Henning Salz

Rotational IMRT techniques compared to fixed gantry IMRT and tomotherapy: multi-institutional planning study for head-and-neck cases.

BackgroundRecent developments enable to deliver rotational IMRT with standard C-arm gantry based linear accelerators. This upcoming treatment technique was benchmarked in a multi-center treatment planning study against static gantry IMRT and rotational IMRT based on a ring gantry for a complex parotid gland sparing head-and-neck technique.MethodsTreatment plans were created for 10 patients with head-and-neck tumours (oropharynx, hypopharynx, larynx) using the following treatment planning systems (TPS) for rotational IMRT: Monaco (ELEKTA VMAT solution), Eclipse (Varian RapidArc solution) and HiArt for the helical tomotherapy (Tomotherapy). Planning of static gantry IMRT was performed with KonRad, Pinnacle and Panther DAO based on step&shoot IMRT delivery and Eclipse for sliding window IMRT. The prescribed doses for the high dose PTVs were 65.1Gy or 60.9Gy and for the low dose PTVs 55.8Gy or 52.5Gy dependend on resection status. Plan evaluation was based on target coverage, conformity and homogeneity, DVHs of OARs and the volume of normal tissue receiving more than 5Gy (V5Gy). Additionally, the cumulative monitor units (MUs) and treatment times of the different technologies were compared. All evaluation parameters were averaged over all 10 patients for each technique and planning modality.ResultsDepending on IMRT technique and TPS, the mean CI values of all patients ranged from 1.17 to 2.82; and mean HI values varied from 0.05 to 0.10. The mean values of the median doses of the spared parotid were 26.5Gy for RapidArc and 23Gy for VMAT, 14.1Gy for Tomo. For fixed gantry techniques 21Gy was achieved for step&shoot+KonRad, 17.0Gy for step&shoot+Panther DAO, 23.3Gy for step&shoot+Pinnacle and 18.6Gy for sliding window.V5Gy values were lowest for the sliding window IMRT technique (3499 ccm) and largest for RapidArc (5480 ccm). The lowest mean MU value of 408 was achieved by Panther DAO, compared to 1140 for sliding window IMRT.ConclusionsAll IMRT delivery technologies with their associated TPS provide plans with satisfying target coverage while at the same time respecting the defined OAR criteria. Sliding window IMRT, RapidArc and Tomo techniques resulted in better target dose homogeneity compared to VMAT and step&shoot IMRT. Rotational IMRT based on C-arm linacs and Tomotherapy seem to be advantageous with respect to OAR sparing and treatment delivery efficiency, at the cost of higher dose delivered to normal tissues. The overall treatment plan quality using Tomo seems to be better than the other TPS technology combinations.

Dosimetric quality assurance for intensity-modulated radiotherapy feasibility study for a filmless approach.

