Marius Treutwein

Verification of IMRT: Techniques and Problems

Purpose:IMRT (intensity-modulated radiotherapy) verification techniques are reviewed together with investigations demonstrating the intrinsic verification problems.Material and Methods:Different IMRT verification procedures for either class solutions or individual patients are demonstrated. Among the latter are techniques like fluence or three-dimensional (3-D) dose distribution verification within a transfer phantom. Different radiographic films and absolute dose probes are investigated for their suitability. Finally, Monte Carlo techniques (XVMC/VEF) are used for error detection and IMRT verification.Results:During introduction of clinical IMRT for head and neck (H&N) tumors, we concurrently applied fluence, relative, and absolute dose measurement. While fluence and relative dose are in rather good agreement with calculations, absolute dose is always low when compared to the TPS (TMS 6.1A, Nucletron B.V.) by 5–7%. This deviation seems to depend not on the number of segments, but can strongly depend on MLC misalignment. Further investigations have revealed the importance of a detailed commissioning of the TPS down to the small-field range using diamond or diode probes and its detailed verification. In addition, simple tests have shown that dose calculation approximations in the IMRT option of TMS are one major source of the dose deviation. XVMC/VEF does not use such approximations.Conclusion:The procedure starts with a detailed TPS commissioning and verification process. Different verification methods are recommended during clinical IMRT implementation phase, in order to locate sources of error. Later on, a minimal program could consist of a fluence or relative dose verification procedure with few films and absolute dose measurement, followed by an intensive MLC quality assurance (QA). Inverse Monte Carlo systems, like IMCO++/IKO or Hyperion, seem to be able to reduce the effort.Ziel:Neben einem Überblick über Verifikationstechniken der IMRT (intensitätsmodulierten Radiotherapie) werden Untersuchungen zu intrinsischen Verifikationsproblemen dargestellt.Material und Methodik:Verschiedene Verifikationsmethoden für Klassenlösungen sowie für individuelle Patientenpläne werden demonstriert, wie etwa Fluenz- und dreidimensionale Dosisverteilungen in einem Ersatzphantom. Dazu werden verschiedene Radiographiefilme und Absolutdosissonden auf ihre Eignung untersucht. Monte-Carlo-Techniken (XVMC/VEF) werden zur Fehleranalyse eingesetzt und auf ihre Tauglichkeit zur Verifikation untersucht.Ergebnisse:Bei der klinischen Einführung der IMRT bei Kopf-Hals-Tumoren wurden parallel Fluenz-, relativ- und absolutdosimetrische Verfahren zur Verifikation angewandt. Während die Fluenz- und Dosisverteilungen gut mit den Berechnungen übereinstimmen, sind die Absolutdosen systematisch um 5–7% niedriger als die mit dem TPS (TMS 6.1A) berechneten. Die Abweichung scheint nicht von der Gesamtzahl der Segmente des Plans abzuhängen, kann aber relativ stark von einer geringen Abweichung der MLC-Leaves vom Sollwert abhängen. Weitere Untersuchungen zeigen auf, wie wichtig eine detaillierte TPS-Kommissionierung bis in den Bereich kleiner Feldgrößen mit umfangreichen Verifikationen und einfachen Tests ist. Damit konnte ein wichtiger Beitrag zum Dosisfehler, nämlich zusätzliche Näherungen bei der Dosisberechnung von IMRT-Plänen, verantwortlich gemacht werden. XVMC/VEF verwendet keine derartigen Näherungen.Schlussfolgerung:Die Prozedur beginnt mit einer detaillierten TPS-Kommisionierung und Verifikation. Während der klinischen Einführungsphase sollten unterschiedliche Verifikationsverfahren eingesetzt werden, um etwaige Fehler aufzuspüren. Später kann ein Minimalprogramm verwendet werden, das entweder aus Fluenz- oder Relativdosismessungen in Verbindung mit einer Absolutdosisbestimmung besteht. Unabhängig davon sollte eine intensive Qualitätssicherung (QS) des MLCs erfolgen. Inverse Monte- Carlo-Systeme wie IMCO++/IKO oder Hyperion sind vermutlich geeignet, den Aufwand beträchtlich zu reduzieren.

