Complexity analysis of Volumetric Modulated Arc Therapy plans in prostate cancer
Creators: name: Καμπέρης, Ευστάθιος Χρήστου
Publisher: name: Aristotle University of Thessaloniki
Year: 2021
Subjects: Ανάλυση πολυπλοκότητας
Ογκομετρικά διαμορφούμενη τοξοειδής ακτινοθεραπεία
Καρκίνος Προστάτη
Complexity analysis
Volumetric Modulated Arc Therapy
Prostate Cancer

description: Εισαγωγή: Η ογκομετρικά τοξοειδής ακτινοθεραπεία (Volumetric Modulated Arc Therapy, VMAT) είναι η μέθοδος εκλογής για ασθενείς με καρκίνο του προστάτη, επιτρέποντας την αυστηρή συμμόρφωση της δόσης γύρω από το στόχο και την αποφυγή των υγιών ιστών. Ωστόσο, τα πλάνα VMAT είναι εγγενώς πολύπλοκα, με επιπτώσεις στην πιστότητα της χορήγησής τους, στην καρκινογένεση που προκαλείται από ακτινοβολία και στην καταπόνηση του γραμμικού επιταχυντή. Επιπλέον, απαιτούν χρονοβόρες διαδικασίες διασφάλισης ποιότητας. Προσδιορίζοντας ποια χαρακτηριστικά των πλάνων σχετίζονται με την πολυπλοκότητα, ενδεχομένως μπορέσουμε να την περιορίσουμε. Στόχος: Η σύγκριση πολλαπλών δεικτών πολυπλοκότητας που περιγράφονται στη βιβλιογραφία και η διερεύνηση των χαρακτηριστικών των πλάνων VMAT που σχετίζονται με αυτή, σε ασθενείς με καρκίνο του προστάτη υπό ριζική εξωτερική ακτινοθεραπεία. Μέθοδοι: Μελετήθηκαν οι δείκτες circumference over area, edge metric, equivalent square field, leaf travel, leaf travel modulation complexity score για VMAT (LTMCSV), mean-field area, modulation complexity score (στάνταρ and εκδοχή για VMAT), plan irregularity, και short aperture score. Μέσω της ανάλυσης κύριων συνιστωσών (PCA) και της ανάλυσης αμοιβαίας πληροφορίας (MIA), επιλέχτηκε ο δείκτης LTMCSV για περαιτέρω μελέτη με γραμμική και λογιστική παλινδρόμηση. Ο συνολικός αριθμός των monitor units, ο αριθμός των αψίδων, το μέγεθος του πεδίου, ο ακτινοθεραπευτής, ο ακτινοφυσικός, η έκδοση του συστήματος σχεδιασμού θεραπείας (TPS), ο δείκτης συμμόρφωσης (CN), και ο όγκος (PTV) που έλαβε υψηλή δόση αξιολογήθηκαν ως πιθανοί προβλεπτικοί δείκτες της πολυπλοκότητας. Επίσης, αξιολογήθηκαν η δόση V65, V70 της ουροδόχου κύστης και η δόση V50, V60, V70 του ορθού. Αποτελέσματα: Συνολικά 217 VMAT πλάνα προστάτη εξήχθησαν από το πληροφοριακό σύστημα του Ακτινοθεραπευτικού Τμήματος του ΓΝΘ Παπαγεωργίου. Η ανάλυση PCA ανέδειξε συσχετίσεις μεταξύ των δεικτών, οι οποίοι σχημάτισαν τρεις διακριτές συστοιχίες, κάθε μία από τις οποίες εκφράζει μια διαφορετική πτυχή του πλάνου. Με τρεις κύριες συνιστώσες εξηγήθηκε το 96.2% της διακύμανσης των δεδομένων. Ομοίως, η ανάλυση MIA επιβεβαίωσε τη συσχέτιση μεταξύ των δεικτών, αν και υπήρχαν ζεύγη με χαμηλή αμοιβαία πληροφορία. Στη μονοπαραγοντική ανάλυση, ο αριθμός των αψίδων, το μέγεθος του πεδίου, ο ακτινοφυσικός, η έκδοση του TPS, το PTV υψηλής δόσης, η δόση V65 της ουροδόχου κύστης, και η δόση V50 του ορθού ήταν στατιστικά σημαντικοί παράγοντες που καθόρισαν την πολυπλοκότητα. Σε πολυπαραγοντική ανάλυση, ο αριθμός των αψίδων (p&lt;0.001), το μεγάλος μέγεθος του πεδίου (p&lt;0.001), κάποιοι ακτινοθεραπευτές (p=0.041, p=0.027), η πρόσφατη έκδοση του TPS (p&lt;0.001), το PTV υψηλής δόσης (p=0.02), ο υψηλός CN (p=0.036), η δόση V50 του ορθού (p&lt;0.001), και V60 (p=0.001) παρέμειναν στατιστικώς σημαντικά. Στη λογιστική παλινδρόμηση, ο αριθμός των αψίδων, το μέγεθος του πεδίου, ο ακτινοθεραπευτής, ο ακτινοφυσικός, η έκδοση του TPS, ο αριθμός CN, το PTV υψηλής δόσης, η δόση V70 της ουροδόχου κύστης και η δόση V70 του ορθού είχαν μη-μηδενικούς συντελεστές. Συμπεράσματα: Υπάρχει μια πληθώρα δεικτών πολυπλοκότητας για το VMAT στη βιβλιογραφία. Τόσο η ανάλυση PCA όσο και η MIA κατέδειξαν την ύπαρξη ουσιαστικής αλληλοεπικάλυψης μεταξύ των δεικτών. Ωστόσο, αυτή δεν μπορεί να εξαλειφθεί πλήρως μέσω τεχνικών μείωσης διάστασης, υπονοώντας ότι υπάρχει επίσης κάποια συμπληρωματικότητα. Η πρόβλεψη της πολυπλοκότητας ενός πλάνου VMAT και η κατηγοριοποίηση των πλάνων σε υψηλής ή χαμηλής πολυπλοκότητας, από κλινικά και δοσιμετρικά χαρακτηριστικά, είναι εφικτή, μέσω της γραμμικής και λογιστικής παλινδρόμησης.
