronchialkarzinomen kombiniert.

Towards clinical implementation of ultrafast combined kV-MV CBCT for IGRT of lung cancer

PurposeCombined kV-MV cone-beam CT (CBCT) is a promising approach to accelerate imaging for patients with lung tumors treated with deep inspiration breath-hold. During a single breath-hold (15xa0s), a 3D kV-MV CBCT can be acquired, thus minimizing motion artifacts and increasing patient comfort. Prior to clinical implementation, positioning accuracy was evaluated and compared to clinically established imaging techniques.Methods and materialsAn inhomogeneous thorax phantom with four tumor-mimicking inlays was imaged in 10 predefined positions and registered to a planning CT. Novel kV-MV CBCT imaging (90°xa0arc) was compared to clinically established kV-chest CBCT (360°) as well as nonclinical kV-CBCT and low-dose MV-CBCT (each 180°). Manualxa0registration, automatic registration provided by the manufacturer and an additional in-house developed manufacturer-independent framework based on the MATLAB registration toolkit were applied.ResultsSystematic setup error was reduced to 0.05xa0mm by high-precision phantom positioning with optical tracking. Stochastic mean displacement errors were 0.5u2009±u20090.3xa0mm in right–left, 0.4 u2009±u20090.4xa0mm in anteroposterior and 0.0u2009±u20090.4xa0mm in craniocaudal directions for kV-MV CBCT with manual registrationxa0(maximum errors of no more than 1.4 mm). Clinical kV-chest CBCT resulted in mean errors of 0.2xa0mm (other modalities: 0.4–0.8xa0mm).xa0Similar results were achieved with both automatic registration methods.ConclusionThe comparison study of repositioning accuracy between novel kV-MV CBCT and clinically established volume imaging demonstrated that registration accuracy is maintained below 1xa0mm. Since imaging time is reduced to one breath-hold, kV-MV CBCT is ideal for image guidance, e.g., in lung stereotactic ablative radiotherapy.ZusammenfassungHintergrundKombiniertes kV-MV-Cone-Beam-CT (CBCT) ist ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung der Bildgebung bei Patienten mit Lungentumoren, die mit wiederholter Atemanhaltetechnik in tiefer Inspiration behandelt werden. Während einer einzigen Atemanhaltephase von 15xa0s kann ein 3Dxa0kV-MVxa0CBCT aufgenommen werden. Dies reduziert Bewegungsartefakte und erhöht den Patientenkomfort. Im Hinblick auf die klinische Implementierung wurde die Positionierungsgenauigkeit untersucht und mit klinisch-etablierten Bildgebungstechniken verglichen.Methoden und MaterialEin inhomogenes Thoraxphantom mit 4 tumorähnlichen Inlays wurde in 10 vordefinierten Positionen aufgenommen und auf ein Planungs-CT registriert. Die neue kV-MVxa0CBCT Bildgebungstechnik (90°-Rotation) wurde mit einem klinisch etablierten kV-Chestxa0CBCT (360°) sowie mit einem nichtklinischen kV-CBCT und einem niedrigdosierten MV-CBCT (je 180°) verglichen. Manuelle Registrierung, automatische Registrierung vom Hersteller und eine eigens entwickelte Methode der automatischen Registrierung auf Basis des MATLAB-Registrierungs-Toolkits wurden angewandt.ErgebnisseDie hochpräzise Phantompositionierung mit optischem Tracking reduzierte den systematischen Fehler auf 0,05xa0mm. Die gemittelten stochastischen Positionierungsfehler waren 0,5u2009±u20090,3xa0mm in rechts-links, 0,4u2009±u20090,4xa0mm in anteroposterior und 0,0u2009±u20090,4xa0mm in kraniokaudaler Richtung für kV-MVxa0CBCT mit manueller Registrierungxa0(mit einem maximalen Fehler von 1,4 mm). Das klinische kV-Chestxa0CBCT ergab einen mittleren Fehler von 0,2xa0mm (andere Modalitäten: 0,4–0,8xa0mm). Die beiden automatischen Registrierungsverfahren zeigten ähnliche Ergebnisse.SchlussfolgerungDie Vergleichsstudie der Positionierungsgenauigkeit zwischen neuen kV-MV-CBCTs und klinisch-etablierter Volumenbildgebung zeigte weiterhin eine Registrierungsgenauigkeit unter 1xa0mm. Durch Reduktion der Bildaufnahmezeit auf eine Atemanhaltephase ist die kV-MVxa0CBCT eine ideale Technik in stereotaktischer ablativer Strahlentherapie z.xa0B. der Lunge.