Commissioning of volumetric modulated arc therapy (VMAT) in a dual-vendor environment

Methods and results for commissioning of the complete VMAT delivery chain are presented for the combination of Nucletrons Oncentra MasterPlan® v3.3 with Elektas Mosaiq® v1.6 and SynergyS® linac. VMAT specific linac commissioning included determination of the size of the minimal dynamic leaf gap. Dosimetric validation of the complete treatment chain was performed using a 2D-ionization-chamber-array and showed excellent dosimetric results.

Searching standard parameters for volumetric modulated arc therapy (VMAT) of prostate cancer

BackgroundSince December 2009 a new VMAT planning system tool is available in Oncentra® MasterPlan v3.3 (Nucletron B.V.). The purpose of this study was to work out standard parameters for the optimization of prostate cancer.MethodsFor ten patients with localized prostate cancer plans for simultaneous integrated boost were optimized, varying systematically the number of arcs, collimator angle, the maximum delivery time, and the gantry spacing. Homogeneity in clinical target volume, minimum dose in planning target volume, median dose in the organs at risk, maximum dose in the posterior part of the rectum, and number of monitor units were evaluated using student’s test for statistical analysis. Measurements were performed with a 2D-array, taking the delivery time, and compared to the calculation by the gamma method.ResultsPlans with collimator 45° were superior to plans with collimator 0°. Single arc resulted in higher minimum dose in the planning target volume, but also higher dose values to the organs at risk, requiring less monitor units per fraction dose than dual arc. Single arc needs a higher value (per arc) for the maximum delivery time parameter than dual arc, but as only one arc is needed, the measured delivery time was shorter and stayed below 2.5 min versus 3 to 5 min. Balancing plan quality, dosimetric results and calculation time, a gantry spacing of 4° led to optimal results.ConclusionA set of parameters has been found which can be used as standard for volumetric modulated arc therapy planning of prostate cancer.

IMRT of prostate cancer: a comparison of fluence optimization with sequential segmentation and direct step-and-shoot optimization.

Background and Purpose:Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) has shown its superiority to three-dimensional conformal radiotherapy in the treatment of prostate cancer. Different optimization algorithms are available: algorithms which first optimize the fluence followed by a sequencing (IM), and algorithms which involve the machine parameters directly in the optimization process (DSS). The aim of this treatment-planning study is to compare both of them regarding dose distribution and treatment time.Patients and Methods:Ten consecutive patients with localized prostate cancer were enrolled for the planning study. The planning target volume and the rectum volume, urinary bladder and femoral heads as organs at risk were delineated. Average doses, the target dose homogeneity H, D5, D95, monitor units per fraction, and the number of segments were evaluated.Results:While there is only a small difference in the mean doses at rectum and bladder, there is a significant advantage for the target dose homogeneity in the DSS-optimized plans compared to the IM-optimized ones. Differences in the monitor units (nearly 10% less for DSS) and the number of segments are also statistically significant and reduce the treatment time.Conclusion:Particularly with regard to the tumor control probability, the better homogeneity of the DSS-optimized plans is more profitable. The shorter treatment time is an improvement regarding intrafractional organ motion. The DSS optimizer results in a higher target dose homogeneity and, simultaneously, in a lower number of monitor units. Therefore, it should be preferred for IMRT of prostate cancer.Hintergrund und Ziel:Die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) hat ihre Überlegenheit gegenüber der dreidimensionalen konformalen Strahlentherapie in der Behandlung des Prostatakarzinoms gezeigt. Verschiedene Optimierungsalgorithmen stehen zur Verfügung: Algorithmen, die erst die Fluenz optimieren und anschließend eine Segmentierung durchführen (IM), und Algorithmen, die die Maschinenparameter direkt in den Optimierungsprozess integrieren (DSS). Ziel dieser Planungsstudie ist es, beide hinsichtlich Dosisverteilung und Bestrahlungszeit zu vergleichen.Patienten und Methodik:In die Planungsstudie wurden zehn aufeinanderfolgende Patienten mit lokalisiertem Prostatakarzinom eingeschlossen. Das Planungszielvolumen und als Risikostrukturen das Rektumvolumen, Harnblase und beide Femurköpfe wurden markiert. Die durchschnittliche Dosis in den Risikoorganen, die Homogenität im Zielvolumen, D5, D95, die Monitoreinheiten pro Fraktion und die mittlere Segmentzahl wurden ermittelt.Ergebnisse:Während nur ein kleiner Unterschied in der mittleren Dosis in Rektum und Blase besteht, findet sich ein signifikanter Vorteil bezüglich der Homogenität im Zielvolumen für die mit „direct step and shoot“ optimierten Pläne gegenüber denjenigen mit Fluenzoptimierung. Die Unterschiede bei den Monitoreinheiten (fast 10% weniger für den DSS-optimierten Plan) und der Segmentzahl sind ebenfalls statistisch signifikant.Schlussfolgerung:Insbesondere im Hinblick auf die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit ist die größere Homogenität der DSS-optimierten Pläne vorteilhafter. Die kürzere Behandlungszeit stellt eine Verbesserung in Bezug auf intrafraktionelle Organbewegung dar. Der DSS-Optimierer führt zu einer besseren Homogenität im Zielvolumen bei einer reduzierten Anzahl von Monitoreinheiten. Deshalb sollte er für die IMRT des Prostatakarzinoms bevorzugt werden.

