PLoS ONE: Sammenlignende Planlægning af Samkopiering-Filter-Free og Flat Beam IMRT for hypopharynx Kræft som en funktion af Beam og Segment nummer

Abstrakt

Selvom meget konforme dosis distributioner kan opnås ved IMRT planlægning, det ofte kræver et stort antal segmenter eller bjælker, hvilket resulterer i øgede behandlingstider. Mens udfladning-filter-fri bjælker tilbyde en højere dosering, kan endnu flere segmenter være forpligtet til at skabe homogen target dækning. Derfor er det værd at systematisk undersøge afhængighed af planen kvalitet på gantry vinkler og antal segmenter for flad vs FFF bjælker i IMRT planlægning. For praktisk eksempel på hypopharynx kræft, præsenterer vi en planlægning undersøgelse af flade vs. FFF bjælker ved hjælp af tre forskellige konfigurationer af gantry vinkler og forskellige numre segment. De to stråler er meget ens i fysiske egenskaber, og er derfor velegnet til sammenlignende planlægning. Startende med et sæt af planer af samme kvalitet til flade og FFF bjælker, vurderer vi, hvor langt kan reduceres antallet af segmenter før kvalitet planen markant kompromitteret, og sammenligne overvåge enheder og behandlingstider for de resulterende planer. Så længe et tilstrækkeligt stort antal segmenter er tilladt, alle planlægningsscenarier giver gode resultater, uafhængigt af gantry vinkler og flad eller FFF bjælker. For mindre antal segmenter, kvalitetsplan nedsætter både til flade og FFF energi; denne effekt er stærkere for færre gantry vinkler og for FFF bjælker. For tal lave segment, FFF planer er generelt dårligere end de tilsvarende flade stråle planer, men de er mindre følsomme over for et fald i segment nummer, hvis mange gantry vinkler anvendes (18 bjælker); i dette tilfælde af kvaliteten af ​​flade og FFF planer forbliver sammenlignelige selv for nogle segmenter

Henvisning:. Dzierma Y, Nuesken FG, Fleckenstein J, Melchior P, Licht NP, Rübe C (2014) Sammenlignende Planlægning af Flattening- Filter-Free og Flat Beam IMRT for hypopharynx Kræft som en funktion af Beam og Segment nummer. PLoS ONE 9 (4): e94371. doi: 10,1371 /journal.pone.0094371

Redaktør: Jian Jian Li, University of California Davis, USA

Modtaget: December 6, 2013; Accepteret: 14. marts 2014 Udgivet: April 10, 2014

Copyright: © 2014 Dzierma et al. Dette er en åben adgang artiklen distribueres under betingelserne i Creative Commons Attribution License, som tillader ubegrænset brug, distribution og reproduktion i ethvert medie, forudsat den oprindelige forfatter og kilde krediteres

Finansiering:. Forfatterne har ingen støtte eller finansiering til at rapportere

konkurrerende interesser:.. forfatterne har erklæret, at der ikke findes konkurrerende interesser

Introduktion

Siden indførelsen af ​​moderne planlægning behandling teknikker såsom intensitet moduleret strålebehandling (imrt), kan stærkt konform strålebehandling opnås med samtidig god dækning af planlægningen målvolumenet (PTV) og passende sparing af organer i fare (OAR). Dette kommer ofte på bekostning af en stigning i behandlingstiden. Selv ser bort fra indvirkningen på den kliniske tidsplan, behandling gange længere end et par minutter er ubehageligt for patienterne og bære en øget risiko for intra-fraktion bevægelse [1], som kan kompromittere plan kvalitet, især når smalle PTV og OAR margener anvendes som i moderne image-guided strålebehandling (IGRT).

