Treatment Plan Quality for Deep Inspiration Breath-Hold Breast Cancer Radiation Therapy - Comparison between Conventional Technique and Modulated Approaches
No Thumbnail Available
Date
2024-09-23
Authors
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Publisher
Abstract
Introduction:
Breast cancer remains a significant health concern globally, impacting millions of individuals each year [1]. Radiation therapy, an adjuvant to surgery and chemotherapy, aims to eliminate residual cancer cells and inhibit tumor growth [2]. The most common breast cancer radiation therapy technique in Sweden is 3D Conformal Radiation Therapy (3DCRT) with static photon beams. 3DCRT is a widely accessible and robust treatment technique concerning positioning uncertainties, respiratory movements,
and breast swelling. However, the dose is not well-conformed to the target volume, resulting in greater exposure to nearby healthy tissues such as heart and lungs. [3]. Thus, exploring new techniques is crucial, especially for advanced stages. Intensity
Modulated Radiation Therapy (IMRT) and Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) offer precise radiation delivery and high conform dose to the target region while minimizing damage to nearby healthy tissues, however, they also increase low-dose exposure to nearby healthy tissues[3]. Additionally, there has been concern about the robustness of these modulated techniques, which has been a significant barrier to their widespread adoption. Therefore, hybrid techniques combining 3DCRT with IMRT (Hybrid-IMRT) or VMAT (Hybrid-VMAT) have been developed to improve dose conformity and reduce off-target absorbed dose exposure. The aim of this study is to compare the quality of treatment plans for left-sided breast cancer across four techniques: 3DCRT, Hybrid-IMRT, Hybrid VMAT, and VMAT. The assessment will include homogeneity and conformity indices, dose distribution to target volumes, and nearby organs at risk (OARs) as planned dose distribution. Robustness against positioning uncertainties and breast swelling as delivered dose distribution. Additionally, the feasibility of Deep inspiration breath hold (DIBH) for each technique will be analyzed.
Material and Methods:
Computed tomography (CT) data from nine female patients under 40 years with left-sided breast cancer previously treated at Sahlgrenska University Hospital were analyzed. The prescribed absorbed dose was 40.05 Gy to the whole breast and
48 Gy to the lumpectomy cavity. All CT data was acquired during DIBH. Treatment planning was conducted for a Varian TrueBeam linear accelerator in the Varian Eclipse (Varian Medical Systems, Siemens Healthineers) treatment planning system (TPS). Four
treatment techniques were evaluated: 3DCRT, Hybrid-IMRT, Hybrid-VMAT, and VMAT. The data is a subset from the study by Svensson et al. [4]. Dose distributions to target volumes were evaluated according to Sweden national guidelines [2], with OARs
including the heart, lungs, left anterior descending artery (LAD), and contralateral breast [2]. Homogeneity- and Conformity-index were calculated using Dose Volume Histogram (DVH) data. Robustness was assessed by shifting the treatment plan isocenter, 3 mm and 5 mm, following in six directions (±x, ±y, ±z), and variations in D98% for CTV and CTV-T, and mean doses for OARs were examined. For breast swelling, a surface contour of 5 mm thickness, called CTVsurface, was delineated along the edge of the CTV. The isocenter was shifted 1.1 cm medially and dorsally within the CTVsurface. Changes in D98% and V93% were studied for CTVsurface. The number of DIBH and mean DIBH time were analyzed for each technique.
Results and Discussion:
All four treatment techniques adhered to national guidelines for the target volumes. 3DCRT and Hybrid-IMRT presented significantly lower mean doses to OARs compared to Hybrid-VMAT and VMAT, with VMAT resulting in higher doses
to the LAD due to increased low-dose spillage [3]. The Hybrid techniques, especially in Hybrid-IMRT, provided superior dose homogeneity and conformity compared to 3DCRT and VMAT. The analysis of robustness to positioning uncertainties showed no significant differences in dose distribution for CTV and OARs among the four techniques. For CTV-T, Hybrid-IMRT was not as robust as 3DCRT, Hybrid-VMAT, and VMAT. This can be explained by the absence of a margin outside the breast that accounts for breathing motion and breast swelling, leading to loss of dose fluence in Hybrid-IMRT.[5]. VMAT and Hybrid-VMAT presented equal robustness to breast swelling as 3DCRT, while a large under dosage for CTVsurface was observed for Hybrid-IMRT. 3DCRT had shorter breath-hold time which is beneficial for patients with breath-holding challenges. In conclusion, the quality of dose distribution was evaluated for four different radiotherapy techniques. The quality of planned dose distribution was highest for Hybrid-IMRT, both for target volumes and organs at risk. The most robust dose distributions, considering positioning uncertainty and breast swelling, were observed with 3DCRT, VMAT, and Hybrid-VMAT.