Dosimetrie eines Blutbestrahlungsgerätes

BACKGROUND Blood and blood products are irradiated to avoid the graft-versus-host disease (GVHD) in immunosuppressed patients and to destroy tumor cells during the intra-operative autotransfusion in tumor surgery. For that purpose more and more dedicated gamma irradiators are used. In most cases the equipment is supplied with a dose calibration factor for a totally filled irradiation canister. As users handle different blood product volumes, it is necessary to investigate the influence of the irradiated blood volume on the absolute dose in a reference point and the dose distribution in the irradiation volume. MATERIAL AND METHODS The dose rate in the center of an empty irradiation canister of an IBL 437C blood irradiator (CIS Diagnostic) was investigated by means of Fricke solution dosimeters from the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Using thermoluminescence dosimetry (TLD) this value could be transferred to a situation with an empty or completely filled respectively with 2 blood samples (270 ml each) filled canister. Also essential for the irradiation of blood is the knowledge of the dose distribution in the irradiated volume. The distributions in the empty and the realistic filled canister were measured by positioning the TLD on the plexiglas holder in a regular pattern. The case of a completely filled container was investigated by means of the MR Fricke gel dosimetry. All distributions are presented as dose-volume-histograms (DVH). RESULTS The TLD-measurement in the center of the completely filled canister yielded a 4.8% higher dose rate value as compared to the suppliers certificate. From the investigations using the Fricke solution dosimeters in air combined with TLD-measurements values for the complete bandwidth of different container fillings could be derived. So the dose rate in the centre of the canister in the boundary conditions empty and full canister as compared to the values for the realistic filling condition (2 bags) are 117.5% and 94% respectively. Axial dose distributions and DVH have been determined for the 3 filling conditions. CONCLUSIONS We recommend a dose calibration measurement of a blood irradiator to determine the irradiation times for the chosen filling condition, which is typical for the hospital. The DVH presented in this work can be used to derive a value for the dose variance within the irradiated blood.ZusammenfassungHintergrundBlut und Blutpräparate werden in der Tumorchirurgie zur Verhinderung der Graft-versus-host-Erkrankung (GVHD) bei immunsupprimierten Patienten und zur Tumorzellelimination bei der intraoperativen Autotransfusion eingesetzt. Für diese Bestrahlungen werden in verstärktem Maße spezielle Gamma-Blutbestrahlungsgeräge verwendet. Der Hersteller liefert für diese Geräte einen Dosisleistungs-Kalibrierwert, meist für den vollständig gefüllten Behälter. Da aber verschiedene Nutzer unterschiedliche Mengen handhaben, ist es nötig, den Einfluß der Füllmenge auf die Absolutdosis in einem Referenzpunkt und die Dosisverteilung im Bestrahylungsvolumen zu untersuchen.Material und MethodenAn einem mit zwei137Cs-Quellen bestückten Blutbestrahlungsgerät IBL 437C der Firma CIS Diagnostik wurde die Dosisleistung in der Mitte des leeren Behälters mit Fricke-Lösungs-Ampullen der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) gemessen. Mit Hilfe von thermolumineszenzdosimetrischen Vergeleichsmessungen (TLD) wurden Anschlußmessungen für verschiedene Befüllungszustände des Bestrahlungsbehälters durchgeführt. So wurde die Dosimetrie eines realistisch befüllten, des komplett gefüllten und des leeren Behälters untersucht. Für die Bestrahlung von Blutbeuteln ist die Kenntnis der Dosisverteilung