Purpose:Test and comparison of various 2–D real–time detectors for dosimetric quality assurance (QA) of intensity–modulated radiotherapy (IMRT) with the vision to replace radiographic films for 2–D dosimetry.Material and Methods:All IMRT treatment plans were created with the Konrad software (Siemens OCS). The final dose calculation was also carried out in Konrad. A Mevatron Primus (Siemens OCS) linear accelerator which provides 6–MV and 15–MV highenergy photon beams was used for the delivery of segmented multileaf–modulated IMRT. Three different 2–D detectors, each based on a different physical (interaction) principle, were tested for the field–related IMRT verification: (1) the MapCheck diode system (Sun Nuclear), (2) the I’mRT QA scintillation detector (Scanditronix/Wellhöfer), and the Seven29 ionization chamber array (PTW). The performance of these detector arrays was evaluated against IMRT dose distributions created and calculated with Konrad and the results obtained were compared with film measurements performed with radiographic films (EDR2, Kodak). Additionally, measurements were performed with point detectors, such as diamond, diodes (PTW) and ionization chambers (PTW, Scanditronics/ Wellhöfer) and radiochromic films (GafChromic film MD55, ISP).Results:The results obtained with all three 2–D detector systems were in good agreement with calculations performed with the treatment–planning system and with the standard dosimetric tools, i.e., films or various point dose detectors. It could be shown that all three systems offer dosimetric characteristics required for performing field–related IMRT QA with relative dose measurements. The accuracy of the 2–D detectors was mostly ± 3% normalized to dose maximum for a wide dynamic range. The maximum deviations did not exceed ± 5% even in regions with a steep dose gradient. The main differences between the detector systems were the spatial resolution, the maximal field size, and the ability to perform absolute dosimetric measurements.Conclusion:Commercial 2–D detectors have the potential to replace films as an “area detector” for field–related verification of IMRT. The on–line information provided by the respective systems can even improve the efficiency of the QA procedures.Ziel:Verschiedene 2–D–Echtzeitdetektoren wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur dosimetrischen Verifikation der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) untersucht und getestet – mit der Vision, zukünftig radiographische Filme abzulösen.Material und Methodik:Die Erzeugung der IMRT–Bestrahlungspläne erfolgte mit Konrad (Siemens OCS). Die abschließende Dosisberechnung wurde ebenfalls mit Konrad ausgeführt. Zur Umsetzung der Bestrahlungspläne wurde ein Mevatron Primus (Siemens OCS) genutzt. Alle Messungen erfolgten mit 6–MV– und 15–MV–Photonenstrahlung. Drei verschiedene Detektortypen auf der Basis verschiedener physikalischer Prinzipien wurden hinsichtlich ihrer Anwendung für die feldbezogene IMRT–Verifikation getestet: 1. das MapCheck–Diodensystem (Sun Nuclear), 2. das I’mRT QA (Scanditronix/Wellhöfer), basierend auf dem fluoreszierenden Prinzip, und 3. das Seven29–Ionisationskammer–Array (PTW). Das Signalverhalten dieser Detektorarrays bzw. Flächendetektoren wurde bei unterschiedlichen Bedingungen getestet und mit Messergebnissen von Standarddetektoren verglichen. Als Referenzdosimetrie– Systeme wurden radiographische Filme (EDR2, Kodak) und radiochromatische Filme (GafChromic–Film MD55, ISP) sowie ein Diamantdetektor, ein Halbleiterdetektor (beide PTW) und eine Ionisationskammer (Scanditronix/Wellhöfer) verwendet.Ergebnisse:Die mit den drei 2–D–Detektoren gewonnenen Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Rechnungen des Bestrahlungsplanungssystems und mit den Messwerten von herkömmlichen Dosimetern wie Filmen oder verschiedenen Punktdetektoren. Es konnte gezeigt werden, dass alle drei Systeme Charakteristika, die für die feldbezogene IMRT–Qualitätssicherung erforderlich sind, aufweisen. Die Genauigkeit der 2–D–Detektoren lag bei ± 3% (normalisiert auf das Dosismaximum), mit maximalen Abweichungen von ± 5% in Bereichen mit starken Dosisgradienten. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Detektorsystemen lagen in der räumlichen Auflösung, der maximalen Feldgröße und der Fähigkeit zur Absolutdosimetrie.Schlussfolgerung:Kommerziell erhältliche 2–D–Detektorsysteme haben das Potential, den Film als Flächendetektor zu ersetzen. Die durch die untersuchten 2–D–Systeme in Echtzeit erhältlichen Informationen können auch die Effizienz der gesamten Qualitätssicherungsprozedur verbessern.