Towards clinical implementation of ultrafast combined kV-MV CBCT for IGRT of lung cancer : Evaluation of registration accuracy based on phantom study.

PurposeCombined kV-MV cone-beam CT (CBCT) is a promising approach to accelerate imaging for patients with lung tumors treated with deep inspiration breath-hold. During a single breath-hold (15xa0s), a 3D kV-MV CBCT can be acquired, thus minimizing motion artifacts and increasing patient comfort. Prior to clinical implementation, positioning accuracy was evaluated and compared to clinically established imaging techniques.Methods and materialsAn inhomogeneous thorax phantom with four tumor-mimicking inlays was imaged in 10 predefined positions and registered to a planning CT. Novel kV-MV CBCT imaging (90°xa0arc) was compared to clinically established kV-chest CBCT (360°) as well as nonclinical kV-CBCT and low-dose MV-CBCT (each 180°). Manualxa0registration, automatic registration provided by the manufacturer and an additional in-house developed manufacturer-independent framework based on the MATLAB registration toolkit were applied.ResultsSystematic setup error was reduced to 0.05xa0mm by high-precision phantom positioning with optical tracking. Stochastic mean displacement errors were 0.5u2009±u20090.3xa0mm in right–left, 0.4 u2009±u20090.4xa0mm in anteroposterior and 0.0u2009±u20090.4xa0mm in craniocaudal directions for kV-MV CBCT with manual registrationxa0(maximum errors of no more than 1.4 mm). Clinical kV-chest CBCT resulted in mean errors of 0.2xa0mm (other modalities: 0.4–0.8xa0mm).xa0Similar results were achieved with both automatic registration methods.ConclusionThe comparison study of repositioning accuracy between novel kV-MV CBCT and clinically established volume imaging demonstrated that registration accuracy is maintained below 1xa0mm. Since imaging time is reduced to one breath-hold, kV-MV CBCT is ideal for image guidance, e.g., in lung stereotactic ablative radiotherapy.ZusammenfassungHintergrundKombiniertes kV-MV-Cone-Beam-CT (CBCT) ist ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung der Bildgebung bei Patienten mit Lungentumoren, die mit wiederholter Atemanhaltetechnik in tiefer Inspiration behandelt werden. Während einer einzigen Atemanhaltephase von 15xa0s kann ein 3Dxa0kV-MVxa0CBCT aufgenommen werden. Dies reduziert Bewegungsartefakte und erhöht den Patientenkomfort. Im Hinblick auf die klinische Implementierung wurde die Positionierungsgenauigkeit untersucht und mit klinisch-etablierten Bildgebungstechniken verglichen.Methoden und MaterialEin inhomogenes Thoraxphantom mit 4 tumorähnlichen Inlays wurde in 10 vordefinierten Positionen aufgenommen und auf ein Planungs-CT registriert. Die neue kV-MVxa0CBCT Bildgebungstechnik (90°-Rotation) wurde mit einem klinisch etablierten kV-Chestxa0CBCT (360°) sowie mit einem nichtklinischen kV-CBCT und einem niedrigdosierten MV-CBCT (je 180°) verglichen. Manuelle Registrierung, automatische Registrierung vom Hersteller und eine eigens entwickelte Methode der automatischen Registrierung auf Basis des MATLAB-Registrierungs-Toolkits wurden angewandt.ErgebnisseDie hochpräzise Phantompositionierung mit optischem Tracking reduzierte den systematischen Fehler auf 0,05xa0mm. Die gemittelten stochastischen Positionierungsfehler waren 0,5u2009±u20090,3xa0mm in rechts-links, 0,4u2009±u20090,4xa0mm in anteroposterior und 0,0u2009±u20090,4xa0mm in kraniokaudaler Richtung für kV-MVxa0CBCT mit manueller Registrierungxa0(mit einem maximalen Fehler von 1,4 mm). Das klinische kV-Chestxa0CBCT ergab einen mittleren Fehler von 0,2xa0mm (andere Modalitäten: 0,4–0,8xa0mm). Die beiden automatischen Registrierungsverfahren zeigten ähnliche Ergebnisse.SchlussfolgerungDie Vergleichsstudie der Positionierungsgenauigkeit zwischen neuen kV-MV-CBCTs und klinisch-etablierter Volumenbildgebung zeigte weiterhin eine Registrierungsgenauigkeit unter 1xa0mm. Durch Reduktion der Bildaufnahmezeit auf eine Atemanhaltephase ist die kV-MVxa0CBCT eine ideale Technik in stereotaktischer ablativer Strahlentherapie z.xa0B. der Lunge.