der kan opnås en reduktion af behandlingstiden på tre måder. Først ved hjælp af færre bjælker eller segmenter i en IMRT plan indebærer risikoen for at miste plan conformality. Andet, high-end moderne behandlingsteknikker såsom volumen moduleret bue terapi (VMAT) og RapidArc tilbyder høj kvalitet planer så god som IMRT (eller bedre, hvis IMRT er begrænset til et lavt antal segmenter eller bjælker), med generelt meget hurtigere behandling gange ([2], se [3] for en gennemgang). Alligevel steder som hoved-og-halskræft kræver generelt mere end en gantry rotation eller hybride felter [4] – [5], som igen øger behandlingstid; Desuden er disse avancerede behandling teknikker er ikke almindeligt tilgængelige. For det tredje, udfladning-filter-fri (FFF) bjælker kan anvendes i både IMRT og VMAT behandling planlægning, med den praktiske fordel, at meget højere doser i forhold til normale flade bjælker [6]. En draw-back, der skal overvejes her er, at den koniske stråle profil FFF bjælker er generelt fundet at kræve flere segmenter og /eller flere skærm enheder for at opnå de samme standarder for PTV homogenitet end til flade bjælker (f.eks [7] – [ ,,,0],8]); dette igen forlænger behandlingstiden lidt, især for store PTVs. Den største reduktion i behandlingstiden kan opstå fra en kombination af bue behandling med FFF bjælker; Men her vil vi overveje FFF bjælker i IMRT planlægning behandling på grund af sin hastigt spreder tilgængelighed.

Formålet med dette arbejde er at systematisk undersøge afhængighed af planen kvalitet på gantry vinkler og antal segmenter for flade vs. FFF bjælker i IMRT planlægning for praktisk eksempel på hypopharynx kræft. Vi starter med en IMRT løsning med 70 segmenter fordelt mellem 7 og 18 gantry vinkler, som vi bestemmer inversion mål og begrænsninger, der skaber næsten identiske planer for de flade og FFF stråler af Siemens Artiste (Siemens Healthcare, München, Tyskland). De to beam linjer – flad 6 MV (6X) og FFF 7 MV (7XU) – er meget ens i fysiske egenskaber, såsom gennemsnitlig energi, dybde-dosis-kurve og overflade dosis [9], og er derfor velegnet til sammenlignende planlægning. Startende fra disse planer, vurderer vi, hvor langt kan reduceres antallet af segmenter før kvalitet planen markant kompromitteret, og sammenligne overvåge enheder og behandlingstider for de resulterende planer. Spørgsmålene om relevans er:

Hvilken sammensætning af gantry vinkler er bedst

Er 7XU energi tilbyde sammenlignelig plan kvalitet til 6 × stråle, og hvordan det afhænger af gantry vinkler

Hvordan svarene på disse to spørgsmål reagerer på en reduktion i segment nummer

Denne undersøgelse er organiseret som følger:? Vi starter med en standard IMRT plan med 7 gantry vinkler, som plejede at være en standard tilgang på vores institution i starten af ​​denne undersøgelse. Normalt ville mindre end 70 segmenter er blevet anvendt til at reducere behandlingstider; her er de vælges således, at påføre nogen begrænsning på planen kvalitet på grund af et utilstrækkeligt antal segmenter – på denne måde, en inversion ikke begrænset af segment nummer skal opnås. Efter at have fundet et sæt af inversion parametre, der producerer lige så gode planer med 6 × og 7XU bjælker til denne plan skabelon, er disse inversion mål og begrænsninger (dvs. dosis og DVH mål /begrænsninger, der anvendes i optimering), der anvendes i hele denne undersøgelse. I et andet trin planer beregnet for begge energier, hver til 7, 11 eller 18 bjælker, og reducere segmenterne trinvis fra 70 til 25. Vi undersøger derefter forholdsvis hvordan valget af gantry vinkler, segmenter og energi (flad vs. FFF ) påvirker planen kvalitet.

Patienter og metoder

1. Patient kollektiv

Etik erklæring

Otte patienter (fem mænd, tre kvinder, 44-77 år, gennemsnitsalder 55 år). Med hoved- og halscancer, i hvem adjuverende stråling eller samtidig radiochemotherapy var angivet, blev undersøgt. Patienterne, der blev behandlet mellem oktober 2010 og september 2012 blev udvalgt fra en tidligere planlægning undersøgelse i vores afdeling undersøge virkningen af ​​en individuelt fremstillet oral afstand applikator til ekstern bestråling på dosisreduktion i mundtlig i hoved- og halscancer (placeret i den mundtlige hulrum, oro- /hypopharynx eller larynx (Fleckenstein et al., in prep.)). Denne tidligere undersøgelse blev godkendt af den lokale etiske komité (Aerztekammer des Saarlandes), og alle patienter gav skriftligt informeret samtykke til efterfølgende videnskabelige undersøgelser. For den foreliggende undersøgelse blev de anonyme data fra tidligere undersøgelse anvendte, uden yderligere interaktion med patienterne.