im bestrahlten Volumen wichtig. Diese Verteilungen konnten im leeren und im mit zewi Blutbeuteln gefüllten Behälter mittels TLD bestimmt und als Dosis-Volumen-Histogramme (DVH) dargestellt werden. Für den vollständing gefüllten Behälter wurde das MR-Fricke-Gel-Verfahren zur Messung des DVH herangezogen.ErgebnisseDie TLD-Messung im Zentrum des vollen Behälters lieferte im Vergleich zum Herstellerzertifikat einen um 4,8% erhöhten Dosisleistungswert. Aus den Fricke-Lösungs-Messungen in Luft in Kombination mit TLD-An-schlußmessungen konnten Werte für die Bandbreite der Dosierung bei verschiedenen Füllungszuständen gewonnen werden. So ergaben sich für die Grenzwerte leerer und vollständig mit Wasser gefüllter Behälter Über-bzw. Unterdosierungen im Behälterzentrum von 117,5% bzw. 94% im Vergleich zu dem mit realistischer Füllung (zwei Beutel) ermittelten Ergebnis. Axiale Dosisverteilungen und DVH wurden für die drei Füllzustände ermittelt.Schlußfolgerung enWir empfehlen, vor Inbetriebnahme eines Blutbestrahlungsgerätes eine für die jeweilige Befüllungssituation gültige Dosisleistungsmessung zur Bestimmung der Bestrahlungszeiten durchzuführen. Die in dieser Arbeit für eine realistische Füllung und die Grenzwerte leerer bzw. voller Behälter angebenen DVH erlauben dann eine Abschätzung der Dosisvarianz im bestrahlten Blutvolumen.AbstractBackgroundBlood and blood products are irradiated to avoid the graft-versus-host disease (GVHD) in immunsuppressed patients and to destroy tumor cells during the intra-operative autotransfusion in tumor sugery. For that purpose more and more dedicated gamma irradiators are used. In most cases the equipment is supplied with a dose calibration factor for a totally filled irradiation canister. As users handle different blood product volumes, it is necessary to investigate the influence of the irradiated blood volume on the absolute dose in a reference point and the dose distribution in the irradiation volume.Material and MethodsThe dose rate in the center of an empty irradiation canister of an IBL 437C blood irradiator (CIS Diagnostik) was investigated by means of Fricke solution dosimeters from the Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). Using thermoluminescence dosimetry (TLD) this value could be transferred to a situation with an empty or completely filled respectively with 2 blood samples (270 ml each) filled canister. Also essential for the irradiation of blood is the knowledge of the dose distribution in the irradiated volume. The distributions in the empty and the realistic filled canister were measured by positioning the TLD on the plexiglas holder in a regular pattern. The case of a completely filled container was investigated by means of the MR Fricke gel dosimetry. All distributions are presented as dose-volume-histograms (DVH).ResultsThe TLD-measurement in the center of the completely filled canister yielded a 4.8% higher dose rate value as compared to the suppliers certificate. From the investigations using the Frickes solution dosimeters in air combined with TLD-measurements values for the complete bandwidth of different container fillings could be derived. So the dose rate in the centre of the canister in the boundary conditions empty and full canister as compared to the values for the realistic filling condition (2 bags) are 117.5% and 94% respectively. Axial dose distributions and DVH have been determined for the 3 filling conditions.ConclusionsWe recommend a dose calibration measurement of a blood irradiator to determine the irradiation times for the chosen filling condition, which is typical for the hospital. The DVH presented in this work can be used to derive a value for the dose variance within the irradiated blood.