An offline technique to evaluate residual motion of the diaphragm during deep inspiratory breath-hold from cone-beam CT datasets

PurposeIn radiation therapy, the computer-assisted deep inspiration breath-hold (DIBH) technique is one approach to deal with respiratory motion of tumors in the lung, liver, or upper abdomen. However, inter- and intra-breath-hold deviations from an optimal static tumor position might occur. Axa0novel method is presented to noninvasively measure the diaphragm position and thus estimate its residual deviation (as surrogate for the tumor position) based on cone-beam computed tomography (CBCT) projection data using active breathing control during acquisition.MethodsThe diaphragm dome (DD) position relative to the isocenter of axa0linear accelerator is known from the static (DIBH) planning CT. A ball-bearing phantom (BB) is placed at this position, axa0CBCT dataset is acquired, and in each projection the position of the projected BB is determined automatically based on thresholding. The position of the DD is determined manually in CBCT projections of axa0patient. The distance between DD and BB (ideal static setting) in craniocaudal direction is calculated for axa0given angle based on the distance in the projection plane and the relative position of the BB referring to the source and the detector. An angle-dependent correction factor is introduced which takes this geometrical setting into account. The accuracy of the method is assessed.ResultsThe method allows axa0CBCT projection-based estimation of the deviation between the DD and its optimal position as defined in the planning CT, i.e., the residual motion of the DD can be assessed. The error of this estimation is 2.2u202fmm in craniocaudal direction.ConclusionsThe developed method allows an offline estimation of the inspiration depth (inter- and intra-breath-hold) over time. It will be useful as axa0reference for comparison to other methods of residual motion estimation, e.g., surface scanning.ZusammenfassungZielsetzungIn der Strahlentherapie bietet die Technik des computergestützten inspiratorischen Atemanhalts („deep-inspiratory-breath-hold“, DIBH) einen Ansatz, um mit atmungsbedingter Bewegung von Lunge, Leber oder oberem Bauchraum umzugehen. Dennoch können Abweichungen von der optimalen statischen Tumorposition vorkommen („inter-“ und „intra-breath-hold“). Eine neue nichtinvasive Methode wird vorgestellt, um die Zwerchfellposition und damit dessen Restbewegung (als Surrogat der Tumorposition) auf Basis von Cone-beam-Computertomographie(CBCT)-Projektionen, die unter aktiver Atemkontrolle aufgenommen wurden, zu bestimmen.MethodenDie Position der Zwerchfellkuppel („diaphragm dome“, DD) relativ zum Isozentrum eines Linearbeschleunigers ist aus dem statischen (DIBH) Planungs-CT bekannt. Ein Ball-Bearing-Phantom (BB) wird an dieser Stelle platziert, ein CBCT-Datensatz aufgenommen und in jeder Projektion die projizierte BB-Position automatisch per Schwellwert bestimmt. Die DD-Position wird manuell in den CBCT-Projektionen bestimmt. Der Abstand zwischen DD und BB (ideale statische Situation) in kraniokaudaler Richtung wird für einen gegebenen Winkel auf Basis des Abstands in der Projektionsebene und der relativen Position des BB bezüglich der Quelle und des Detektors berechnet. Ein winkelabhängiger Korrekturfaktor wird eingebracht, der dieses geometrische Setting berücksichtigt. Die Genauigkeit der Methode wird untersucht.ErgebnisseDie Methode erlaubt eine Einschätzung der Abweichung zwischen DD und dessen optimaler Position auf Basis von CBCT-Projektionen; die DD-Restbewegung kann also abgeschätzt werden. Der Fehler dieser Schätzung liegt bei 2,2u202fmm in kraniokaudaler Richtung.SchlussfolgerungDie entwickelte Methode ermöglicht eine Offline-Schätzung der Restbewegung unter DIBH („inter-“ und „intra-breath-hold“) und kann beim Vergleich mit anderen Methoden zur Schätzung der Bewegung (z.u202fB.xa0Oberflächenscan) als Referenz verwendet werden.