Uanset den reelle placering af patienternes tumorer konturer blev fastlagt for hypotetiske ensartede tumor sites (gulv mund, oropharynx og hypopharynx).

for denne undersøgelse alle planer er baseret på PTV af hypopharynx kræft webstedet herunder bilaterale livmoderhalskræft og supraclavicular lymfeknuder (niveau II-V, se fig. 1), mens boost -contours blev der set bort. En reference dosis på 50 Gy blev ordineret til isocentret, administreres i 2 Gy fraktioner.

2. Behandling planlægning

Behandling planlægning blev udført med Philips Pinnacle

3 behandling planlægningssystem v9.2 og 9.4 er baseret på CT-data fra Philips Brilliance CT BigBore (Philips Healthcare, Amsterdam, Holland). IMRT inversion blev gjort ved hjælp direkte maskin-parameter optimering (DMPO). Den endelige fordeling dosis blev beregnet med en kollapset kegle algoritme på en dosis gitter af 0,4 cm opløsning

Tre forskellige gantry konfigurationer blev anvendt: a. “Simpel” IMRT plan med 7 bjælker, en forbedret IMRT plan med 11 bjælker og en multiple-beam plan at simulere roterende behandlinger (18 bjælker) -. se tabel 1 for en oversigt over planen egenskaber

Den første del af denne undersøgelse med henblik på at finde et sæt af inversion mål /begrænsninger, som kan anvendes lige godt for både 6 × og 7XU planer, således at der tilvejebringes en enkel “opskrift”, som skal anvendes i planlægningen. Dette syntes obligatorisk for standardisering og sammenlignelighed af planer for begge beam linjer. Denne fremgangsmåde blev lettet da Pinnacle

3 TPS anvender en gradient-baserede inversion metode, således at to sæt tilsvarende begrænsninger vil reproducerbart føre til meget lignende planer. For en delmængde af 3 patienter blev forskellige sæt af inversion mål og begrænsninger testet for en plan konfiguration med 7 bjælker og 70 segmenter, standard hoved-og-hals IMRT omgivelser på vores institution på det tidspunkt undersøgelsen startede. Vi startede med de optimerede ‘in-house’ mål og begrænsninger, der anvendes til 6 × bjælker. Når god 6 × planer blev skabt, blev den samme skabelon optimeret til 7XU energi. Vi ændrede vores valg af inversion målsætninger /begrænsninger for de første tre patienter iterativt ved trial-and-error, indtil gode planer blev opnået for både 6 × og 7XU for disse tre patienter; Disse mål /begrænsninger blev derefter opretholdes for alle otte patienter og alle stråle og segment scenarier for resten af ​​studiet.

Sammenligning en række forskellige valg af inversion mål /begrænsninger, blev det konstateret, at de fleste mål rutinemæssigt anvendes på vores institution for 6 × planer kunne anvendes til 7XU stråle. Den væsentligste forskel mellem de resulterende planerne var en reduceret PTV homogenitet for FFF planer, som krævede optagelsen af ​​et ekstra begrænsning tvinger 5% PTV homogenitet. Denne begrænsning næppe påvirket de 6 × planer, som generelt opfyldt det, selv når det ikke var udtrykkeligt angivet (faktisk det er inkluderet i PTV maksimum, minimum og ensartede mål dosis). Da vores mål var at finde en række mål /begrænsninger, som kan anvendes lige godt til 6 × og 7XU bjælker, blev homogeniteten begrænsning inkluderet. Det endelige valg af målsætninger /begrænsninger, som afkaster planer af tilstrækkelig kvalitet er angivet i tabel 2; eksempel dosisfordelinger er vist i figurerne 2-3. Forskellige valg af mål /begrænsninger kan helt sikkert bruges til at skabe god kvalitet planer; vi her til stede et eksempel, som vi bruger på vores institution til pålideligt giver tilstrækkelige planer for de fleste patienter. Vejviser

Brug dette valg af begrænsninger, for hver patient tre forskellige gantry og kollimator konfigurationer blev anvendt (for begge energier, henholdsvis): den “simple” IMRT plan med 7 bjælker, en forbedret IMRT plan med 11 bjælker, og den 18 stråle planen at simulere roterende behandlinger. Alle planer blev revideret af en erfaren stråling onkolog og blev betragtet som klinisk acceptabel. Et repræsentativt DVH af et udgangsmateriale plan med 11 bjælker er vist i figur 4.

