Kai Schubert

Helical tomotherapy. Experiences of the first 150 patients in Heidelberg.

Background and Purpose:Helical tomotherapy was introduced into clinical routine at the Department of Radiation Oncology, University Hospital of Heidelberg, Germany, in July 2006. This report is intended to describe the experience with the first 150 patients treated with helical tomotherapy. Patient selection, time effort, handling of daily image guidance with megavoltage (MV) CT, and quality of radiation plans shall be assessed.Patients and Methods:Between July 2006 and May 2007, 150 patients were treated with helical tomotherapy in the University Hospital of Heidelberg. Mean age was 60 years with a minimum of 30 years and a maximum of 85 years. 79 of these patients received radiotherapy as a part of multimodal treatment pre- or postoperatively, 17 patients received treatment as a combined radiochemotherapy. 76% were treated with curative intent. Radiotherapy sites were central nervous system (n = 7), head and neck (n = 28), thoracic (n = 37), abdominal (n = 58) and skeletal system (n = 20). Most common tumor entities were prostate cancer (n = 28), breast cancer (n = 17), gastrointestinal tumors (n = 19), pharyngeal carcinoma (n = 14), lymphoma (n = 13), metastatic disease (bone n = 14, liver n = 6, lung n = 4, lymph node n = 2), sarcoma (n = 8), malignant pleural mesothelioma (n = 5), ovarian cancer treated with whole abdominal irradiation (n = 4), lung cancer (n = 3), skin malignancies (n = 3), chordoma (n = 2), meningioma (n = 2), one ependymoma and one medulloblastoma treated with craniospinal axis irradiation (n = 2), and others (n = 4). Nine patients were treated with single-fraction radiosurgery, nine with image-guided spinal reirradiation, and twelve patients were treated at multiple targets simultaneously. A pretreatment MV-CT scan was performed in 98.2% of the 3,026 fractions applied. After matching with the kilovoltage planning CT, corrections for translations and rotation around longitudinal axis (roll) were done.Results:Mean time on table was 24.8 min for the mentioned tumor entities with fractionated radiation, mean treatment time 10.7 min. Mean correction vector after MV-CT registration was 6.9 mm. With helical tomotherapy it was possible to achieve highly conformal dose distributions for targets of all sizes and multiple targets within one procedure. Image guidance with MV-CT allowed daily position correction and safe and precise treatment application. This was feasible even if the desired immobilization was not possible due to obesity, claustrophobia, pain, or neurologic or orthopedic impairment.Conclusion:Helical tomotherapy and daily image guidance with MV-CT could fast be introduced into daily clinical routine. This technique allows precise intensity-modulated radiotherapy (IMRT) in standard cases and offers new treatment options in a huge variety of difficult cases.Hintergrund und Ziel:Die helikale Tomotherapie wurde im Juli 2006 in der radioonkologischen Abteilung der Universitätsklinik Heidelberg in die klinische Routine eingeführt. Diese