Non-coplanar VMAT combined with non-uniform dose prescription markedly reduces lung dose in breath-hold lung SBRT

Background and purposeIn this retrospective treatment planning study, the effect of a uniform and non-uniform planning target volume (PTV) dose coverage as well as a coplanar and non-coplanar volumetric modulated arc therapy (VMAT) delivery approach for lung stereotactic body radiation therapy (SBRT) in deep inspiration breath-hold (DIBH) were compared.Materials and methodsFor 46 patients with lesions in the peripheral lungs, three different treatment plans were generated: First, a coplanar 220° VMAT sequence with a uniform PTV dose prescription (UC). Second, a coplanar 220° VMAT treatment plan with a non-uniform dose distribution in the PTV (nUC). Third, a non-coplanar VMAT dose delivery with four couch angles (0°, ±35°, 90°) and a non-uniform prescription (nUnC) was used. All treatment plans were optimized for pareto-optimality with respect to PTV coverage and ipsilateral lung dose. Treatment sequences were delivered on a flattening-filter-free linear accelerator and beam-on times were recorded. Dosimetric comparison between the three techniques was performed.ResultsFor the three scenarios (UC, nUC, nUnC), median gross tumor volume (GTV) doses were 63.4u202f±u20092.5, 74.4u202f±u20093.6, and 77.9u202f±u20093.8 Gy, and ipsilateral V10Gy lung volumes were 15.7u202f±u20096.1, 13.9u202f±u20094.7, and 12.0u202f±u20095.1%, respectively. Normal tissue complication probability of the ipsilateral lung was 3.9, 3.1, and 2.8%, respectively. The number of monitor units were 5141u202f±u20091174, 4104u202f±u2009786, and 3657u202f±u2009710 MU and the corresponding beam-on times were 177u202f±u200954, 143u202f±u200929, and 148u202f±u200926 s.ConclusionFor SBRT treatments in DIBH, a non-uniform dose prescription in the PTV, combined with a non-coplanar VMAT arc arrangement, significantly spares the ipsilateral lung while increasing dose to the GTV without major treatment time increase.ZusammenfassungHintergrund und ZielIn dieser retrospektiven Bestrahlungsplanungsstudie wurde der Einfluss einer homogenen und inhomogenen Dosisabdeckung des Planungszielvolumens (PTV), sowie der Effekt einer koplanaren und nichtkoplanaren volumenmodulierten Bogentherapie (VMAT) für stereotaktische Behandlungen (SBRT) in der Lunge im Atemanhalt (DIBH) miteinander verglichen.Material und MethodenFür 46xa0Patienten mit Läsionen in der peripheren Lunge wurden drei verschiedene Bestrahlungspläne erstellt: Eine koplanare 220° VMAT-Sequenz mit homogener Dosisverschreibung im Zielvolumen (UC), eine koplanare 220°-VMAT-Sequenz mit inhomogener Dosisverteilung im Zielvolumen (nUC) und eine nichtkoplanare VMAT-Sequenz mit vier Tischauslenkungen (0°, ±u202f35°, 90°) mit inhomogener Dosisverschreibung (nUnC). Alle Behandlungspläne wurden in Bezug auf PTV-Abdeckung und ipsilaterale Lungendosis auf Pareto-Optimalität optimiert. Die Sequenzen wurden an einem ausgleichsfilterfreien Linearbeschleuniger abgestrahlt und die Strahlzeiten bestimmt. Ein dosimetrischer Vergleich der Methoden wurde durchgeführt.ErgebnisseFür die drei Szenarien (UC, nUC, nUnC) betrugen die medianen makroskopischen Tumorvolumen (GTV) Dosen 63,4u202f±u20092,5, 74,4u202f±u20093,6 und 77,9u202f±u20093,8 Gy und die ipsilateralen V10Gy-Lungenvolumina 15,7u202f±u20096,1, 13,9u202f±u20094,7 und 12,0u202f±u20095,1u202f%. Die Wahrscheinlichkeit einer Normalgewebskomplikation in der ipsilateralen Lunge betrug 3,9, 3,1 und 2,8u202f%. Die Monitoreinheiten waren 5141u202f±u20091174, 4104u202f±u2009786 sowie 3657u202f±u2009710 MU und die entsprechenden Strahlzeiten 177u202f±u200954, 143u202f±u200929 und 148u202f±u200926u202fs.SchlussfolgerungBei SBRT-Behandlungen in DIBH schont die Behandlung mit einer nichtkoplanaren Behandlungssequenz in Kombination mit einer inhomogenen Dosisverschreibung signifikant die ipsilaterale Lunge bei gleichzeitiger Erhöhung der Dosis im GTV ohne nennenswerte Erhöhung der Behandlungszeit.