Dosimetric Quality Assurance for Intensity–Modulated Radiotherapy

Purpose:Test and comparison of various 2–D real–time detectors for dosimetric quality assurance (QA) of intensity–modulated radiotherapy (IMRT) with the vision to replace radiographic films for 2–D dosimetry.Material and Methods:All IMRT treatment plans were created with the Konrad software (Siemens OCS). The final dose calculation was also carried out in Konrad. A Mevatron Primus (Siemens OCS) linear accelerator which provides 6–MV and 15–MV highenergy photon beams was used for the delivery of segmented multileaf–modulated IMRT. Three different 2–D detectors, each based on a different physical (interaction) principle, were tested for the field–related IMRT verification: (1) the MapCheck diode system (Sun Nuclear), (2) the I’mRT QA scintillation detector (Scanditronix/Wellhöfer), and the Seven29 ionization chamber array (PTW). The performance of these detector arrays was evaluated against IMRT dose distributions created and calculated with Konrad and the results obtained were compared with film measurements performed with radiographic films (EDR2, Kodak). Additionally, measurements were performed with point detectors, such as diamond, diodes (PTW) and ionization chambers (PTW, Scanditronics/ Wellhöfer) and radiochromic films (GafChromic film MD55, ISP).Results:The results obtained with all three 2–D detector systems were in good agreement with calculations performed with the treatment–planning system and with the standard dosimetric tools, i.e., films or various point dose detectors. It could be shown that all three systems offer dosimetric characteristics required for performing field–related IMRT QA with relative dose measurements. The accuracy of the 2–D detectors was mostly ± 3% normalized to dose maximum for a wide dynamic range. The maximum deviations did not exceed ± 5% even in regions with a steep dose gradient. The main differences between the detector systems were the spatial resolution, the maximal field size, and the ability to perform absolute dosimetric measurements.Conclusion:Commercial 2–D detectors have the potential to replace films as an “area detector” for field–related verification of IMRT. The on–line information provided by the respective systems can even improve the efficiency of the QA procedures.Ziel:Verschiedene 2–D–Echtzeitdetektoren wurden hinsichtlich ihrer Eignung zur dosimetrischen Verifikation der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT) untersucht und getestet – mit der Vision, zukünftig radiographische Filme abzulösen.Material und Methodik:Die Erzeugung der IMRT–Bestrahlungspläne erfolgte mit Konrad (Siemens OCS). Die abschließende Dosisberechnung wurde ebenfalls mit Konrad ausgeführt. Zur Umsetzung der Bestrahlungspläne wurde ein Mevatron Primus (Siemens OCS) genutzt. Alle Messungen erfolgten mit 6–MV– und 15–MV–Photonenstrahlung. Drei verschiedene Detektortypen auf der Basis verschiedener physikalischer Prinzipien wurden hinsichtlich ihrer Anwendung für die feldbezogene IMRT–Verifikation getestet: 1. das MapCheck–Diodensystem (Sun Nuclear), 2. das I’mRT QA (Scanditronix/Wellhöfer), basierend auf dem fluoreszierenden Prinzip, und 3. das Seven29–Ionisationskammer–Array (PTW). Das Signalverhalten dieser Detektorarrays bzw. Flächendetektoren wurde bei unterschiedlichen Bedingungen getestet und mit Messergebnissen von Standarddetektoren verglichen. Als Referenzdosimetrie– Systeme wurden radiographische Filme (EDR2, Kodak) und radiochromatische Filme (GafChromic–Film MD55, ISP) sowie ein Diamantdetektor, ein Halbleiterdetektor (beide PTW) und eine Ionisationskammer (Scanditronix/Wellhöfer) verwendet.Ergebnisse:Die mit den drei 2–D–Detektoren gewonnenen Ergebnisse zeigten eine gute Übereinstimmung mit den Rechnungen des Bestrahlungsplanungssystems und mit den Messwerten von herkömmlichen Dosimetern wie Filmen oder verschiedenen Punktdetektoren. Es konnte gezeigt werden, dass alle drei Systeme Charakteristika, die für die feldbezogene IMRT–Qualitätssicherung erforderlich sind, aufweisen. Die Genauigkeit der 2–D–Detektoren lag bei ± 3% (normalisiert auf das Dosismaximum), mit maximalen Abweichungen von ± 5% in Bereichen mit starken Dosisgradienten. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den Detektorsystemen lagen in der räumlichen Auflösung, der maximalen Feldgröße und der Fähigkeit zur Absolutdosimetrie.Schlussfolgerung:Kommerziell erhältliche 2–D–Detektorsysteme haben das Potential, den Film als Flächendetektor zu ersetzen. Die durch die untersuchten 2–D–Systeme in Echtzeit erhältlichen Informationen können auch die Effizienz der gesamten Qualitätssicherungsprozedur verbessern.

Experimental Determination of Peripheral Doses for Different IMRT Techniques Delivered by a Siemens Linear Accelerator