Arbeit soll die Erfahrungen der ersten 150 mit helikaler Tomotherapie behandelten Patienten beschreiben. Die Selektion der Patienten, Zeitaufwand, täglicher Gebrauch der Bildführung mittels Megavolt-(MV-)CT sowie die Qualität der Bestrahlungspläne sollen untersucht werden.Patienten und Methodik:Zwischen Juli 2006 und Mai 2007 wurden 150 Patienten mittels helikaler Tomotherapie im Universitätsklinikum Heidelberg behandelt. Das mittlere Alter betrug 60 Jahre mit einem Minimum von 30 Jahren und einem Maximum von 85 Jahren. 79 der Patienten erhielten eine Radiotherapie als Teil einer multimodalen Behandlung prä- oder postoperativ, 17 Patienten wurden einer kombinierten Radiochemotherapie unterzogen. 76% wurden in kurativer Absicht therapiert. Orte der Radiotherapieapplikation waren zentrales Nervensystem (n = 7), Kopf/Hals (n = 28), Thorax (n = 37), Abdomen (n = 58) und Skelettsystem (n = 20). Die häufigsten Tumorentitäten waren Prostatakarzinome (n = 28), Mammakarzinome (n = 17), gastrointestinale Tumoren (n = 19), Pharynxkarzinome (n = 14), Lymphome (n = 13), Metastasen (ossär n = 14, hepatisch n = 6, pulmonal n = 4, Lymphknoten n = 2), Sarkome (n = 8), maligne Pleuramesotheliome (n = 5), Ovarialkarzinome, die mittels Ganzabdomenbestrahlung behandelt wurden (n = 4), Bronchialkarzinome (n = 3), Hautmalignome (n = 3), Chordome (n = 2), Meningeome (n = 2), ein Ependymom und ein Medulloblastom, welche mittels Neuroachsenbestrahlung behandelt wurden, sowie andere Histologien (n = 4). Neun Patienten erhielten eine radiochirurgische Therapie in einer einzelnen Fraktion, neun Patienten eine bildgeführte spinale Rebestrahlung, und zwölf Patienten wurden an multiplen Targets gleichzeitig behandelt. Ein prätherapeutisches MV-CT wurde in 98,2% der 3 026 applizierten Fraktionen durchgeführt, und nach dem Matching wurden hierauf basierend Korrekturen für Translationen und Rotation um die Longitudinalachse („roll“) durchgeführt.Ergebnisse:Für die beschriebenen Tumorentitäten betrug die durchschnittliche Zeit auf dem Bestrahlungstisch bei fraktionierter Bestrahlung 24,8 min, die durchschnittliche Nettobehandlungszeit 10,7 min. Der mittlere Korrekturvektor nach MV-CT-Matching lag bei 6,9 mm. Mittels helikaler Tomotherapie war es möglich, hochkonformale Dosisverteilungen für Zielvolumina aller Größen oder multiple Zielvolumina in einer einzelnen Bestrahlungsprozedur zu erzielen. Dabei erlaubte die tägliche Bildführung mittels MV-CT eine sichere Positionskorrektur und präzise Durchführung der Therapie. Dies war auch möglich, wenn eine gewünschte Immobilisation aufgrund von Platzangst, Adipositas, Schmerzen oder neurologischer oder orthopädischer Begleiterkrankungen nicht vorgenommen werden konnte.Schlussfolgerung:Helikale Tomotherapie und tägliche Bildführung mittels MV-CT konnten schnell und erfolgreich in die klinische Routine eingeführt werden. Diese Technik ermöglicht die präzise und schonende Behandlung von Standardfällen mittels intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT) und eröffnet neue Behandlungsoptionen für schwierige Fälle.