MRI morphologic alterations after liver SBRT

AbstractAimCT morphologic and histopathologic alterations have been reported after SBRT. We analyzed the correlation of MRI morphologic alterations with radiation doses to assess the potential for MRI-based dose–effect correlation in healthy liver tissue.Patients and methodsMRI data of 24xa0patients with liver metastases 7±3xa0weeks after image-guided SBRT in deep-inspiration breath-hold were retrospectively analyzed. MRI images were intermodally matched to the planning CT and corresponding dose distribution. Absolute doses were converted to EQD2,α/βxa0=x with α/β values of 2, 3 for healthy liver tissue, 8xa0Gy for modelled predamaged liver tissue and 10xa0Gy for tumor tissue.ResultsA central nonenhancing area was observed within the isodose lines of nominally 48.2xa0± 15.2xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 92.5xa0± 27.7xa0Gy. Contrast-enhancement around the central nonenhancing area was observed within the isodose lines of nominally 46.9xa0± 15.3xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 90.5xa0± 28.3xa0Gy.n Outside the high-dose volume, in the beam path, characteristic sharply defined, nonblurred MRI morphologic alterations were observed that corresponded with the following isodose lines: T1-intensity changes occurred at isodose lines of nominally 21.9xa0± 6.7xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42.5xa0± 8.7xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38.5xa0± 7.6xa0Gy, EQD2,α/βxa0=8 30.2xa0±6.3xa0Gy). T2-hyper/hypointensity was observed within isodose lines of nominally 22.4xa0± 6.6xa0Gy (EQD2,α/β=2 42.7xa0± 8.1xa0Gy, EQD2,α/β=3 38.7xa0± 7xa0Gy; EQD2,α/β=8 30.5xa0± 5.9xa0Gy).ConclusionsUsing deformable matching, direct spatial/dosimetric correlation of SBRT-induced changes in liver tissue was possible. In the PTV high-dose region, axa0central nonenhancing area and peripheral contrast medium accumulation was observed. Beam path doses of 38–42xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2–3) induce characteristic MRI morphologic alterations.ZusammenfassungZielCT-morphologische Veränderungen nach SBRT sind beschrieben und korrelieren mit histopathologischen Veränderungen. Ziel war es, MRT-morphologische Veränderungen mit den Bestrahlungsdosen direkt zu korrelieren und Aussagen zur Dosis-Wirkungs-Korrelation im gesunden Lebergewebe zu treffen.Patienten und MethodenBildgebungsdaten von 24xa0Patienten mit Lebermetastasen 7xa0±3xa0Wochen nach bildgeführter SBRT in computergestütztem Atemanhalt wurden retrospektiv analysiert. MRT-Sequenzen wurden intermodal mit dem Planungs-CT und der korrespondierenden Dosisverteilung überlagert und Isodosenlinien direkt zu den MRT-morphologischen Veränderungen korreliert. Die Absolutdosen wurden unter Annahme eines α/β-Werts von 2 und 3 für gesundes, 8 für modelliertes vorgeschädigtes Lebergewebe und 10 für Tumorgewebe in EQD2,α/βxa0=x umgerechnet.ErgebnisseEin zentrales nichtanreicherndes Areal trat innerhalb der Isodosenlinien von nominell 48,2xa0± 15,2xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 92,5xa0± 27,7xa0Gy auf. Eine randständige Kontrastmittelaufnahme wurde ab den Isodosenlinien von nominell 46,9xa0± 15,3xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 90,5xa0± 28,3xa0Gy beobachtet. Außerhalb des Hochdosisbereichs traten im Bereich des Strahleintritts scharf begrenzte Veränderungen auf, die direkt mit den Isodosenlinien korrelierten: T1-Intensitätsänderung bei den Isodosenlinien von nominell 21,9xa0± 6,7xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42,5xa0± 8,7xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38,5xa0± 7,6xa0Gy und EQD2,α/βxa0=8 30,2xa0±6,3xa0Gy); T2-Hyper-/Hypointensität ab Isodosen von nominell 22,4xa0± 6,6xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42,7xa0± 8,1xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38,7xa0± 7xa0Gy und EQD2,α/βxa0=8 30,5xa0± 5,9xa0Gy).SchlussfolgerungCharakteristische MRT-morphologische Veränderungen zeigen die ersten post-SBRT-MRTs. Im Hochdosisbereich finden sich Nekrosen und eine randständige Kontrastmittelaufnahme. Bei EQD2,α/βxa0=2–3 von median 38–42xa0Gy treten Veränderungen auf, die sich eindeutig zu Isodosenlinien korrelieren lassen. Diese Daten erlauben erstmalig eine direkte, durch deformierbares Matching genau orts- und dosisaufgelöste Quantifizierung von Nebenwirkungen durch bildgebende Veränderungen nach Teilorganbelastung bei SBRT.