Purpose:To quantify the relative peripheral doses (PD) to healthy tissues outside the treated region for different intensity-modulated radiotherapy (IMRT) technologies.Material and Methods:On a linear accelerator (linac) Oncor Impression (Siemens OCS) with two photon energies (6 MV, 15 MV), point dose measurements were performed at different depths in a solid phantom at 29 cm off-axis distance inplane. PD associated with artificial fluence distributions were compared with open beam contributions, where intensity-modulated (IM) beams were generated by segmented multileaf-modulated (sMLM) IMRT, by tin+wax compensators (TWComp), and by lead-containing cerrobend compensators (CComp). The field size of the open field and the maximum area (isocenter distance) exposed with the primary beam for the IMRT fields was 20 × 22 cm2. Measurements were performed with two kinds of thermoluminescence dosimeters to quantify photon and neutron components separately. Furthermore, experiments were done with and without phantom material in the direct beam to separate different scatter dose components.Results:The results for the photon components and the neutron components are reverse. For the open field, the photon components increase with decreasing photon energy. In comparison with the open field, the photon components are further (factor 1.2–1.8 depending on energy and depth) increased when delivering IMRT with sMLM. When using CComp or TWComp, this factor is even higher and reaches a maximum of 2.4. At depths beyond 20 mm, photon component values slightly decrease with increasing photon energy for all types of IMRT techniques. Near the surface (10 mm depth), photon component values are distinctly higher than those at larger depth, and they increase with increasing photon energy. As expected, neutron components could be detected only for 15 MV. For sMLM and compensators, neutron components increased by factors 4 and 1.5 relative to the open field. The experiments with different scatter conditions show that about 50–70% of the photon components and all neutron components NPD are caused by radiation emanating from the linac head.Conclusion:PD in IMRT can be minimized by proper selection of treatment delivery method and photon beam energy. When selecting the IMRT technique in centers where compensator IMRT and MLC IMRT is available, PD burden should be taken into account. The large amount of photon components and neutron components caused by leakage radiation from the treatment head leads to the recommendation that radiation protection aspects for patients undergoing IMRT should be considered in linac design. For further clarification, additional experiments have to be carried out on other types of linacs.Ziel:Der Einfluss verschiedener IMRT-Technologien (intensitätsmodulierte Strahlentherapie) auf die Bestrahlung gesunden Gewebes außerhalb der behandelten Region sollte untersucht werden. Die relativen peripheren Dosen (PD) wurden ermittelt und analysiert.Material und Methodik:An einem Linearbeschleuniger Oncor Impression (Siemens OCS) mit zwei Photonenenergien (6 MV, 15 MV) wurden Punktdosismessungen in verschiedenen Tiefen in einem Plexiglasphantom 29 cm off-axis inplane durchgeführt. PD bei künstlichen IMRT-Fluenzen wurden mit Beiträgen durch offene Felder verglichen, wobei die IMRT-Fluenzen mit MLC-Step&shoot-Technik (sMLM), mit Zinn+Wachs-Kompensatoren (TWComp) und mit bleihaltigen MCP96-Kompensatoren (CComp) erzeugt wurden. Die Feldgröße des offenen Feldes und die maximal mit dem Primärstrahl bestrahlte Fläche bei den IMRT-Feldern betrug 20 × 22 cm2. Die Messungen wurden mit zwei Arten von Thermolumineszenzdetektoren realisiert, um die Photonen- und Neutronenkomponenten der peripheren Dosis separat zu quantifizieren. Außerdem wurden Experimente mit und ohne Phantommaterial im Primärstrahlenbereich durchgeführt, um verschiedene Streudosiskomponenten zu separieren.Ergebnisse:Die Ergebnisse für die Photonenkomponenten und die Neutronenkomponenten sind invers. Beim offenen Feld steigen die Photonenkomponenten mit fallender Photonenenergie. Im Vergleich mit dem offenen Feld steigen die Photonenkomponenten bei Verwendung der IMRT-Felder mit sMLM um den Faktor 1,2–1,8 in Abhängigkeit von Photonenenergie und Tiefe. Bei Verwendung der CComp ist der Faktor größer (2,0–2,2), bei TWComp variiert er von 2,2 bis 2,4. Bei Tiefen von mehr als 20 mm und für alle IMRT-Methoden fällt die Photonenkomponente leicht mit steigender Photonenenergie. Nahe der Oberfläche (10 mm Tiefe) sind die Photonenkomponenten merklich höher als in größeren Tiefen, und sie steigen mit höherer Photonenenergie. Die Neutronenkomponente war erwartungsgemäß nur für 15 MV vorhanden; sie war um den Faktor 4 (sMLM) bzw. um etwa den Faktor 1,5 (CComp oder TWComp) relativ zum offenen Feld erhöht. Die Experimente mit verschiedenen Streubedingungen zeigen, dass in Abhängigkeit von der Photonenenergie ungefähr 50–70% der Photonenkomponenten und 100% der Neutronenkomponenten aus dem Beschleunigerkopf kommen.Schlussfolgerung:PD bei IMRT können durch angemessene Auswahl der Applikationsmethode und der Photonenenergie minimiert werden. Falls Kompensator-IMRT und MLC-IMRT verfügbar sind, sollte die PD-Belastung bei der Auswahl der Applikationstechnik mit berücksichtigt werden. Die große Menge an Photonenkomponenten und Neutronenkomponenten aufgrund der Durchlassstrahlung vom Beschleunigerkopf legt die Empfehlung nahe, Strahlenschutzaspekte für Patienten, die IMRT erhalten, beim Beschleunigerdesign stärker zu berücksichtigen. Für weitere Klärungen müssen zusätzliche Experimente an Linearbeschleunigern anderer Bauart folgen.

Dynamic MRI and CAD vs. Choline MRS: Where is the detection level for a lesion characterisation in prostate cancer?

Purpose: To evaluate the role of pre-interventional fused high resolution T2-weighted images with parametrically analysed dynamic contrast enhanced T1-weighted magnetic resonance (MR) images (DCE-MRI) and 1H magnetic resonance spectroscopy (MRS) for a precise biopsy for the detection of prostate cancer and for the delineation of intraprostatic subvolumes for intensity modulated radiation therapy (IMRT). Materials and methods: Inclusion criteria: Pathological prostate-specific antigen values (PSA) and/or previously negative transrectal ultrasound guided biopsy. Standardised biopsy of the prostate divided into 20 regions. Image fusion of coloured parametric maps derived from DCE-MRI and MRS (single voxel spectroscopy, SVS; chemical shift imaging, CSI) with T2 images for morphological localisation using the MR-workstation, a separate CAD-workstation (CAD: computer aided diagnosis) or a radiation treatment planning system. Correlation of these intraprostatic subvolumes with histology and cytokeratin-positive areas in prostatectomy species. Results: DCE-MRI: Sensitivity 82%, specificity 89%, accuracy 88%, positive predictive value 61%, negative predictive value 96%. SVS: Sensitivity 55%, specificity 62%. CSI: Sensitivity 68%, specificity 67%. False positive findings due to prostatitis, adenomatous hyperplasia, false negative findings due to low signal (PIN (prostatic intraepithelial neoplasia), cut-off level for DCE-MRI: lesions smaller 3 mm and less than 30% cancer cells, for SVS: lesions smaller 8 mm and less than 50% cancer cells), for CSI: lesions smaller 4 mm and less than 40% cancer cells. Our MR data are correlated with published choline PET/CT data (PET/CT: hybrid scanner of positron emission tomography and computed tomography). Conclusions: DCE-MRI and MRS are helpful for a precise biopsy of the prostate. The European Society for Therapeutic Radiology and Oncology (ESTRO) guidelines 2006 for radiation treatment planning of the prostate have to be revised, if the standardised biopsy will be replaced by a lesion-orientated biopsy. Until now it is unclear, if the parametric maps of DCE-MRI and MRS can be used for radiation treatment planning of the prostate.