Helical Tomotherapy as a New Treatment Technique for Whole Abdominal Irradiation

Purpose:To describe a new intensity-modulated radiotherapy (IMRT) technique using helical tomotherapy for whole abdominal irradiation (WAI) in patients with advanced ovarian cancer.Material and Methods:A patient with radically operated ovarian cancer FIGO stage IIIc was treated in a prospective clinical trial with WAI to a total dose of 30 Gy in 1.5-Gy fractions as an additional therapy after adjuvant platinum-based chemotherapy. The planning target volume (PTV) included the entire peritoneal cavity. PTV was adapted according to breathing motion as detected in a four-dimensional respiratory-triggered computed tomography (4D-CT). Inverse treatment planning was done with the Hi-Art tomotherapy planning station. Organs at risk (OARs) were kidneys, liver, bone marrow, spinal cord, thoracic and lumbosacral vertebral bodies, and pelvic bones. Daily control of positioning accuracy was performed with megavoltage computed tomography (MV-CT).Results:Helical tomotherapy enabled a very homogeneous dose distribution with excellent sparing of OARs and coverage of the PTV (V90 of 93.1%, V95 of 86.9%, V105 of 1.9%, and V110 of 0.01%). Mean liver dose was 21.57 Gy and mean kidney doses were 9.75 Gy and 9.14 Gy, respectively. Treatment could be performed in 18.1 min daily and no severe side effects occurred.Conclusion:Helical tomotherapy is feasible and fast for WAI. Tomotherapy enabled excellent coverage of the PTV and effective sparing of liver, kidneys and bone marrow.Ziel:Beschreibung der ersten klinischen Erfahrungen mit einer helikalen Tomotherapie als neuartiges Therapieverfahren für eine intensitätsmodulierte Ganzabdomenbestrahlung in der adjuvanten Therapie des fortgeschrittenen Ovarialkarzinoms.Material und Methodik:Eine Patientin mit Ovarialkarzinom im Stadium FIGO IIIc wurde im Rahmen einer prospektiven klinischen Studie nach radikaler Operation und sechs Zyklen adjuvanter platinhaltiger Chemotherapie zusätzlich mit einer Ganzabdomenbestrahlung mittels helikaler Tomotherapie behandelt. Die Gesamtdosis betrug 30 Gy mit einer wöchentlichen Fraktionierung von 5 × 1,5 Gy. Das Planungszielvolumen (PTV) umfasste die gesamte Peritonealhöhle unter Einschluss der paraaortalen und pelvinen Lymphabflusswege. Das Ausmaß des Zielvolumens wurde der Atembewegung auf Basis einer atemgetriggerten vierdimensionalen Computertomographie (4D-CT) angepasst. Es wurde mit dem Hi-Art-tomotherapy-Planungssystem invers geplant. Als Risikoorgane wurden Nieren, Leber, Rückenmark, Brustwirbelsäule, Lendenwirbelsäule und knöchernes Becken definiert. Die korrekte Patientenpositionierung wurde mittels Megavolt-Computertomographie (MV-CT) täglich kontrolliert.Ergebnisse:Mittels helikaler Tomotherapie konnten eine homogene Dosisverteilung, eine exzellente Schonung der Risikoorgane sowie eine ausgezeichnete Erfassung des PTV erreicht werden (V90: 93,1%, V95: 86,9%, V105: 1,9%, V110: 0,01%). Die mediane Dosis an der Leber betrug 21,57 Gy und an den Nieren jeweils 9,75 Gy und 9,14 Gy. Die tägliche Bestrahlungsdauer lag bei 18,1 min. Es traten keine schweren Nebenwirkungen CTC (Common Toxicity Criteria) Grad 3 oder 4 auf.Schlussfolgerung:Die Ganzabdomenbestrahlung mittels helikaler Tomotherapie ist machbar und in der klinischen Routine einsetzbar. Mit der helikalen Tomotherapie konnte eine exzellente Erfassung des PTV bei gleichzeitig sehr guter Schonung von Leber, Nieren und Knochenmark erreicht werden.

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.

Evaluating target coverage and normal tissue sparing in the adjuvant radiotherapy of malignant pleural mesothelioma: Helical tomotherapy compared with step-and-shoot IMRT

PURPOSE To evaluate the potential of helical tomotherapy in the adjuvant treatment of malignant pleural mesothelioma and compare target homogeneity, conformity and normal tissue dose with step-and-shoot intensity-modulated radiotherapy. METHODS AND MATERIALS Ten patients with malignant pleural mesothelioma who had undergone neoadjuvant chemotherapy with cisplatin and permetrexed followed by extrapleural pneumonectomy (EPP) were treated in our department with 54 Gy to the hemithorax delivered by step-and-shoot IMRT. A planning comparison was performed by creating radiation plans for helical tomotherapy. The different plans were compared by analysing target homogeneity using the homogeneity indices HI(max) and HI(min) and target conformity by using the conformity index CI(95). To assess target coverage and normal tissue sparing TV(90), TV(95) and mean and maximum doses were compared. RESULTS Both modalities achieved excellent dose distributions while sparing organs at risk. Target coverage and homogeneity could be increased significantly with helical tomotherapy compared with step-and-shoot IMRT. Mean dose to the contralateral lung could be lowered beyond 5 Gy. CONCLUSIONS Our planning study showed that helical tomotherapy is an excellent option for the adjuvant intensity-modulated radiotherapy of MPM. It is capable of improving target coverage and homogeneity.