Solid line: 6 MV, stiplet linie: FFF 7 MV. Den rigtige parotideale lå inden for PTV, så det fik betydelige doser sammenlignet med venstre parotideale, der blev skånet så meget som muligt.

I betragtning af den “start” planer vurderes af tilstrækkelig kvalitet, antallet af segmenter tilladt i optimeringen blev reduceret fra 70 til 25 i en række trin (50, 40, 35, 30, 25) for hvert af de til ordningen sorter. Dette resulterede i 36 forskellige plan scenarier, tælle alle beam arrangementer, energier, og tal segment.

3. Plan evaluering

Følgende foranstaltninger i planen kvalitet blev anset [10] – [12]: Paddick konformitet indeks

som produktet af den overdosis forholdet OR og underdosering forhold UR, hvor

relaterer lydstyrken for PTV indgår i recepten isodosiskonturer (TV

PIV) til den samlede recept isodosiskonturer volumen PIV = V (95%) og

relaterer målet volumen inde den foreskrevne isodosiskonturer til den samlede PTV volumen (TV).

PTV homogenitet måles ved homogeniteten indeks

.

dosis fall-off er givet ved gradient indeks

.

Sammen med kvalitet indekser, maksimale dosis til rygmarven, betyde parotideale dosis og maksimal dosis i PTV betragtes. Tilsammen skal disse værdier giver en god forståelse både PTV dækning og dosis uden for PTV. Evalueringen af ​​planen kvalitet baseret på DVH, især dosis organskader i fare, er baseret på de Quantec anbefalinger [13] – [15].

4. Statistisk analyse

Når individuelle plan scenarier blev sammenlignet (fx 7 bjælker, 70 segmenter, 6 × vs. 7XU), en normalfordeling blev antaget og T-test for parrede data blev anvendt; når poolede planer blev sammenlignet (for eksempel alle planer ved hjælp 6 × vs. alle planer med 7XU), en normalfordeling kunne ikke antages, og Wilcoxons logget rank test af parrede data blev brugt. En 5% signifikansniveau blev påført. Den overordnede sammenligning på tværs af alle planer blev udført af Friedmann test og envejs ANOVA, der blev udført i tilfælde af ens varianser, en forudsætning, der blev kontrolleret ved hjælp af Brown-Forsythe test.

Resultater

1. 7 bjælker imrt planer ved hjælp flad og FFF bjælker med 70 segmenter

Når man sammenligner de to beam energier for den indledende planlægning med 7 bjælker og 70 segmenter, den visuelle inspektion af distributionen dosis viser, at begge sæt planer er klinisk acceptabelt for alle patienter, med meget lignende kvalitet (for et eksempel, se fig. 2). For begge beam modaliteter, er der ingen statistisk signifikant forskel i alle de kvalitetsmål overvejes (CI, HI, GI, PTV max, parotideale gennemsnitlige, rygmarven max). Begge beam energier giver god kvalitet planer med det samme valg af inversion parametre, som nu opbevares i resten af ​​undersøgelsen.

2. Indflydelse af gantry vinkler og segment nummer reduktion på planen kvalitet til flad og FFF bjælker

a) Planer med 70 segmenter.

I første omgang planer med 7, 11 og 18 gantry vinkler var sammenlignes med hinanden i 6 × og 7XU, igen startende med 70 segmenter. Alle seks scenarier blev sammenlignet ved ANOVA (have kontrolleret af Brown-Forsythe test, at forudsætningen for ens varianser er opfyldt). Ingen signifikante forskelle findes med hensyn til CI, GI, HI, gennemsnitlig parotideale dosis D

middelværdi (parotideale) og PTV maksimale dosis D

PTV (max). Kun den maksimale dosis til rygmarven D

max (rygmarv) er forbedret i de 6 ×, 11 beam og 18 stråle planer i forhold til 7 stråle planen, men alle andre forskelle er ikke signifikant (figur 5). Især er ingen signifikant forskel observeret i kvalitet indeks på 6 × vs. 7XU planer lige stråle arrangement. Det ser derfor, at alle scenarier plan (både energi og alle tre gantry scenarier) giver gode resultater, så længe segmentnummeret er tilstrækkelig høj

plottet er de gennemsnitlige forskelle.; væsentlige afvigelser fra nul er blå, ikke-signifikante værdier er grønne.