IMRT with compensators for head-and-neck cancers treatment technique, dosimetric accuracy, and practical experiences.

Background and Purpose:With three-dimensional conformal intensity-modulated radiotherapy (3D-c-IMRT) a heterogeneous dose distribution can be achieved in both planning treatment volume and in adjacent normal tissues and organs to be spared. 3D-c-IMRT demands for modified photon fluence profiles which can be accomplished with different techniques. This report deals with the commissioning of metal compensators and the first experiences in clinical use. Dosimetric accuracy, dose coverage and practical experience like treatment delivery time, monitor units and dose outside the treated volume are evaluated.Patients and Methods:From January 2002 to April 2004, 24 patients with head-and-neck cancers were treated with 3D-c-IMRT using tin-wax compensators. The dose prescription included a simultaneously integrated boost (SIB). High-dose volume was irradiated with 60–70 Gy (median 66 Gy), low-dose volume with 48–54 Gy (median 52 Gy) administered by a standardized seven- portal coplanar beam arrangement. Dose at one parotid gland was aimed at 26 Gy. The compensators used consisted of tin granules embedded in wax; recalculation was performed with compensators made of the alloy MCP96 as well.Results:In 21 of 24 patients 3D-c-IMRT with tin-wax compensators reduced the median dose to one parotid gland to < 30 Gy. Recalculation with compensators with higher density which allowed higher attenuation revealed better protection of the parotid gland. The treatment delivery time per fraction was between 6 and 12 min (plus time for patient positioning), approximately 300 MU per 2 Gy were applied. The dose outside the treated volume was increased with regard to open fields and comparable with a physical wedge of 15–30°. Quality assurance and treatment of patient were fast and simple. It was shown, that calculated dose distribution corresponded to measured dose distribution with high accuracy.Conclusion:The described method offers facilities for a good dose coverage of irregular target volumes with different prescribed doses and a considerable dose reduction in adjacent organs at risk. The dose sparing of organs at risk can be further improved, if a compensator material with higher density is used.Hintergrund und Ziel:Mit der dreidimensionalen konformalen intensitätsmodulierten Strahlentherapie (3D-c-IMRT) kann eine heterogene Dosisverteilung sowohl im Planungszielvolumen als auch in benachbartem Normalgewebe und zu schonenden Organen erreicht werden. Die 3D-c-IMRT erfordert modifizierte Photonenfluenzprofile, die mit verschiedenen Technologien zustande gebracht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Erprobung der Metallkompensatoren und den ersten Erfahrungen in der klinischen Anwendung. Dosimetrische Genauigkeit, Dosiserfassung und praktische Erfahrungen wie Bestrahlungszeit, Monitoreinheiten und Dosis außerhalb des bestrahlten Volumens werden beurteilt.Patienten und Methodik:Von Januar 2002 bis April 2004 wurden 24 Patienten mit einem HNO-Tumor mit der 3D-c-IMRT-Technik mit Zinn-Wachs-Kompensatoren behandelt. Die Dosisverordnung schloss einen gleichzeitigen integrierten Boost ein. Das Hochdosisvolumen wurde mit 60–70 Gy (median 66 Gy), das Niedrigdosisvolumen mit 48–54 Gy (median 52 Gy) mit einer koplanaren standardisierten Sieben-Felder-Technik behandelt. Die Zieldosis an einer Glandula parotidea betrug 26 Gy. Die verwendeten Kompensatoren bestanden aus Zinngranulat, eingebettet in Wachs; zudem wurden Neuberechnungen mit Kompensatoren aus einer MCP96-Legierung durchgeführt.Ergebnisse:Für 21 von 24 Patienten reduzierte die 3D-c-IMRT mit Zinn-Wachs-Kompensatoren die Mediandosis für eine Glandula parotidea auf < 30 Gy. Eine Neuberechnung mit Kompensatoren höherer Dichte, die eine höhere Schwächung ermöglichen, ergab eine bessere Schonung der Glandula parotidea. Die Behandlungszeit pro Fraktion betrug 6–12 min (zuzüglich Patientenlagerung); etwa 300 MU wurden für 2 Gy appliziert. Die Dosis des Patienten außerhalb des bestrahlten Volumens war gegenüber offenen Feldern erhöht und vergleichbar mit einem physikalischen Keil von 15–30°. Qualitätssicherung und Patientenbestrahlung waren einfach und schnell. Es wurde gezeigt, dass berechnete und gemessene Dosisverteilung mit sehr hoher Genauigkeit übereinstimmten.Schlussfolgerung:Die beschriebene Methode ermöglicht eine gute Dosiserfassung irregulärer Zielvolumina mit unterschiedlicher verordneter Dosis und eine beträchtliche Dosisreduktion in angrenzenden Risikoorganen. Die Dosisschonung der Risikoorgane kann weiter verbessert werden, wenn ein Kompensatormaterial mit höherer Dichte verwendet wird.