description: Background: Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) is the state of the art treatment delivery method for prostate cancer patients, enabling dose to conform tightly around the target and spare healthy tissues. However, VMAT plans are inherently complex, affecting treatment deliverability, radiation-induced carcinogenesis, and linear accelerator strain. Moreover, they require laborious quality assurance procedures to ensure patient safety. By determining which plan features relate to complexity, we may limit it by regulating the treatment planning process. Objective: To compare multiple complexity metrics described in the literature and investigate which VMAT plan characteristics relate to complexity in prostate cancer patients undergoing radical external beam radiation treatment. Methods: Circumference over area, edge metric, equivalent square field, leaf travel, leaf travel modulation complexity score for VMAT (LTMCSV), mean-field area, modulation complexity score (standard and VMAT variant), plan irregularity, and short aperture score were calculated. Following principal component (PCA) and mutual information analysis (MIA), LTMCSV was selected for regression analysis. The total number of monitor units, number of arcs, field size, physician, dosimetrist, treatment planning system (TPS) version, conformation number (CN), and high-dose planning treatment volume (PTV) were evaluated as potential predictors of complexity. Also, bladder V65, V70, rectum V50, V60, and V70 were considered. Linear and logistic regression analyses were performed by treating LTMCSV as a continuous and dichotomous variable, respectively. In the linear case, model selection was done by univariate and multivariate analysis, forward and backward selection. In logistic regression, feature selection was conducted with LASSO regularization and k-fold cross-validation. The final evaluation was performed with ROC analysis and confusion matrices. Results: A total of 217 VMAT prostate plans were exported from the oncology information system of Papageorgiou General Hospital radiation oncology department. PCA revealed that complexity metrics are correlated, forming three distinct clusters, each subsuming a different aspect of a plan's complexity. Three principal components were able to explain 96.2% of the variance. Likewise, MIA confirmed the metrics' inherent interdependence, although there were pairs with minimal mutual information. In univariate analysis, the number of arcs, field size, dosimetrist, TPS version, high-dose PTV, bladder V65, and rectum V50 were statistically significant determinants of complexity. In multivariate analysis, the number of arcs (p&lt;0.001), increasing field size (p&lt;0.001), certain physicians (p=0.041, p=0.027), recent TPS version (p&lt;0.001), high-dose PTV (p=0.02), high CN (p=0.036), rectum's V50 (p&lt;0.001), and V60 (p=0.001) retained their statistical significance. In logistic regression analysis, the number of arcs, field size, physician, dosimetrist, TPS version, CN, high-dose PTV, bladder V70, and rectum V70 had non-zero coefficients. Conclusions: There is an abundance of complexity indices for IMRT/VMAT in the literature. Both PCA and MIA analyses suggest the existence of substantial overlap among the metrics. However, this is not entirely reducible through dimensionality reduction techniques, implying that there also exists some complementarity. Prediction of VMAT plan complexity and classification of plans into high- or low- complexity by clinical and dosimetric features is feasible through both linear and logistic regression analyses.