Fra visuel analyse, tilbyder 11 beam arrangement lidt bedre plan kvalitet over 7 stråle scenarie i de fleste tilfælde, både ud fra et visning af PTV dækning og sparsom af organer i fare og væv uden for PTV (f.eks fig. 2-3). Flytning til 18 bjælker, er kvaliteten undertiden forbedres (især for 6 ×), undertiden reduceret (mest for 7XU) i forhold til 11 bjælker, men normalt bedre end for syv stråle arrangement. Selv i de tilfælde, hvor de 18 stråle planer er bedre end de 11 stråle planer, forbedringen er – i bedste fald – af marginal klinisk relevans. I en klinisk indstilling, vil den kortere behandlingstid for de 11 stråle planer altid har resulteret i en beslutning om at behandle med disse planer. Afhængig af patienten, enten de 6 × eller 7XU planer (11 bjælker) foretrækkes – i alle tilfælde, er forskellene mindre

b) Reduktion af segment nummer

Ved visuel sammenligning.. kvalitet planen falder med en nedre segment nummer (se fig. 6 for et eksempel). Åbenbart, segment planer de 70 er overlegne. I mange tilfælde er forskellen fra 50 segment planen er kun mindre, i nogle tilfælde en noget værre dosis fordeling resultater fra planerne for 50 segment – men alle 50 segment planer er stadig meget godt. 40 segmenter planer er altid klart værre end segment planer de 70. I en række patienter, ville disse planer stadig være acceptabel, selvom generelt den maksimale er højere, PTV dækning værre, og dosis uden for PTV højere (fx større V (80%), undertiden nå bag rygmarven). Disse virkninger blive mere indlysende for mindre tal segment. Her variationer mellem patienterne øger – nogle patient planer er stadig acceptabelt ned til 25 segmenter, mens andre er allerede uacceptable starter ved 35 (eller endda 40) segmenter, afhængigt af både patienten, energi, og valg af gantry vinkler

.

for at undersøge disse effekter systematisk og kvantitativt, der betragtes som de kvalitetsmål. The Brown-Forsythe test finder ingen signifikante forskelle i varianserne for alle foranstaltninger for kvalitet undtagen D

max (rygmarven), så en-vejs ANOVA kan udføres. I homogenitet og gradient indeks har de versioner plan ikke signifikante forskelle, selv om gradient indekset ser ud til at falde en smule med et lavere segment nummer. Overensstemmelsesvurderingen indekset systematisk falder med lavere segment nummer for alle scenarier, og findes betydelige forskelle mellem planen versioner, som analyseres nærmere i det følgende. Ændringen i kvalitet foranstaltninger med segment nummer for de forskellige planer er vist i figur 7.

CI: overensstemmelse indeks, HI: homogenitet indeks, GI: gradient indeks. Inden for hver plan scenario segment nummer falder fra venstre mod højre (vist for 6 MV, 7 bjælker).

For at sammenligne planer mellem scenarier, anvendte vi Tukey testen at rangere planerne i henhold til CI og finde planer, der kan grupperes sammen (tabel 3). Denne placering og gruppering kan kun give et første spæde estimat af planen kvalitet, men vi bruger det som et første skridt til at kalde de tre niveauer af planer “god kvalitet”, “middel kvalitet” og “dårlig kvalitet”, til sammenligning med de andre foranstaltninger for kvalitet. Faktisk er denne gruppering bekræfter det visuelle indtryk, at alle 70 segment planer og de fleste 50 segment planer, sammen med få 40 segment scenarier, giver gode resultater, mens planer med 25 til 35 segmenter generelt klarer sig dårligt. En lignende gruppering kunne være opnået ved simple “afskåret” værdier på CI. Vores gruppering svarer til værdier på omkring 0,81 og 0,78; en enklere valg kunne være 0,8 og 0,75, hvilket vil placere alle planer med 50 og 70 segmenter, sammen med de tre 40 segment 6 × planer i den “gode” gruppe, og de seks værste CI planer i “ringe” gruppe.