Open low-field magnetic resonance imaging in radiation therapy treatment planning

PURPOSE To evaluate the possibilities of an open low-field magnetic resonance imaging (MRI) scanner in external beam radiotherapy treatment (RT) planning. METHODS AND MATERIALS A custom-made flat tabletop was constructed for the open MR, which was compatible with standard therapy positioning devices. To assess and correct image distortion in low-field MRI, a custom-made phantom was constructed and a software algorithm was developed. A total of 243 patients (43 patients with non-small-cell lung cancer, 155 patients with prostate cancer, and 45 patients with brain tumors) received low-field MR imaging in addition to computed tomographic (CT) planning imaging between January 1998 and September 2001 before the start of the irradiation. RESULTS Open low-field MRI provided adequate images for RT planning in nearly 95% of the examined patients. The mean and the maximal distortions 15 cm around the isocenter were reduced from 2.5 mm to 0.9 mm and from 6.1 mm to 2.1 mm respectively. The MRI-assisted planning led to better discrimination of tumor extent in two-thirds of the patients and to an optimization in lung cancer RT planning in one-third of the patients. In prostate cancer planning, low-field MRI resulted in significant reduction (40%) of organ volume and clinical target volume (CTV) compared with CT and to a reduction of the mean percentage of rectal dose of 15%. In brain tumors, low-field MR image quality was superior compared with CT in 39/45 patients for planning purposes. CONCLUSIONS The data presented here show that low-field MRI is feasible in RT treatment planning when image correction regarding system-induced distortions is performed and by selecting MR imaging protocol parameters with the emphasis on adequate images for RT planning.

DYNAMIC JAWS AND DYNAMIC COUCH IN HELICAL TOMOTHERAPY

PURPOSE To investigate the next generation of helical tomotherapy delivery with dynamic jaw and dynamic couch movements. METHODS AND MATERIALS The new technique of dynamic jaw and dynamic couch movements is described, and a comparative planning study is performed. Ten nasopharyngeal cancer patients with skull base infiltration were chosen for this comparison of longitudinal dose profiles using regular tomotherapy delivery, running-start-stop treatment, and dynamic jaw and dynamic couch delivery. A multifocal simultaneous integrated boost concept was used (70.4Gy to the primary tumor and involved lymph nodes; 57.4Gy to the bilateral cervical lymphatic drainage pathways, 32 fractions). Target coverage, conformity, homogeneity, sparing of organs at risk, integral dose, and radiation delivery time were evaluated. RESULTS Mean parotid dose for all different deliveries was between 24.8 and 26.1Gy, without significant differences. The mean integral dose was lowered by 6.3% by using the dynamic technique, in comparison with a 2.5-cm-field width for regular delivery and 16.7% with 5-cm-field width for regular delivery. Dynamic jaw and couch movements reduced the calculated radiation time by 66% of the time required with regular 2.5-cm-field width delivery (199 sec vs. 595 sec, p < 0.001). CONCLUSIONS The current delivery mode of helical tomotherapy produces dose distributions with conformal avoidance of parotid glands, brain stem, and spinal cord. The new technology with dynamic jaw and couch movements improves the plan quality by reducing the dose penumbra and thereby reducing the integral dose. In addition, radiation time is reduced by 66% of the regular delivery time.