IMRT of prostate cancer

Background and Purpose:Intensity-modulated radiation therapy (IMRT) has shown its superiority to three-dimensional conformal radiotherapy in the treatment of prostate cancer. Different optimization algorithms are available: algorithms which first optimize the fluence followed by a sequencing (IM), and algorithms which involve the machine parameters directly in the optimization process (DSS). The aim of this treatment-planning study is to compare both of them regarding dose distribution and treatment time.Patients and Methods:Ten consecutive patients with localized prostate cancer were enrolled for the planning study. The planning target volume and the rectum volume, urinary bladder and femoral heads as organs at risk were delineated. Average doses, the target dose homogeneity H, D5, D95, monitor units per fraction, and the number of segments were evaluated.Results:While there is only a small difference in the mean doses at rectum and bladder, there is a significant advantage for the target dose homogeneity in the DSS-optimized plans compared to the IM-optimized ones. Differences in the monitor units (nearly 10% less for DSS) and the number of segments are also statistically significant and reduce the treatment time.Conclusion:Particularly with regard to the tumor control probability, the better homogeneity of the DSS-optimized plans is more profitable. The shorter treatment time is an improvement regarding intrafractional organ motion. The DSS optimizer results in a higher target dose homogeneity and, simultaneously, in a lower number of monitor units. Therefore, it should be preferred for IMRT of prostate cancer.Hintergrund und Ziel:Die intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) hat ihre Überlegenheit gegenüber der dreidimensionalen konformalen Strahlentherapie in der Behandlung des Prostatakarzinoms gezeigt. Verschiedene Optimierungsalgorithmen stehen zur Verfügung: Algorithmen, die erst die Fluenz optimieren und anschließend eine Segmentierung durchführen (IM), und Algorithmen, die die Maschinenparameter direkt in den Optimierungsprozess integrieren (DSS). Ziel dieser Planungsstudie ist es, beide hinsichtlich Dosisverteilung und Bestrahlungszeit zu vergleichen.Patienten und Methodik:In die Planungsstudie wurden zehn aufeinanderfolgende Patienten mit lokalisiertem Prostatakarzinom eingeschlossen. Das Planungszielvolumen und als Risikostrukturen das Rektumvolumen, Harnblase und beide Femurköpfe wurden markiert. Die durchschnittliche Dosis in den Risikoorganen, die Homogenität im Zielvolumen, D5, D95, die Monitoreinheiten pro Fraktion und die mittlere Segmentzahl wurden ermittelt.Ergebnisse:Während nur ein kleiner Unterschied in der mittleren Dosis in Rektum und Blase besteht, findet sich ein signifikanter Vorteil bezüglich der Homogenität im Zielvolumen für die mit „direct step and shoot“ optimierten Pläne gegenüber denjenigen mit Fluenzoptimierung. Die Unterschiede bei den Monitoreinheiten (fast 10% weniger für den DSS-optimierten Plan) und der Segmentzahl sind ebenfalls statistisch signifikant.Schlussfolgerung:Insbesondere im Hinblick auf die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit ist die größere Homogenität der DSS-optimierten Pläne vorteilhafter. Die kürzere Behandlungszeit stellt eine Verbesserung in Bezug auf intrafraktionelle Organbewegung dar. Der DSS-Optimierer führt zu einer besseren Homogenität im Zielvolumen bei einer reduzierten Anzahl von Monitoreinheiten. Deshalb sollte er für die IMRT des Prostatakarzinoms bevorzugt werden.

Electron fields in clinical application. A comparison of pencil beam and Monte Carlo algorithm