IMRT with Compensators for Head-and-Neck Cancers

Background and Purpose:With three-dimensional conformal intensity-modulated radiotherapy (3D-c-IMRT) a heterogeneous dose distribution can be achieved in both planning treatment volume and in adjacent normal tissues and organs to be spared. 3D-c-IMRT demands for modified photon fluence profiles which can be accomplished with different techniques. This report deals with the commissioning of metal compensators and the first experiences in clinical use. Dosimetric accuracy, dose coverage and practical experience like treatment delivery time, monitor units and dose outside the treated volume are evaluated.Patients and Methods:From January 2002 to April 2004, 24 patients with head-and-neck cancers were treated with 3D-c-IMRT using tin-wax compensators. The dose prescription included a simultaneously integrated boost (SIB). High-dose volume was irradiated with 60–70 Gy (median 66 Gy), low-dose volume with 48–54 Gy (median 52 Gy) administered by a standardized seven- portal coplanar beam arrangement. Dose at one parotid gland was aimed at 26 Gy. The compensators used consisted of tin granules embedded in wax; recalculation was performed with compensators made of the alloy MCP96 as well.Results:In 21 of 24 patients 3D-c-IMRT with tin-wax compensators reduced the median dose to one parotid gland to < 30 Gy. Recalculation with compensators with higher density which allowed higher attenuation revealed better protection of the parotid gland. The treatment delivery time per fraction was between 6 and 12 min (plus time for patient positioning), approximately 300 MU per 2 Gy were applied. The dose outside the treated volume was increased with regard to open fields and comparable with a physical wedge of 15–30°. Quality assurance and treatment of patient were fast and simple. It was shown, that calculated dose distribution corresponded to measured dose distribution with high accuracy.Conclusion:The described method offers facilities for a good dose coverage of irregular target volumes with different prescribed doses and a considerable dose reduction in adjacent organs at risk. The dose sparing of organs at risk can be further improved, if a compensator material with higher density is used.Hintergrund und Ziel:Mit der dreidimensionalen konformalen intensitätsmodulierten Strahlentherapie (3D-c-IMRT) kann eine heterogene Dosisverteilung sowohl im Planungszielvolumen als auch in benachbartem Normalgewebe und zu schonenden Organen erreicht werden. Die 3D-c-IMRT erfordert modifizierte Photonenfluenzprofile, die mit verschiedenen Technologien zustande gebracht werden. Diese Arbeit befasst sich mit der Erprobung der Metallkompensatoren und den ersten Erfahrungen in der klinischen Anwendung. Dosimetrische Genauigkeit, Dosiserfassung und praktische Erfahrungen wie Bestrahlungszeit, Monitoreinheiten und Dosis außerhalb des bestrahlten Volumens werden beurteilt.Patienten und Methodik:Von Januar 2002 bis April 2004 wurden 24 Patienten mit einem HNO-Tumor mit der 3D-c-IMRT-Technik mit Zinn-Wachs-Kompensatoren behandelt. Die Dosisverordnung schloss einen gleichzeitigen integrierten Boost ein. Das Hochdosisvolumen wurde mit 60–70 Gy (median 66 Gy), das Niedrigdosisvolumen mit 48–54 Gy (median 52 Gy) mit einer koplanaren standardisierten Sieben-Felder-Technik behandelt. Die Zieldosis an einer Glandula parotidea betrug 26 Gy. Die verwendeten Kompensatoren bestanden aus Zinngranulat, eingebettet in Wachs; zudem wurden Neuberechnungen mit Kompensatoren aus einer MCP96-Legierung durchgeführt.Ergebnisse:Für 21 von 24 Patienten reduzierte die 3D-c-IMRT mit Zinn-Wachs-Kompensatoren die Mediandosis für eine Glandula parotidea auf < 30 Gy. Eine Neuberechnung mit Kompensatoren höherer Dichte, die eine höhere Schwächung ermöglichen, ergab eine bessere Schonung der Glandula parotidea. Die Behandlungszeit pro Fraktion betrug 6–12 min (zuzüglich Patientenlagerung); etwa 300 MU wurden für 2 Gy appliziert. Die Dosis des Patienten außerhalb des bestrahlten Volumens war gegenüber offenen Feldern erhöht und vergleichbar mit einem physikalischen Keil von 15–30°. Qualitätssicherung und Patientenbestrahlung waren einfach und schnell. Es wurde gezeigt, dass berechnete und gemessene Dosisverteilung mit sehr hoher Genauigkeit übereinstimmten.Schlussfolgerung:Die beschriebene Methode ermöglicht eine gute Dosiserfassung irregulärer Zielvolumina mit unterschiedlicher verordneter Dosis und eine beträchtliche Dosisreduktion in angrenzenden Risikoorganen. Die Dosisschonung der Risikoorgane kann weiter verbessert werden, wenn ein Kompensatormaterial mit höherer Dichte verwendet wird.