Reirradiation of multiple brain metastases with helical tomotherapy

Background and Purpose:Recurrent brain metastases or new brain lesions after whole-brain radiotherapy represent a therapeutic challenge. While several treatment methods for single or few lesions have been described, options for multiple lesions are limited. This case report is intended to show an approach of whole-brain reirradiation with a simultaneous multifocal integrated boost using helical tomotherapy. Technique, feasibility, and acute side effects are presented.Patients and Methods:Two patients with multiple relapsed brain metastases (eight and eleven lesions) were reirradiated after previous whole-brain radiotherapy (total dose of 40 Gy 18 months before). Whole-brain reirradiation was performed using helical tomotherapy with a total dose of 15 Gy (single dose 1.5 Gy) and a multifocal simultaneous integrated boost with a total dose of 30 Gy (single dose 3 Gy) to the brain lesions. The boost planning target volume was delineated around the lesions visible on MRI plus a 2-mm margin. Follow-up of these patients was 6 and 12 months.Results:Radiation plans with excellent conformity and homogeneity were obtained. High dose exposure to normal brain tissue was kept minimal. Mean radiation time was 13 min. The only acute side effect observed was a mild headache over 2 days at the end of treatment. So far, no further side effects and no signs of recurrence have been observed.Conclusion:Helical tomotherapy offers new treatment options for the reirradiation of multiple brain metastases. The number of cases treated with the described protocol is very limited but it is considered a promising option for patients that have responded well to the initial radiotherapy and are in a good performance status.Hintergrund und Ziel:Rezidive von Hirnmetastasen oder neue Herde nach vorangegangener Ganzhirnbestrahlung stellen eine therapeutische Herausforderung dar. Während mehrere Techniken zur Behandlung singulärer oder weniger Läsionen beschrieben wurden, sind die Optionen bei multiplen Metastasen limitiert. Dieser Fallbericht beschreibt einen Ansatz der Ganzhirnrebestrahlung mit simultanem multifokalem integriertem Boost mittels helikaler Tomotherapie. Technik, Machbarkeit und akute Nebenwirkungen werden berichtet.Patienten und Methodik:Zwei Patienten mit multiplen Rezidiven von Hirnmetastasen (acht bzw. elf Herde) wurden nach vorangegangener Ganzhirnradiotherapie rebestrahlt (40 Gy 18 Monate zuvor). Mittels helikaler Tomotherapie wurden das Neurokranium mit einer Dosis von 15 Gy (Einzeldosis 1,5 Gy) und die Metastasen selbst mit einem multifokalen simultanen integrierten Boost mit einer Dosis von 30 Gy (Einzeldosis 3 Gy) rebestrahlt. Das Planungszielvolumen des Boosts wurde mit einem 2-mm-Sicherheitssaum um die Kontrastmittelaufnahme im MRT definiert. Der Nachbeobachtungszeitraum dieser Patienten betrug 6 bzw. 12 Monate.Ergebnisse:Es konnten Bestrahlungspläne mit hervorragender Konformität und Homogenität erreicht werden. Die Hochdosisbelastung des Hirnparenchyms konnte gering gehalten werden. Die mittlere Bestrahlungszeit betrug 13 min. Einzige Akutnebenwirkung war ein geringer Kopfschmerz zum Ende der Behandlung. Es wurden keine weiteren Toxizitäten oder Zeichen eines Rezidivs beobachtet.Schlussfolgerung:Die helikale Tomotherapie eröffnet neue Optionen in der Rebestrahlung multipler Hirnmetastasen. Die Anzahl der so behandelten Patienten ist sehr limitiert, dennoch erscheint diese Behandlungsmöglichkeit sehr vielversprechend für Patienten, die auf die initiale Therapie gut angesprochen haben.

Reirradiation of Multiple Brain Metastases with Helical Tomotherapy A Multifocal Simultaneous Integrated Boost for Eight or More Lesions