Description
Introduktion:
Bröstcancer är en malign sjukdom som uppstår i bröstvävnad, den står för ungefär 30% av alla cancerfall. I Sverige drabbas var tionde kvinna [6]. Strålterapi, som är en komplement till kirurgi och kemoterapi, syftar till att eliminera eventuella resterande
cancerceller samt hämma tumörtillväxt [2]. Den vanligaste metoden inom extern strålbehandling av bröstcancer är 3D-Conformal Radiotherapy (3DCRT), vilket innebär användning av statiska fotonfält. Denna teknik är robust med avseende på positioneringsosäkerheter, andningsrörelser och bröstsvullnad. Studier har visat att denna teknik leder till höga doser utanför målvolym på grund av att dosen inte är tillräckligt konform inom målvolym [3]. Andra behandlingstekniker, Intensity modulated Radiotherapy (IMRT) och Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) skapar konforma dosfördelninger med hög dos inuti target och minimerar doser till riskorgan och kringliggande vävnader. Däremot skapar dessa tekniker större volymer av låga doser utanför target [3]. Det finns dock en oro för att modulerade behandlingstekniker kanske inte är lika robusta när det gäller att hantera positioneringsosäkerheter och bröstsvullnad. En kombination av 3DCRT och en modulerad teknik antingen IMRT (Hybrid-IMRT) eller VMAT(Hybrid-VMAT) kan öka robustheten och minimera nackdelarna som finns i både 3DCRT och modulerade
tekniker. Syftet med studien är att jämföra kvaliten för dosplaner från fyra olika behandlingstekniker - 3DCRT, (Hybrid-IMRT), (Hybird-VMAT) och VMAT. Utvärderingen omfattar som planerad dosfördelning med avseende på homogenitet och konformitet av
dosfördelningar, absorberad dos till målområden och närliggande riskorgan utifrån nationella riktlinjer. Levererad dosfördelning utvärderas med avssende på robustheten för positioneringsosäkerheter och bröstsvullnad. Dessutom analyseras genomförbarheten av djupinandning (DIBH) för varje teknik.
Material och Metod:
I denna studie inkluderades data från nio patienter under 40 år med vänstersidig bröstcancer som tidigare behandlades vid Sahlgrenska universitetssjukhuset. Patienterna erhöll 40,05 Gy till hela bröstet och 48 Gy till operationsvolymen. CT-data är utförd i djupinandning (DIBH). Dosplanering för de fyra behandlingsteknikerna - 3DCRT, Hybrid-IMRT, Hybrid-VMAT och VMAT - utfördes i Eclipse (Varian Medical Systems, Siemens Healthineers). Dosfördelningarna utvärderades utifrån svenska nationella riktlinjer [2]. Homogenitets- och konformitetsindex beräknades med hjälp av dosvolymhistogram (DVH) -parametrar. Robustheten bedömdes genom att förflytta behandlingsplanen, isocenter 3 mm och 5 mm i sex riktningar (±x, ±y, ±z) och variationer i D98% för CTV och CTV-T samt mean doser för OAR utvärderades. Bröstsvullnad simulerades genom att förflytta isocentret 1,1 cm
medialt dorsalt och studera förändringar i D98% och V93% för den ytliga delen av CTV så kallad CTV-ytlig. Antal djupinandningar DIBH, samt tid för djupinandningarna studerades för de fyra behandlingsteknikerna.
Resultat och diskussion:
Analys av DVH-parametrar visade att alla fyra behandlingstekniker klarade att hålla kriterierna enligt de nationella riktlinjer för målvolymen. 3DCRT och Hybrid-IMRT levererade betydligt lägre medeldoser till OAR jämfört med VMAT och Hybrid-VMAT, medan VMAT resulterade i högre doser till LAD på grund av ökad spridning av lågdosområdet utanför målvolymen [3]. Hybridtekniker, särskilt Hybrid-IMRT, hade högre doshomogenitet och konformitet jämfört med 3DCRT och VMAT. Robusthetsanalysen för positioneringsosäkerheter visade inga signifikanta skillnader i dosfördelningen för CTV och OARs mellan de fyra teknikerna. För CTV-T var Hybrid-IMRT inte lika robust som 3DCRT, Hybrid-VMAT och VMAT. Detta kan förklaras av avsaknaden av en marginal utanför bröstet som tar hänsyn till andningsrörelser och bröstsvullnad, vilket resulterar i förlust av dosfluens vid Hybrid-IMRT. [5]. VMAT och Hybrid-VMAT var lika robust för bröstsvullnad som 3DCRT, medan en betydande underdosering för CTV-ytlig observerades för Hybrid-IMRT. 3DCRT hade kortare djupinandningstider, vilket är fördelaktigt för patienter som har svårigheter att hålla andan. Sammanfattningsvis utvärderades dosfördelningens kvalitet för fyra olika strålbehandlingstekniker. Den högsta kvaliteten på den planerade dosfördelningen observerades för HybridIMRT, både för målvolymer och riskorgan. De mest robusta dosfördelningarna, med hänsyn till positioneringsosäkerhet och bröstsvullnad, observerades för 3DCRT, VMAT och Hybrid-VMAT.
Keywords
Medical physics, Radiation Therapy, Breast cancer, Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT), Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT), hybrid techniques, Deep inspiration breath hold (DIBH), Dose Volume Histogram, Conformity Index, Homogeneity Index, Robustness Analysis, Breast swelling