VERIDOS: a new tool for quality assurance for intensity modulated radiotherapy.

Background: The use of intensity modulated radiation fields needs an extended quality assurance concept. This consists of a linac related part and a case related part. Case related means the verification of an individual treatment plan, optimized on a CT data set of an individual patient and prepared for the treatment of this patient. This part of the quality assurance work is usually time consuming, delivers only partially quantitative results and is uncomfortable without additional help. It will be shown in this paper how the software VERIDOS will improve the optimization of the case related part of the quality assurance work. Material and Methods: The main function of the software is the quantitative comparison of the calculated dose distribution from the treatment planning software with the measured dose distribution of an irradiated phantom. Several additional functions will be explained. Two self-developed phantoms made of RW3 (solid water) and GAFCHROMIC films or Kodak EDR2 films for the measurement of the dose distributions were used. VERIDOS was tested with the treatment planning systems Helay-TMS and Brainscan. Results: VERIDOS is a suitable tool for the import of calculated dose matrices from the treatment planning systems Helax-TMS and Brainscan and of measured dose matrices exported from the dosimetry software Mephysto (PTW). The import from other treatment planning systems and scanning software applications for film dosimetry is generally possible. In such case the import function has to be adapted to the special header of the import matrix. All other functions of this software tool like normalization (automatically, manually), working with corrections (ground substraction, factors), overlay/comparison of dose distributions, difference matrix, cutting function (profiles) and export functions work reliable. Conclusions: VERIDOS improves the optimization of the case related part of the quality assurance work for intensity modulated radiation therapy (IMRT). The diverse functions of the software offer the radiation physicist a wide base to verify the IMRT plan independent from the mode of its delivery (compensator technology or MLC technology).Hintergrund: Der Einsatz intensitätsmodulierter Felder setzt ein erweitertes Qualitätssicherungskonzept voraus. Dies gliedert sich in einen rein maschinenbezogenen und einen fallbezogenen Teil. Als fallbezogen wird hier die Überprüfung eines individuellen Bestrahlungsplans, der am CT-Datensatz eines speziellen Patienten optimiert wurde und der für dessen Bestrahlung vorgesehen ist, verstanden. Dieser Teil der Qualitätssicherung nimmt in aller Regel viel Zeit in Anspruch, erbringt nur teilweise quantitative Ergebnisse und ist ohne zusätzliche Hilfsmittel wenig komfortabel. In den vorliegenden Ausführungen soll gezeigt werden, wie dieses Programm zur Optimierung des fallbezogenen Teils der Qualitätssicherung beiträgt. Material und Methode: Die Hauptfunktion des Programms besteht darin, im Bestrahlungsplanungsprogramm berechnete Dosisverteilungen mit im Phantom gemessenen Dosisverteilungen quantitativ zu vergleichen. Weitere Funktionen werden erläutert. Zur Erfassung der Dosisverteilung wurden zwei selbst entwickelte RW3-Phantome und sowohl GAFCHROMIC- als auch Kodak EDR2-Filme eingesetzt. Getestet wurde VERIDOS mit den Bestrahlungsplanungssystemen Helax-TMS und Brainscan. Ergebnisse: VERIDOS eignet sich zum Import von berechneten Dosismatrizen aus den Bestrahlungsplanungssystemen Helax-TMS und Brainscan. Es eignet sich zum Import von gemessenen und ausgelesenen Dosismatrizen aus der PTW-Dosimetriesoftware Mephysto. Der Import aus weiteren Bestrahlungsplanungssystemen und PC-Scannerapplikationen zur Filmdosimetrie ist generell möglich. In solch einem Fall müsste die Importfunktion an den jeweiligen Header der zu importierenden Matrix angepasst werden. Alle Funktionen des Auswerteprogramms wie Normierung (automatisch, manuell), Einfügen von Korrekturen (Schleierabzug, Faktoren), Überlagerung/Vergleich von Dosisverteilungen, Differenzbildung, Herausschneiden von überlagerten Profilen und Export funktionieren zuverlässig. Schlussfolgerungen: VERIDOS leistet einen Beitrag zur Optimierung der fallbezogenen Qualitätssicherung bei der intensitätsmodulierten Strahlentherapie (IMRT). Die verschiedenen Funktionen innerhalb des Programms bieten dem Klinikphysiker eine breite Basis zur Beurteilung der Güte der Realisierbarkeit des IMRT-Planes unabhängig davon, ob die Dosismodulation mit Kompensatoren oder MLC gewährleistet wird.