MRI morphologic alterations after liver SBRT : Direct dose correlation with intermodal matching.

AbstractAimCT morphologic and histopathologic alterations have been reported after SBRT. We analyzed the correlation of MRI morphologic alterations with radiation doses to assess the potential for MRI-based dose–effect correlation in healthy liver tissue.Patients and methodsMRI data of 24xa0patients with liver metastases 7±3xa0weeks after image-guided SBRT in deep-inspiration breath-hold were retrospectively analyzed. MRI images were intermodally matched to the planning CT and corresponding dose distribution. Absolute doses were converted to EQD2,α/βxa0=x with α/β values of 2, 3 for healthy liver tissue, 8xa0Gy for modelled predamaged liver tissue and 10xa0Gy for tumor tissue.ResultsA central nonenhancing area was observed within the isodose lines of nominally 48.2xa0± 15.2xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 92.5xa0± 27.7xa0Gy. Contrast-enhancement around the central nonenhancing area was observed within the isodose lines of nominally 46.9xa0± 15.3xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 90.5xa0± 28.3xa0Gy.n Outside the high-dose volume, in the beam path, characteristic sharply defined, nonblurred MRI morphologic alterations were observed that corresponded with the following isodose lines: T1-intensity changes occurred at isodose lines of nominally 21.9xa0± 6.7xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42.5xa0± 8.7xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38.5xa0± 7.6xa0Gy, EQD2,α/βxa0=8 30.2xa0±6.3xa0Gy). T2-hyper/hypointensity was observed within isodose lines of nominally 22.4xa0± 6.6xa0Gy (EQD2,α/β=2 42.7xa0± 8.1xa0Gy, EQD2,α/β=3 38.7xa0± 7xa0Gy; EQD2,α/β=8 30.5xa0± 5.9xa0Gy).ConclusionsUsing deformable matching, direct spatial/dosimetric correlation of SBRT-induced changes in liver tissue was possible. In the PTV high-dose region, axa0central nonenhancing area and peripheral contrast medium accumulation was observed. Beam path doses of 38–42xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2–3) induce characteristic MRI morphologic alterations.ZusammenfassungZielCT-morphologische Veränderungen nach SBRT sind beschrieben und korrelieren mit histopathologischen Veränderungen. Ziel war es, MRT-morphologische Veränderungen mit den Bestrahlungsdosen direkt zu korrelieren und Aussagen zur Dosis-Wirkungs-Korrelation im gesunden Lebergewebe zu treffen.Patienten und MethodenBildgebungsdaten von 24xa0Patienten mit Lebermetastasen 7xa0±3xa0Wochen nach bildgeführter SBRT in computergestütztem Atemanhalt wurden retrospektiv analysiert. MRT-Sequenzen wurden intermodal mit dem Planungs-CT und der korrespondierenden Dosisverteilung überlagert und Isodosenlinien direkt zu den MRT-morphologischen Veränderungen korreliert. Die Absolutdosen wurden unter Annahme eines α/β-Werts von 2 und 3 für gesundes, 8 für modelliertes vorgeschädigtes Lebergewebe und 10 für Tumorgewebe in EQD2,α/βxa0=x umgerechnet.ErgebnisseEin zentrales nichtanreicherndes Areal trat innerhalb der Isodosenlinien von nominell 48,2xa0± 15,2xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 92,5xa0± 27,7xa0Gy auf. Eine randständige Kontrastmittelaufnahme wurde ab den Isodosenlinien von nominell 46,9xa0± 15,3xa0Gy, EQD2Gy/α/βxa0=10 90,5xa0± 28,3xa0Gy beobachtet. Außerhalb des Hochdosisbereichs traten im Bereich des Strahleintritts scharf begrenzte Veränderungen auf, die direkt mit den Isodosenlinien korrelierten: T1-Intensitätsänderung bei den Isodosenlinien von nominell 21,9xa0± 6,7xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42,5xa0± 8,7xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38,5xa0± 7,6xa0Gy und EQD2,α/βxa0=8 30,2xa0±6,3xa0Gy); T2-Hyper-/Hypointensität ab Isodosen von nominell 22,4xa0± 6,6xa0Gy (EQD2,α/βxa0=2 42,7xa0± 8,1xa0Gy, EQD2,α/βxa0=3 38,7xa0± 7xa0Gy und EQD2,α/βxa0=8 30,5xa0± 5,9xa0Gy).SchlussfolgerungCharakteristische MRT-morphologische Veränderungen zeigen die ersten post-SBRT-MRTs. Im Hochdosisbereich finden sich Nekrosen und eine randständige Kontrastmittelaufnahme. Bei EQD2,α/βxa0=2–3 von median 38–42xa0Gy treten Veränderungen auf, die sich eindeutig zu Isodosenlinien korrelieren lassen. Diese Daten erlauben erstmalig eine direkte, durch deformierbares Matching genau orts- und dosisaufgelöste Quantifizierung von Nebenwirkungen durch bildgebende Veränderungen nach Teilorganbelastung bei SBRT.