Background and Purpose:Recurrent brain metastases or new brain lesions after whole-brain radiotherapy represent a therapeutic challenge. While several treatment methods for single or few lesions have been described, options for multiple lesions are limited. This case report is intended to show an approach of whole-brain reirradiation with a simultaneous multifocal integrated boost using helical tomotherapy. Technique, feasibility, and acute side effects are presented.Patients and Methods:Two patients with multiple relapsed brain metastases (eight and eleven lesions) were reirradiated after previous whole-brain radiotherapy (total dose of 40 Gy 18 months before). Whole-brain reirradiation was performed using helical tomotherapy with a total dose of 15 Gy (single dose 1.5 Gy) and a multifocal simultaneous integrated boost with a total dose of 30 Gy (single dose 3 Gy) to the brain lesions. The boost planning target volume was delineated around the lesions visible on MRI plus a 2-mm margin. Follow-up of these patients was 6 and 12 months.Results:Radiation plans with excellent conformity and homogeneity were obtained. High dose exposure to normal brain tissue was kept minimal. Mean radiation time was 13 min. The only acute side effect observed was a mild headache over 2 days at the end of treatment. So far, no further side effects and no signs of recurrence have been observed.Conclusion:Helical tomotherapy offers new treatment options for the reirradiation of multiple brain metastases. The number of cases treated with the described protocol is very limited but it is considered a promising option for patients that have responded well to the initial radiotherapy and are in a good performance status.Hintergrund und Ziel:Rezidive von Hirnmetastasen oder neue Herde nach vorangegangener Ganzhirnbestrahlung stellen eine therapeutische Herausforderung dar. Während mehrere Techniken zur Behandlung singulärer oder weniger Läsionen beschrieben wurden, sind die Optionen bei multiplen Metastasen limitiert. Dieser Fallbericht beschreibt einen Ansatz der Ganzhirnrebestrahlung mit simultanem multifokalem integriertem Boost mittels helikaler Tomotherapie. Technik, Machbarkeit und akute Nebenwirkungen werden berichtet.Patienten und Methodik:Zwei Patienten mit multiplen Rezidiven von Hirnmetastasen (acht bzw. elf Herde) wurden nach vorangegangener Ganzhirnradiotherapie rebestrahlt (40 Gy 18 Monate zuvor). Mittels helikaler Tomotherapie wurden das Neurokranium mit einer Dosis von 15 Gy (Einzeldosis 1,5 Gy) und die Metastasen selbst mit einem multifokalen simultanen integrierten Boost mit einer Dosis von 30 Gy (Einzeldosis 3 Gy) rebestrahlt. Das Planungszielvolumen des Boosts wurde mit einem 2-mm-Sicherheitssaum um die Kontrastmittelaufnahme im MRT definiert. Der Nachbeobachtungszeitraum dieser Patienten betrug 6 bzw. 12 Monate.Ergebnisse:Es konnten Bestrahlungspläne mit hervorragender Konformität und Homogenität erreicht werden. Die Hochdosisbelastung des Hirnparenchyms konnte gering gehalten werden. Die mittlere Bestrahlungszeit betrug 13 min. Einzige Akutnebenwirkung war ein geringer Kopfschmerz zum Ende der Behandlung. Es wurden keine weiteren Toxizitäten oder Zeichen eines Rezidivs beobachtet.Schlussfolgerung:Die helikale Tomotherapie eröffnet neue Optionen in der Rebestrahlung multipler Hirnmetastasen. Die Anzahl der so behandelten Patienten ist sehr limitiert, dennoch erscheint diese Behandlungsmöglichkeit sehr vielversprechend für Patienten, die auf die initiale Therapie gut angesprochen haben.

Einsatzmöglichkeiten eines offenen magnetresonanztomographen in der therapiesimulation und dreidimensionalen bestrahlungsplanung