Does IMRT increase the peripheral radiation dose? A comparison of treatment plans 2000 and 2010.

It has been reported in several papers and textbooks that IMRT treatments increase the peripheral dose in comparison with non-IMRT fields. But in clinical practice not only open fields have been used in the pre-IMRT era, but also fields with physical wedges or composed fields. The aim of this work is to test the hypothesis of increased peripheral dose when IMRT is used compared to standard conformal radiotherapy. Furthermore, the importance of the measured dose differences in clinical practice is discussed and compared with other new technologies for the cases where an increase of the peripheral dose was observed. For cancers of the head and neck, the cervix, the rectum and for the brain irradiation due to acute leukaemia, one to four plans have been calculated with IMRT or conformal standard technique (non-IMRT). In an anthropomorphic phantom the dose at a distance of 30cm in cranio-caudal direction from the target edge was measured with TLDs using a linear accelerator Oncor (®) (Siemens) for both techniques. IMRT was performed using step-and-shoot technique (7 to 11 beams), non-IMRT plans with different techniques. The results depended on the site of irradiation. For head and neck cancers IMRT resulted in an increase of 0.05 - 0.09% of the prescribed total dose (Dptv) or 40 - 70 mGy (Dptv=65Gy), compared to non-IMRT technique without wedges or a decrease of 0.16% (approx. 100 mGy) of the prescribed total dose compared to non-IMRT techniques with wedges. For the cervical cancer IMRT resulted in an increased dose in the periphery (+ 0.07% - 0.15% of Dptv or 30 - 70 mGy at Dptv=45Gy), for the rectal cancer in a dose reduction (0.21 - 0.26% of Dptv or 100 - 130 mGy at Dptv=50Gy) and for the brain irradiation in an increase dose (+ 0.05% of Dptv=18Gy or 9 mSv). In summary IMRT does not uniformly cause increased radiation dose in the periphery in the model used. It can be stated that these dose values are smaller than reported in earlier papers. Slightly increased additional radiation dose in the periphery is likely to be counterbalanced by the much higher conformity and the often better homogeneity.

3D-conformal-intensity modulated radiotherapy with compensators for head and neck cancer: clinical results of normal tissue sparing

BackgroundTo investigate the potential of parotic gland sparing of intensity modulated radiotherapy (3D-c-IMRT) performed with metallic compensators for head and neck cancer in a clinical series by analysis of dose distributions and clinical measures.Materials and methods39 patients with squamous cell cancer of the head and neck irradiated using 3D-c-IMRT were evaluable for dose distribution within PTVs and at one parotid gland and 38 patients for toxicity analysis. 10 patients were treated primarily, 29 postoperatively, 19 received concomittant cis-platin based chemotherapy, 20 3D-c-IMRT alone. Initially the dose distribution was calculated with Helax ® and photon fluence was modulated using metallic compensators made of tin-granulate (n = 22). Later the dose distribution was calculated with KonRad ® and fluence was modified by MCP 96 alloy compensators (n = 17). Gross tumor/tumor bed (PTV 1) was irradiated up to 60–70 Gy, [5 fractions/week, single fraction dose: 2.0–2.2 (simultaneously integrated boost)], adjuvantly irradiated bilateral cervical lymph nodes (PTV 2) with 48–54 Gy [single dose: 1.5–1.8]). Toxicity was scored according the RTOG scale and patient-reported xerostomia questionnaire (XQ).ResultsMean of the median doses at the parotid glands to be spared was 25.9 (16.3–46.8) Gy, for tin graulate 26 Gy, for MCP alloy 24.2 Gy. Tin-granulate compensators resulted in a median parotid dose above 26 Gy in 10/22, MCP 96 alloy in 0/17 patients. Following acute toxicities were seen (°0–2/3): xerostomia: 87%/13%, dysphagia: 84%/16%, mucositis: 89%/11%, dermatitis: 100%/0%. No grade 4 reaction was encountered. During therapy the XQ forms showed °0–2/3): 88%/12%. 6 months postRT chronic xerostomia °0–2/3 was observed in 85%/15% of patients, none with °4 xerostomia.Conclusion3D-c-IMRT using metallic compensators along with inverse calculation algorithm achieves sufficient parotid gland sparing in virtually all advanced head and neck cancers. Since the concept of lower single (and total) doses in the adjuvantly treated volumes reduces acute morbidity 3D-c-IMRT nicely meets demands of concurrent chemotherapy protocols.