Intra-breath-hold residual motion of image-guided DIBH liver-SBRT: An estimation by ultrasound-based monitoring correlated with diaphragm position in CBCT

BACKGROUND AND PURPOSEnCraniocaudal motion during image-guided abdominal SBRT can be reduced by computer-controlled deep-inspiratory-breath-hold (DIBH). However, a residual motion can occur in the DIBH-phases which can only be detected with intrafractional real-time-monitoring. We assessed the intra-breath-hold residual motion of DIBH and compared residual motion of target structures during DIBH detected by ultrasound (US). US data were compared with residual motion of the diaphragm-dome (DD) detected in the DIBH-CBCT-projections.nnnPATIENTS AND METHODSnUS-based monitoring was performed with an experimental US-system simultaneously to DIBH-CBCT acquisition. A total of 706 DIBHs during SBRT-treatments of metastatic lesions (liver, spleen, adrenal) of various primaries were registered in 13 patients. Residual motion of the target structure was documented with US during each DIBH. Motion of the DD was determined by comparison to a reference phantom-scan taking the individual geometrical setting at a given projection angle into account. Residual motion data detected by US were correlated to those of the DD (DIBH-CBCT-projection).nnnRESULTSnUS-based monitoring could be performed in all cases and was well tolerated by all patients. Additional time for daily US-based setup required 8u202f±u202f4u202fmin. 385 DIBHs of 706 could be analyzed. In 59% of all DIBHs, residual motion was below 2u202fmm. In 36%, residual motion of 2-5u202fmm and in 4% of 5-8u202fmm was observed. Only 1% of all DIBHs and 0.16% of all readings revealed a residual motion of >8u202fmm during DIBH. For DIBHs with a residual motion over 2u202fmm, 137 of 156 CBCT-to-US curves had a parallel residual motion and showed a statistical correlation.nnnDISCUSSION AND CONCLUSIONnSoft-tissue monitoring with ultrasound is a fast real-time method without additional radiation exposure. Computer-controlled DIBH has a residual motion of <5u202fmm in >95% which is in line with the published intra-breath-hold-precision. Larger intrafractional deviations can be avoided if the beam is stopped at an US-defined threshold.