Fragestellung und Hintergrund:Schon länger werden in der dreidimensionalen Planung von Elektronenfeldern Pencil-Beam-Algorithmen verwendet. In jüngerer Zeit wurden auch genauere Monte-Carlo-Algorithmen kommerziell verfügbar, die eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aufweisen. Anhand klinischer Beispiele sollen die Abweichungen in der Dosisverteilung von Plänen untersucht werden, die mit Pencil-Beam- und Monte-Carlo-Algorithmus berechnet wurden.Material und Methodik:Es werden zwei klinische Fälle untersucht: eine Bestrahlung der Thoraxwand und ein Elektronenfeld auf die Wirbelsäule. Die Berechnung der Dosisverteilung erfolgt einerseits im Planungssystem Oncentra™ MasterPlan V1.4 mit dem Monte-Carlo-Code VMC++, andererseits im Planungssystem Helax™ TMS (beide Nucletron B.V., Veenendaal, Niederlande). Profile und Tiefendosiskurven werden mit dem Programm Verisoft™ der Firma PTW (Freiburg, Deutschland) untersucht.Ergebnisse:Für den Fall der Thoraxwandbestrahlung zeigen die Tiefendosiskurven bei den drei Energiestufen 9, 15 und 21 MeV eine gute Übereinstimmung auch im Lungengewebe. Die Mittelwerte für die Lunge liegen maximal um 4% der Maximaldosis auseinander. Deutliche Unterschiede treten bei der Wirbelkörperbestrahlung auf. Der Mittelwert in der prävertebralen Region liegt mit VMC++ 56% unter dem Pencil-Beam-Plan.Schlussfolgerung:Für Bestrahlungen im Bereich der Thoraxwand ist der Pencil-Beam-Algorithmus zur Darstellung klinisch relevanter Dosisverteilungen geeignet. Im Bereich größerer Knocheninhomogenitäten sollte dem genaueren Monte-Carlo-Verfahren der Vorzug gegeben werden.Background and Purpose:For several years three-dimensional treatment-planning systems have used pencil beam algorithms in the calculation of electron fields. Nowadays, exact Monte Carlo methods are commercially available, showing good correspondence to experimental results. Clinical examples are investigated to find differences in the dose distribution of treatment plans, which are calculated with both pencil beam and Monte Carlo algorithm.Material and Methods:Two different clinical applications are regarded: (1) an irradiation of the chest wall, and (2) an electron field to the vertebral column. The dose distributions are calculated by Oncentra™ MasterPlan on the one hand, using the Monte Carlo code VMC++, and by Helax™ TMS on the other hand (both Nucletron B.V., Veenendaal, The Netherlands). Profiles and depth dose curves are evaluated by the Verisoft™ program of PTW (Freiburg, Germany).Results:In the case of chest wall irradiation, the depth dose curves for the three investigated energies, 9, 15 and 21 MeV, agree rather well, also in lung tissue. The mean value for the lung differs only by 4% related to the dose maximum. In the case of vertebral column irradiation, however, the dose difference is more pronounced and, in the prevertebral region, is 56% lower for the VMC++ plan than in the pencil beam calculation.Conclusion:For irradiations of the chest wall, dose distribution calculations by means of pencil beam algorithm may be applied. Calculating electron dose distributions in cases of larger bone inhomogeneities, the more exact Monte Carlo algorithm should be preferred.

