title: Radiation therapy of breast cancer: Optimization of surface-guided patient positioning
title: Strahlentherapie des Mamma-Karzinoms: Optimierung der oberflächengestützten Patientenpositionierung
Creators: name: Sauer, Tim-Oliver
Publisher: name: Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Year: 2024
Subjects: subject: Radiation therapy, Surface Guided Radiation Therapy (SGRT)

description: Background and purpose Surface guided radiation therapy (SGRT) has established itself as a reliable method for ionizing radiation free, real-time patient positioning and control in recent years. The patient’s surface is scanned and registered to a target surface characterizing the desired position, yielding shift values for correction. It is particularly suited for shallow target volumes like the breast. In spite of widespread use, knowledge about optimal scope of application, conditions and setup, and their influence on accuracy remains vague. These questions were therefore systematically addressed in this thesis. An overview of recent developments in SGRT was given in a review paper. The delineation of a region of interest (ROI), as part of the clinical routine to define the two-dimensional surface area used for the registration, was analyzed in the second study. This was followed by an in-depth evaluation of the dosimetric impact of SGRT-based position deviations in six degrees of freedom (DOF) with a robustness study of treatment plans in order to obtain threshold values for position control. In the fourth study, the conditions for the introduction of a new markerless workflow with SGRT-only fractions and its performance were evaluated. Material and methods All data analyzed in this thesis was obtained in the context of the clinical application of SGRT of breast cancer by means of the AlignRT (VisionRT, London, UK) surface scanner installed on two linear accelerators (linac) at the Department of Radiation Oncology at the Universitätsklinikum Erlangen (UKER). The surface-based correction shifts were compared to the clinically applied shifts originating from the cone beam computed tomography (CBCT based position correction for different ROIs. The dosimetric effect of patient misalignment was evaluated by systematically calculating the original treatment plans with simulated 6DOF position deviations, yielding threshold values based on dose constraints. The newly introduced markerless workflow, which included weekly CBCT scans for patients with small SGRT based position deviations in the first week of treatment, was compared to the old workflow. Results It has been found that the ROI has a significant influence on the surface registration result and must therefore be chosen with care. An optimal ROI comprising the surface of the breast, sternum and the area below both breasts could be identified, reducing particularly deviations from CBCT standard for rotational DOFs from 2.93◦ to 1.96◦ on average. The importance of usually neglected rotations was also highlighted in the robustness study, as well as the necessity of distinguishing between DOFs for the dosimetric evaluation of position deviations. The dose distributions of the treatment plans were particularly sensitive to vertical translations and rotations in roll. An optimal set of threshold values satisfying dose coverage constraints, suitable for clinical surface-based position control, could be identified. Laser and skin markings-based positioning could safely be substituted by SGRT in the newly introduced workflow. Around 40% of the patients could be treated with weekly CBCT and SGRT-only for all other fractions, leading to dose savings and time savings of 97 s, 166 s and 239 s per fraction for patients with the new workflow, without daily CBCT and for SGRT-only fractions, respectively. Conclusion SGRT has proven to be a reliable tool for real time breast cancer patient positioning, capable of substituting laser and skin markings-based pre-positioning and even image guidance under certain conditions. In order to assure a safe dose delivery, however, utmost attention has to be paid to meeting the necessary requirements, particularly with respect to the correct choice of the ROI and threshold values for position control.