uanset hvordan grupperne er defineret, vises den relative mængde af 7XU planer om at stige i de lavere kvalitet grupper – en hypotese, vi tester ved at samle alle planer med 6 × og 7XU henholdsvis: hver 6 × plan, på tværs af alle patienter, beam arrangementer og tal segment, sammenlignes med den tilsvarende 7XU planen at bruge Wilcoxons logget rank test af parrede data. Resultatet er stor betydning for værre samlede resultater af de 7XU planer (p = 2e-12). Det betyder, at over alle planlægnings- scenarier, de 7XU vises resultaterne betydeligt værre i forhold til 6 ×, selv om vi har set, at dette ikke er tilfældet for 70 segment planer. Vi kontrollere hvor kvaliteten forskellen mellem 6 × og 7XU planer bliver signifikant ved at udføre parrede T-test for de kombinerede scenarier (7, 11, 18 bjælker) segment-wise (fig. 8). Vi finder ingen signifikant forskel mellem de 6 × og 7XU planer for 70 og 50 segmenter, men signifikante forskelle for færre segmenter. Dette er fysisk forståeligt, da FFF stråle kan have brug for flere segmenter for at opnå en ensartet PTV dækning – kvaliteten planen er dermed forringet, hvis kun få segmenter (40 eller mindre) er tilladt

Dette fænomen er også. umiddelbart synlige i fig. 7, hvor faldet i CI med lavere segment nummer er åbenbart mere udtalt for 7XU planer end for de 6 × planer. Dette er grunden til 7XU planer opnå sammenlignelig kvalitet for tal høje segment, men falder kort ved lavere tal segment. En undtagelse synes at være den 18 stråle scenarie, hvilket er væsentligt bedre end 11 eller 7 bjælker i tilfælde af 7XU, og viser ikke sådan en stærk nedgang i kvalitet med lavere tal segment. Fra synspunktet af Cl-værdier, opnås de bedste planer for numre lave segment opnås med 6 ×, 11 eller 18 bjælker eller 7XU, 18 bjælker. En lignende adfærd er fundet for den maksimale dosis til rygmarven og den gennemsnitlige parotideale dosis. Dette er noget overraskende, eftersom vi forventede 18 stråle planer om at håndtere værre med få segmenter, eftersom det enkelte felt modulation reduceres, når et lille antal segmenter er fordelt på mange bjælker. For de 18 beam planer på 25 segmenter, kan kun 7 bjælker være intensitet moduleret på alle, de fleste har blot et enkelt segment. Alligevel er den dosis, distribution (både overensstemmelse indekset og dosis til organer i fare) forbedret i disse planer.

Denne visuelle resultat er igen kontrolleres statistisk ved parret test af beam planer 7, 11 og 18 for lille segment numre. I et første skridt, vi tager sammen 6 × og 7XU planer. For 70 og 50 segmenter, er der ingen signifikant forskel mellem kranbaner vinkel scenarier; 30 og 25 segmenter, de 18 stråle planer er væsentligt bedre end de 7 og 11 stråle planer (Fig. 9). For at adskille effekten af ​​energi- og portalførerkabiner vinkler, tester vi 6 × og 7XU separat (fig. 10). For 30 og 25 segmenter, de 6 × planer med 11 og 18 bjælker er begge væsentligt bedre i CI end de 7 stråle planer (p = 0,037 og p = 0,019), men adskiller sig ikke fra hinanden. For 7XU, de 7 og 11 beam planer ikke er væsentligt forskellige fra hinanden, men begge ringere sammenlignet med 18 beam plan (p = 6,1 E-6 og p = 0,017). De 18 beam planer klare bedst med det reducerede antal segmenter, resterende af sammenlignelig kvalitet til de 6 × planer, selv når de 7 og 11 stråle planer er blevet betydeligt værre.