HintergrundEs wird ein Verfahren zur rein digitalen Einbindung der diagnostischen Information aus einem offenen Niederfeld-MR-Tomographen (0,23 T) in die Therapiesimulation und die CT-gestützte dreidimensionale Bestrahlungsplanung vorgestellt.MethodikDie Bilder der Magnetresonanztomographie (MRT) wurden unter Verwendung spezieller Lagerungs- und Positionierungshilfen mit der Körperspule akquiriert. Standardmäßig wurde eine Gradientenechosequenz mit einer Repetitionszeit von 320 ms und einer Echozeit von 24 ms verwendet, um transversale und koronare Datensätze aufzunehmen. Eventuell auftretende Verzeichnungen der Bilder wurden bestimmt und mittels Phantommessungen und spezieller Software korrigiert.ErgebnisseDie Bildverzeichnungen konnten durch die Verzeichnungskorrektur von maximal 19 mm auf maximal 8,2 mm und durchschnittlich von 2,7 mm auf 0,7 mm korrigiert werden. Für den Einsatz am Therapiesimulator wurden koronare Aufnahmen verwendet und gemäß Strahlensatz in die Fächerstrahlprojektion umgerechnet. Ein Landmark-Matching-Algorithmus ermöglichte es, die aus der MRT erhaltene Tumorausdehnung in das zuvor digital eingelesene und korrigierte Simulatorbild zu übertragen. An einem Bestrahlungsplanungssystem (TMS, Helax) wurde, ebenfalls mittels Landmark-Matching mit CT-Schichten, die diagnostische MRT-Information aus den transversalen Schichten zur Kontrolle des Zielvolumens eingesetzt. Verschiedene Einsatzmöglichkeiten werden an repräsentativen Patientenbeispielen aufgezeigt.SchlußfolgerungMit dem vorgestellten System kann die Bildinformation aus einem offenen MR-System in die Therapiesimulation und die dreidimensionale Bestrahlungsplanung eingebunden werden. Das Niederfeld-MRT stellt für die Radioonkologie aufgrund der offenen Bauweise und der geringen Kosten eine attraktive Erweiterung der Planungsmöglichkeiten dar.AbstractPurposeA system for digital integration of an open MR scanner (0.23 T, Figure 1) in therapy simulation and 3D radiation treatment planning is described.MethodMR images were acquired using the body coil and various positioning and immobilization aids. A gradient echo sequence (TRITE 320 ms/24 ms) was used to create axial and coronal data sets. Image distortions were measured and corrected using phantom measurements (Figure 2) and specially developed software.ResultsMaximal and mean distortions of the MR images could be reduced from 19 mm to 8.2 mm and from 2.7 mm to 0.7 mm, respectively (Figure 3 to 5, Table 1). Coronal MR images were recalculated in fan beam projection for use at the therapy simulator. Tumor and organ conturs were transferred from the MR image to the digitally acquired and corrected simulator image using a landmark matching algorithm (Figure 6 and 7). For 3D treatment planning, image fusion of axial MR images with standard CT planning images was performed using a landmark matching algorithm, as well (Figure 8). Representative cases are shown to demonstrate potential applications of the system.ConclusionThe described system enables the integration of the imaging information from an open MR system in therapy simulation and 3D treatment planning. The low-field MR scanner is an attractive adjunct for the radiooncologist because of the open design and the low costs.PURPOSE A system for digital integration of an open MR scanner (0.23 T, Figure 1) in therapy simulation and 3D radiation treatment planning is described. METHOD MR images were acquired using the body coil and various positioning and immobilization aids. A gradient echo sequence (TR/TE 320 ms/24 ms) was used to create axial and coronal data sets. Image distortions were measured and corrected using phantom measurements (Figure 2) and specially developed software. RESULTS Maximal and mean distortions of the MR images could be reduced from 19 mm to 8.2 mm and from 2.7 mm to 0.7 mm, respectively (Figure 3 to 5, Table 1). Coronal MR images were recalculated in fan beam projection for use at the therapy simulator. Tumor and organ contours were transferred from the MR image to the digitally acquired and corrected simulator image using a landmark matching algorithm (Figure 6 and 7). For 3D treatment planning, image fusion of axial MR images with standard CT planning images was performed using a landmark matching algorithm, as well (Figure 8). Representative cases are shown to demonstrate potential applications of the system. CONCLUSION The described system enables the integration of the imaging information from an open MR system in therapy simulation and 3D treatment planning. The low-field MR scanner is an attractive adjunct for the radio-oncologist because of the open design and the low costs.

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.