description: Hintergrund und Ziele Die oberflächengestützte Strahlentherapie (Surface Guided Radiation Therapy, SGRT) hat sich in den letzten Jahren als zuverlässige Methode zur Echtzeit-Patientenpositionierung und-kontrolle ohne ionisierende Strahlung etabliert. Die Oberfläche der Patienten und Patientinnen wird abgetastet und mit eine Referenzoberfläche registriert, welche die gewünschte Position charakterisiert. Dies liefert Verschiebungswerte zur Positionierungskorrektur. SGRT eignet sich besonders für oberflächennahe Zielvolumina wie die Brust. Trotz der weit verbreiteten Anwendung ist Wissen über Anwendungsvoraussetzungen, den optimalen Anwendungsbereich und das optimale klinische Setup sowie deren Einfluss auf die Genauigkeit nach wie vor lückenhaft. Diese Fragen wurden daher in dieser Arbeit systematisch behandelt. Ein Überblick über die jüngsten Entwicklungen in der SGRT wurde in einem Übersichtsartikel gegeben. Die Abgrenzung einer Region of Interest (ROI) als Teil der klinischen Routine zur Definition der zweidimensionalen Fläche, die für die Registrierung verwendet wird, wurde in der zweiten Studie analysiert. Es folgte eine eingehende Auswertung der dosimetrischen Auswirkungen von SGRT-basierten Positionsabweichungen in sechs Freiheitsgraden (DOF) im Rahmen einer Robustheitsstudie von Behandlungsplänen, um Schwellenwerte für die Positionskontrolle zu erhalten. In der vierten Studie wurden die Vorraussetztungen zur Einführung eines neuen markerlosen Arbeitsablaufs mit reinen SGRT-Fraktionen und dessen Leistungsfähigkeit bewertet. Material und Methoden Alle in dieser Arbeit analysierten Daten wurden im Rahmen der klinischen Anwendung der SGRT bei Brustkrebs mit dem Oberflächenscanner AlignRT (VisionRT, London, UK) gewonnen, der an zwei Linearbeschleunigern in der Strahlenklinik des Universitätsklinikums Erlangen (UKER) installiert sind. Die oberflächenbasierten Korrekturverschiebungen wurden für verschiedene ROIs mit den klinisch angewandten Verschiebungen verglichen, die sich aus der Conebeam-CT-basierten Positionskorrektur ergeben. Die dosimetrischen Auswirkungen der Positionsabweichungen wurden durch systematische Berechnung der ursprünglichen Behandlungspläne mit simulierten 6DOFAbweichungen evaluiert, wobei Schwellenwerte auf der Grundlage von Dosisbeschränkungen ermittelt wurden. Der neu eingeführte markerlose Arbeitsablauf, der wöchentliche CBCT-Scans für Patientinnen mit geringen SGRT-basierten Positionsabweichungen in der ersten Behand lungswoche umfasste, wurde mit dem alten Arbeitsablauf verglichen. Ergebnisse und Beobachtungen Es hat sich herausgestellt, dass die ROI einen erheblichen Einfluss auf das Ergebnis der Oberflächenregistrierung hat und daher mit Sorgfalt ausgewählt werden muss. Es konnte eine optimale ROI identifiziert werden, welche die Oberfläche der Brust, das Brustbein und den Bereich unterhalb beider Brüste umfasst und insbesondere die Abweichungen von der CBCT-Norm für Rotations-Freiheitsgrade von durchschnittlich 2.93◦ auf 1.96◦ reduziert. Die Bedeutung der üblicherweise vernachlässigten Rotationen wurde auch in der Robustheitsstudie hervorgehoben, ebenso wie die Notwendigkeit der Unterscheidung zwischen den Freiheitsgeraden für die dosimetrische Bewertung von Positionierungsabweichungen. Die Dosisverteilungen der Behandlungspläne waren besonders empfindlich gegenüber vertikalen Translationen und Rotationen in roll. Es konnte ein optimaler Satz von Schwellenwerten identifiziert werden, der die Anforderungen an die Dosisabdeckung erfüllt und für die klinische oberflächenbasierte Positionskontrolle geeignet ist. Die auf Laser- und Hautmarkierungen basierende Positionierung konnte in dem neu eingeführten Arbeitsablauf sicher durch SGRT ersetzt werden. Etwa 40% der Patientinnen konnten mit wöchentlichem CBCT und mit SGRT für alle anderen Fraktionen behandelt werden. Dies führte zu Dosiseinsparungen und zu Zeiteinsparungen von 97s, 166s bzw. 239s pro Fraktion für Patientinnen, die mit dem neuen Arbeitsablauf bzw. ohne tägliches CBCT behandelt wurden bzw. für reine SGRT-Fraktionen. Schlussfolgerungen SGRT hat sich als zuverlässiges Instrument für die Echtzeit-Positionierung von Brustkrebspatientinnen erwiesen und kann unter bestimmten Bedingungen die auf Laser- und Hautmarkierungen basierende Vorpositionierung und sogar die bildgestützte Strahlentherapie ersetzen. Um eine sichere Dosisapplikation zu gewährleisten, ist jedoch größte Aufmerksamkeit auf die Erfüllung der notwendigen Anforderungen zu richten, insbesondere im Hinblick auf die richtige Wahl der ROI und der Schwellenwerte für die Positionskontrolle.