Ingen signifikant forskel findes for de tre scenarier med 70 og 50 segmenter. For 25 og 30 segmenter, er der ingen signifikant forskel ses mellem planerne med 7 og 11 bjælker. Den 18 beam Planen er betydeligt højere i CI end både 7 og 11 stråle planer (p = 1,38 e-6 og p = 0,0106, henholdsvis).

3. Oversigt over resultater – Plan kvalitet

For et stort antal segmenter (70 eller 50, i vores tilfælde), forskellige gantry vinkel arrangementer kan bruges til at skabe god kvalitet planer, uden bemærkelsesværdige forskel i kvalitet mellem 6 × eller 7XU energier. Men hvis antallet af segmenter er reduceret, det har mere udtalte virkninger på planer med få gantry retninger og med FFF energier. For 6 × planer, både 11 og 18 stråle planer klare sig relativt godt med reduceret antal segmenter (stadig med dårligere plan kvalitet end for større tal segment, men bedre end de 7 stråle scenario); på 7XU, kun 18 beam arrangement er relativt stabilt under en reduktion af segment nummer, resterende af sammenlignelig kvalitet til de analoge 6 × planer. For 7XU planer med 7 eller 11 gantry vinkler, ikke mindre end 40 segmenter bør anvendes til at fastholde anstændig kvalitet, der kan sammenlignes med 6 × planer.

4. Mængden af ​​tid, der kræves til at bestråle planerne

Til en første tilnærmelse, kan bestråling tid estimeres ud fra antallet af segmenter, paafyldningsanordningen vinkler, og overvåge enheder (MU) for en given dosis satser, hvis gennemsnitlige tider for MLC bevægelser mellem segmenter og gantry bevægelse mellem vinkler er antaget. Empirisk har vi fundet, at regne med en gennemsnitlig segment på cirka 7 sekunder pr segment og en gennemsnitlig gantry cirka 13 sekunder, de forudsagte bestrålingstider stemmer godt med den virkelige bestrålingstid (afvigelser normalt ligge under et minut), og stole på denne tilnærmelse i evalueringen af ​​behandlingstider. MLC bevægelser er generelt hurtigere end gantry rotationer, så der er ingen yderligere segment tid til at nå det første segment af hver bom. Formlen for bestråling tid dermed becomeswhere er antallet af gantry vinkler, er antallet af segmenter, og

d

er dosishastigheden. På Artiste linac, den maksimale tilgængelige dosis sats for 6 × 300 MU /min, for 7XU er 2000 MU /min.

Antallet af skærm enheder er nødvendige for planerne er ikke begrænset på forhånd i planlægning. Logisk, finder vi lavere MU til færre segment planer, og flere MU til strålen planer FFF, hvilket er samstemmende med tidligere undersøgelser. Afhængigt af patienten og om antallet af segmenter, 6 × planer bruge mellem 900 og 450 MU (figur 11), 7XU planer har 1200-550 MU. Denne stigning i MU kompenseres ved betydeligt højere dosering, således at 7XU planer kræver generelt kortere behandlingstider (3,5-10 min), sammenlignet med de tilsvarende 6 × planer (5-12 min afhængig af segment nummer). Generelt færre portalkraner vinkler føre til kortere behandlingstider for det samme antal segmenter, hvilket skyldes det faktum, at MLC bevægelse er hurtigere end gantry rotationer

Højre:. Lineær tilpasning af beregnet behandlingstid som en funktion af segment antal hvert scenario.