Towards clinical implementation of ultrafast combined kV-MV CBCT for IGRT of lung cancerUltraschnelle kombinierte kV-MV-CBCT für IGRT von Lungentumoren im Hinblick auf die klinische Implementierung

PurposeCombined kV-MV cone-beam CT (CBCT) is a promising approach to accelerate imaging for patients with lung tumors treated with deep inspiration breath-hold. During a single breath-hold (15xa0s), a 3D kV-MV CBCT can be acquired, thus minimizing motion artifacts and increasing patient comfort. Prior to clinical implementation, positioning accuracy was evaluated and compared to clinically established imaging techniques.Methods and materialsAn inhomogeneous thorax phantom with four tumor-mimicking inlays was imaged in 10 predefined positions and registered to a planning CT. Novel kV-MV CBCT imaging (90°xa0arc) was compared to clinically established kV-chest CBCT (360°) as well as nonclinical kV-CBCT and low-dose MV-CBCT (each 180°). Manualxa0registration, automatic registration provided by the manufacturer and an additional in-house developed manufacturer-independent framework based on the MATLAB registration toolkit were applied.ResultsSystematic setup error was reduced to 0.05xa0mm by high-precision phantom positioning with optical tracking. Stochastic mean displacement errors were 0.5u2009±u20090.3xa0mm in right–left, 0.4 u2009±u20090.4xa0mm in anteroposterior and 0.0u2009±u20090.4xa0mm in craniocaudal directions for kV-MV CBCT with manual registrationxa0(maximum errors of no more than 1.4 mm). Clinical kV-chest CBCT resulted in mean errors of 0.2xa0mm (other modalities: 0.4–0.8xa0mm).xa0Similar results were achieved with both automatic registration methods.ConclusionThe comparison study of repositioning accuracy between novel kV-MV CBCT and clinically established volume imaging demonstrated that registration accuracy is maintained below 1xa0mm. Since imaging time is reduced to one breath-hold, kV-MV CBCT is ideal for image guidance, e.g., in lung stereotactic ablative radiotherapy.ZusammenfassungHintergrundKombiniertes kV-MV-Cone-Beam-CT (CBCT) ist ein vielversprechender Ansatz zur Beschleunigung der Bildgebung bei Patienten mit Lungentumoren, die mit wiederholter Atemanhaltetechnik in tiefer Inspiration behandelt werden. Während einer einzigen Atemanhaltephase von 15xa0s kann ein 3Dxa0kV-MVxa0CBCT aufgenommen werden. Dies reduziert Bewegungsartefakte und erhöht den Patientenkomfort. Im Hinblick auf die klinische Implementierung wurde die Positionierungsgenauigkeit untersucht und mit klinisch-etablierten Bildgebungstechniken verglichen.Methoden und MaterialEin inhomogenes Thoraxphantom mit 4 tumorähnlichen Inlays wurde in 10 vordefinierten Positionen aufgenommen und auf ein Planungs-CT registriert. Die neue kV-MVxa0CBCT Bildgebungstechnik (90°-Rotation) wurde mit einem klinisch etablierten kV-Chestxa0CBCT (360°) sowie mit einem nichtklinischen kV-CBCT und einem niedrigdosierten MV-CBCT (je 180°) verglichen. Manuelle Registrierung, automatische Registrierung vom Hersteller und eine eigens entwickelte Methode der automatischen Registrierung auf Basis des MATLAB-Registrierungs-Toolkits wurden angewandt.ErgebnisseDie hochpräzise Phantompositionierung mit optischem Tracking reduzierte den systematischen Fehler auf 0,05xa0mm. Die gemittelten stochastischen Positionierungsfehler waren 0,5u2009±u20090,3xa0mm in rechts-links, 0,4u2009±u20090,4xa0mm in anteroposterior und 0,0u2009±u20090,4xa0mm in kraniokaudaler Richtung für kV-MVxa0CBCT mit manueller Registrierungxa0(mit einem maximalen Fehler von 1,4 mm). Das klinische kV-Chestxa0CBCT ergab einen mittleren Fehler von 0,2xa0mm (andere Modalitäten: 0,4–0,8xa0mm). Die beiden automatischen Registrierungsverfahren zeigten ähnliche Ergebnisse.SchlussfolgerungDie Vergleichsstudie der Positionierungsgenauigkeit zwischen neuen kV-MV-CBCTs und klinisch-etablierter Volumenbildgebung zeigte weiterhin eine Registrierungsgenauigkeit unter 1xa0mm. Durch Reduktion der Bildaufnahmezeit auf eine Atemanhaltephase ist die kV-MVxa0CBCT eine ideale Technik in stereotaktischer ablativer Strahlentherapie z.xa0B. der Lunge.