Elektronenfelder in der klinischen Anwendung

Fragestellung und Hintergrund:Schon länger werden in der dreidimensionalen Planung von Elektronenfeldern Pencil-Beam-Algorithmen verwendet. In jüngerer Zeit wurden auch genauere Monte-Carlo-Algorithmen kommerziell verfügbar, die eine gute Übereinstimmung mit experimentellen Ergebnissen aufweisen. Anhand klinischer Beispiele sollen die Abweichungen in der Dosisverteilung von Plänen untersucht werden, die mit Pencil-Beam- und Monte-Carlo-Algorithmus berechnet wurden.Material und Methodik:Es werden zwei klinische Fälle untersucht: eine Bestrahlung der Thoraxwand und ein Elektronenfeld auf die Wirbelsäule. Die Berechnung der Dosisverteilung erfolgt einerseits im Planungssystem Oncentra™ MasterPlan V1.4 mit dem Monte-Carlo-Code VMC++, andererseits im Planungssystem Helax™ TMS (beide Nucletron B.V., Veenendaal, Niederlande). Profile und Tiefendosiskurven werden mit dem Programm Verisoft™ der Firma PTW (Freiburg, Deutschland) untersucht.Ergebnisse:Für den Fall der Thoraxwandbestrahlung zeigen die Tiefendosiskurven bei den drei Energiestufen 9, 15 und 21 MeV eine gute Übereinstimmung auch im Lungengewebe. Die Mittelwerte für die Lunge liegen maximal um 4% der Maximaldosis auseinander. Deutliche Unterschiede treten bei der Wirbelkörperbestrahlung auf. Der Mittelwert in der prävertebralen Region liegt mit VMC++ 56% unter dem Pencil-Beam-Plan.Schlussfolgerung:Für Bestrahlungen im Bereich der Thoraxwand ist der Pencil-Beam-Algorithmus zur Darstellung klinisch relevanter Dosisverteilungen geeignet. Im Bereich größerer Knocheninhomogenitäten sollte dem genaueren Monte-Carlo-Verfahren der Vorzug gegeben werden.Background and Purpose:For several years three-dimensional treatment-planning systems have used pencil beam algorithms in the calculation of electron fields. Nowadays, exact Monte Carlo methods are commercially available, showing good correspondence to experimental results. Clinical examples are investigated to find differences in the dose distribution of treatment plans, which are calculated with both pencil beam and Monte Carlo algorithm.Material and Methods:Two different clinical applications are regarded: (1) an irradiation of the chest wall, and (2) an electron field to the vertebral column. The dose distributions are calculated by Oncentra™ MasterPlan on the one hand, using the Monte Carlo code VMC++, and by Helax™ TMS on the other hand (both Nucletron B.V., Veenendaal, The Netherlands). Profiles and depth dose curves are evaluated by the Verisoft™ program of PTW (Freiburg, Germany).Results:In the case of chest wall irradiation, the depth dose curves for the three investigated energies, 9, 15 and 21 MeV, agree rather well, also in lung tissue. The mean value for the lung differs only by 4% related to the dose maximum. In the case of vertebral column irradiation, however, the dose difference is more pronounced and, in the prevertebral region, is 56% lower for the VMC++ plan than in the pencil beam calculation.Conclusion:For irradiations of the chest wall, dose distribution calculations by means of pencil beam algorithm may be applied. Calculating electron dose distributions in cases of larger bone inhomogeneities, the more exact Monte Carlo algorithm should be preferred.

Monte Carlo simulations to replace film dosimetry in IMRT verification

Patient-specific verification of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) plans can be done by dosimetric measurements or by independent dose or monitor unit calculations. The aim of this study was the clinical evaluation of IMRT verification based on a fast Monte Carlo (MC) program with regard to possible benefits compared to commonly used film dosimetry. 25 head-and-neck IMRT plans were recalculated by a pencil beam based treatment planning system (TPS) using an appropriate quality assurance (QA) phantom. All plans were verified both by film and diode dosimetry and compared to MC simulations. The irradiated films, the results of diode measurements and the computed dose distributions were evaluated, and the data were compared on the basis of gamma maps and dose-difference histograms. Average deviations in the high-dose region between diode measurements and point dose calculations performed with the TPS and MC program were 0.7 ± 2.7% and 1.2 ± 3.1%, respectively. For film measurements, the mean gamma values with 3% dose difference and 3mm distance-to-agreement were 0.74 ± 0.28 (TPS as reference) with dose deviations up to 10%. Corresponding values were significantly reduced to 0.34 ± 0.09 for MC dose calculation. The total time needed for both verification procedures is comparable, however, by far less labor intensive in the case of MC simulations. The presented study showed that independent dose calculation verification of IMRT plans with a fast MC program has the potential to eclipse film dosimetry more and more in the near future. Thus, the linac-specific QA part will necessarily become more important. In combination with MC simulations and due to the simple set-up, point-dose measurements for dosimetric plausibility checks are recommended at least in the IMRT introduction phase.

Clinical Results of Intracoronary Brachytherapy (ICBT) for Multiple In-Stent Restenosis