diskussion

1. Planlægning scenarier

Vi har præsenteret en følsomhedsanalyse af flade og FFF IMRT planer for 7, 11, og 18 bjælker med hensyn til en reduktion i segment nummer fra 70 til 25. Det er velkendt, at kvaliteten plan generelt aftager med segment nummer, imidlertid indflydelse af plane eller FFF bjælker og stråle nummer hidtil ikke blevet undersøgt. Herunder et scenarie med 18 bjælker kan være lidt urealistisk, da IMRT planer med mere end 11 eller 13 bjælker er sjældent skabt. Vi valgte dette scenario af to grunde: For det første at udvide følsomhedsanalyse til et stort antal bjælker. Der er undertiden en tendens i den kliniske praksis at øge antallet af stråler samtidig reducere segmentnummeret, vælger, fx 13 bjælker med 33 segmenter. Denne undersøgelse har til formål at vurdere, hvor langt denne idé kan gennemføres, og hvordan FFF stråle energier reagere på dette. For det andet, 18 bjælker er et første skridt på vej mod bue behandling, som ikke var medtaget i dette arbejde. Sammenligning af IMRT planer med VMAT ville være interessant, men kan ikke opnås for Artiste linac, som er ude af stand VMAT. Sammenligning med en anden linac ville være forspændt både af forskellige beam energikilder og af en anden MLC. På den anden side, de nært lignende dosimetriske egenskaber ved de flade 6 MV og FFF 7 MV energier er ideel til en planlægning undersøgelse, selv uden VMAT teknikker. Vi inkluderede derfor 18 bjælker som en “foreløbig bue”, hvor kvaliteten planen ikke er begrænset af en lille mængde af gantry vinkler, men fordele fra relativt ensartet bestråling fra bjælker anbragt med 20 ° fra hinanden.

Det er blevet foreslået at finere gitterafstand bør anvendes til at reducere diskretisering fejl [16]. Til den foreliggende kontekst, den store række planer per patient og store PTV størrelse gør en finere afstand svært at håndtere; desuden mange klinikker er afhængige af en 4 mm gitter i rutinemæssig patientbehandlingen. Vel vidende om begrænsningerne vi derfor valgt en 4 mm gitter og kontrolleres resultaterne for 6 planer per patient at estimere de forskelle, når du bruger en finere afstand på 2,5 mm. Faktisk nogle forskelle kan skelnes i fordelingen dosis, men de er små i forhold til forskellene mellem de enkelte plan scenarier. Kvalitet foranstaltninger ændres mindre end halvdelen af ​​bredden af ​​variation mellem patient, og ændrer ikke resultaterne af planen sammenligning.

2. Udvidelse af target volumen

Den foreliggende undersøgelse fokuserer på hypopharynx kræft, hvilket er et ekstremt tilfælde overvejer PTV udvidelse i overlegen ringere retning (af størrelsesordenen 15 cm). Dette scenario maksimerer indflydelsen af ​​bjælken fladhed. Ved 10 cm afstand fra den centrale akse, er dosis af FFF 7 MV stråle faldet til omkring 50% af det maksimale, så det er ikke underligt, at de FFF 7 MV planer kræver flere segmenter og overvåge enheder til at opnå en god dosis dækning af PTV langt fra isocentret. Det betyder, at FFF 7 MV planer med få segmenter vil være ringere i forhold til 6 MV planer; på samme tid, vil denne effekt bliver mindre relevant for mindre mængder mål. Konklusionerne her eksemplet med hypopharynx kræft vil derfor ikke være gyldig i små mål volumener hvor planhed effekter er reduceret: i særdeleshed for den meget lille felt størrelse anvendes i stereotaktisk behandling, FFF bjælker kan ofte anvendes med næsten ingen forskel fra flade bjælker (sammenligne fx [17]). For store markstørrelser dog forventer vi resultaterne i dette papir at være repræsentativ.

3. Behandling tid

Mens korte bestrålingstider (5 minutter eller mindre) kan opnås ved hjælp af 7XU planer med 25-35 segmenter og 7 eller 11 bjælker, skal det erindres, at disse planer er ringere end dem med flere segmenter eller flere bjælker. Den højere antal segmenter kræves af 7XU planer om at opnå planer med tilstrækkelig kvalitet kompenseres ved højere dosis. For eksempel 7XU, 18 bjælker, 50 segment plan er af sammenlignelig kvalitet til 6X, 7 stråle, 40 segment plan, og tager omtrent samme tid at behandle. Stadig, mest god kvalitet 7XU planer med fx kan 50 segmenter bestråles inden 6,6 til 7,8 minutter, som stadig er lidt hurtigere end de fleste 6 × planer med 35-40 segmenter (6,8-8,0 minutter) eller mere.

4. Valg af forudindstillede inversion mål

Denne planlægning undersøgelse bygger på anvendelsen af ​​et foruddefineret sæt mål og begrænsninger for optimering af en række planlægningsscenarier, med det formål at sikre sammenlignelighed mellem alle planer. I kliniske omgivelser, kan planerne yderligere individuelt for hver patient.