Background and Purpose:Treatment of in-stent restenosis (ISR) with percutaneous coronary intervention (PCI) alone is often followed by early re-restenosis. The present study focused on the effect of intracoronary brachytherapy (ICBT) on multiple in-stent restenosis (MISR) after repeated PCI.Patients and Methods:40 patients (27 male, 13 female, age: 66 ± 9 years) with MISR (two to six ISRs, median three ISRs) were retrospectively analyzed. All patients were treated by using the Novoste® Beta-Cath™ 3.5F System after PCI. The target vessel received 18.4–25.3 Gy of radiation at a depth of 2 mm from the center of the source. The restenosis-free survival and overall survival were calculated by Kaplan-Meier analysis (log-rank). The time interval between last PCI without ICBT and the consecutive recurrence was compared with the follow-up time after PCI with ICBT.Results:The 3-year overall survival rate after ICBT was 93%. The 0.5-, 1-, 2-, and 3-year ISR-free survival rates after PCI + ICBT were 81%, 72%, 52%, and 38%, respectively. After PCI alone, the 0.5-, 1-, and 2-year ISR-free survival rates were 30%, 13%, and 0%, respectively. This difference was highly significant (p < 0.0001). Patients with more than three ISRs before ICBT had a better outcome (3-year ISR-free survival: 80%) than patients with only two or three ISRs before ICBT (3-year ISR-free survival: 25%; p < 0.05).Conclusion:ICBT is highly effective and safe in patients with ISR. The results of this study are in accordance with the WRIST and BETA-WRIST data. After 6 months both studies revealed an ISR-free survival rate of 86% (WRIST) and 66% (BETA-WRIST), respectively. The ISR rates in the own control group (70%) were comparable to the placebo groups in WRIST (68%) and BETA-WRIST (72%). Interestingly, patients with more than three ISRs before ICBT had the lowest ISR rate after ICBT.Hintergrund und Ziel:Der Behandlung von In-Stent-Restenosen (ISR) mittels Ballondilatation (= PCI) folgt häufig eine Re-Restenose. Die vorliegende Arbeit untersucht den Effekt der intrakoronaren Brachytherapie (ICBT) bei Patienten, die erst nach mehreren Dilatationen von ISR eine Brachytherapie erhielten.Patienten und Methodik:40 Patienten (27 männlich, 13 weiblich, mittleres Alter 66 ± 9 Jahre) mit mehrfach rezidivierten In-Stent-Stenosen (MISR) wurden retrospektiv ausgewertet (zwei bis sechs ISR, Median drei ISR). Alle Patienten wurden mit dem Novoste®-Beta-Cath™-3,5F-System im Anschluss an eine Ballondilatation strahlentherapiert. Das Zielgefäß erhielt zwischen 18,4 und 25,3 Gy auf 2 mm ab Quellenmitte dosiert. Das rezidivfreie Überleben und das Gesamtüberleben wurden mit der Kaplan-Meier-Methode (Log-Rank) ermittelt. Die Dauer der Rezidivfreiheit von der letzten PCI ohne ICBT bis zum folgenden Rezidiv wurde mit der Nachbeobachtungszeit nach PCI mit ICBT verglichen.Ergebnisse:Die 3-Jahres-Überlebensrate nach ICBT betrug 93%. Die 0,5-, 1-, 2- und 3-Jahres-Raten der ISR-Freiheit nach PCI + ICBT lagen bei 81%, 72%, 52% bzw. 38%. Nach alleiniger PCI lagen die entsprechenden 0,5-, 1- und 2-Jahres-Raten bei 30%, 13% und 0%. Diese Differenz war hochsignifikant (p < 0,0001). Patienten mit besonders häufigen Rezidiven (mehr als drei ISR) vor der ICBT hatten eine geringere Rezidivrate (3-Jahres-ISR-Freiheit: 80%) als Patienten mit maximal drei ISR vor der ICBT (3-Jahres-ISR-Freiheit: 25%; p < 0,05).Schlussfolgerung:Die ICBT ist bei Patienten mit ISR sowohl sicher als auch hochwirksam. Die Resultate dieser Studie sind vergleichbar mit den Ergebnissen der WRIST- und BETA-WRIST-Studien, die eine ISR-Freiheit von 86% (WRIST) bzw. 66% (BETA- WRIST) nach 6 Monaten ergaben. Auch die Häufigkeit von ISR in der eigenen Kontrollgruppe (nur PCI) war mit 70% ähnlich hoch wie in den Plazebogruppen der WRIST- und BETA-WRIST-Studien (68% bzw. 72%). Bemerkenswerterweise profitierten die Patienten mit hoher Rezidivfrequenz vor ICBT (mehr als drei ISR) am meisten von der ICBT.