Akciğer kanserli hastalarda farklı tedavi planlama tekniklerinin hedef hacim ve kritik organ dozları açısından karşılaştırılması
The superiority of a novel treatment planning approach in treatment of locally advanced non-small cell cancer (nsclc) by using intensity-modulated radiation therapy (İMRT) and volumetric-modulated arc therapy (VMAT)
Yazar: EMRE MUSTAFA KARADEMİR
Danışman: PROF. DR. ENİS ÖZYAR
Acıbadem Üniversitesi / Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Radyasyon Onkolojisi Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2015
Konu: Fizik ve Fizik Mühendisliği = Physics and Physics Engineering ; Onkoloji = Oncology ; Radyoloji ve Nükleer Tıp = Radiology and Nuclear Medicine
Dizin: Akciğer = Lung ; Akciğer neoplazmları = Lung neoplasms ; Karsinoma-küçük hücreli olmayan-akciğer = Carcinoma-non small cell-lung ; Neoplazm evreleri = Neoplasm staging ; Neoplazmlar = Neoplasms ; Radyasyon = Radiation ; Radyasyon dozajı = Radiation dosage ; Radyoterapi = Radiotherapy ; Radyoterapi-bilgisayar yardımlı = Radiotherapy-computer assisted

Özet:
Akciğer kanseri, görülme sıklığı bakımından ülkemizde ve dünyada en yüksek sıklığa sahip bir kanser türüdür. Günümüz akciğer kanseri radyoterapi tedavisinde kullanılan konvansiyonel ve konformal radyoterapi tekniklerinin yanında, yoğunluk ayarlı radyoterapi (IMRT) ve hacimsel yoğunluk ayarlı radyoterapi (VMAT) gibi yeni tedavi teknikleri de kullanılmaktadır. 
IMRT ve VMAT gibi tekniklerin diğer tekniklerden en önemli farkı, istenilen doz dağılımına ulaşabilmek için optimizasyon yapılmasıdır. Optimizasyon, hedef hacim (HH) ve kritik organ (KO) dozlarının istenilen seviyeye getirilmesi için yapılan iteratif hesaplama konseptine dayanır. Her bir iterasyon sırasında ideal doz hacim grafiği (DVH) ve ideal akı haritası yaratılır. DVH ve ideal akı istenen değerlere ulaştığında, optimizasyon tamamlanır, sistem gerçek DVH ve gerçek akıyı hesaplamak için 3 boyutlu (3B) hesaplama işlemini gerçekleştirir. 3B hesaplamaların ardından elde edilen sonuç, optimizasyon sırasında elde edilen sonuç ile karşılaştırıldığında çok ciddi bir fark göstermektedir. Optimizasyonda elde edilen ideal DVH, ideal akı ile 3B hesaplama sonunda elde edilen gerçek DVH ve gerçek akı arasındaki bu ciddi farkın temel sebebi, optimizasyon sırasında heterojenite etkisi, yaprak geçirgenliği, yaprak sızıntısı, efektif SSD gibi gerçek durum ile ilgili parametrelerin iterasyon sırasında hesaba katılmaması, diğer taraftan 3B hesaplarında ise dahil edilmesidir.
Bu bağlamda, optimizasyon kaynaklı, gerçeğe yaklaşamama problemini, ilk hesap sırasında elde edilen gerçek akıyı, temel plan olarak tanımlayıp, bu plan optimizasyonun içine yerleştirilerek ideal DVH, ideal akı ile gerçek DVH ve gerçek akı arası farkları en aza indirmektedir. Bu çalışmada 12 çeşit temel plan yöntemi IMRT ve VMAT olarak ikiye ayrılmış ve kendi içlerinde araştırılmıştır: İlk grupta karşılaştırmak için orijinal IMRT planı yaratılmıştır. Ayrıca; 5 farklı plan oluşturulmuştur; 1)Orijinal IMRT planı kendi kopyasından yaratılan IMRT planı için temel alınmıştır. 2) Orijinal IMRT 'de DVO3 özelliği olan intermediate doz hesabı yapıldı. 3) Orijinal IMRT planı, farklı IMRT açılı plan ile temel alınmıştır. 4) Konformal plan orijinal IMRT planı ile temel alınmıştır. 5) Orijinal IMRT, eş ağırlıklar kullanılarak temel IMRT planı ile toplandı. İkinci grupta ise karşılaştırmak için orijinal VMAT planı yaratıldı. Ayrıca 5 farklı plan oluşturulmuştur; 1) Orijinal VMAT, kendi kopyasından yaratılan VMAT planı için temel alınmıştır. 2) Orijinal VMAT planı, PRO3 özelliği olan intermediate doz hesabı yapıldı. 3) Orijinal VMAT planı, IMRT planı ile temel alınmıştır. 4) Konformal plan orijinal IMRT planı ile temel alınmıştır. 5) Orijinal VMAT planı, eş ağırlıklar kullanılarak temel VMAT planı ile toplanmıştır.
Bu çalışmada tasarlanan temel planlar için 15 küçük hücreli dışı akciğer kanseri hastası (KHDAK) kullanılmış ve PTV için Dmin, Dmax, Dmean, V110%, V107%,V95%, CI, HI, orijinal planlar ve farklı temel alınan 5 plan için elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır. KO olarak akciğeriçinV5Gy, V10Gy, V20Gy, V30Gy, Dmean; Spinal kord için Dmax, D1cc; Kalp için, V30Gy, V40Gy, V45Gy,V60Gy,Dmean; Özefagus için V55Gy, V66Gy,Dmean değerleri incelenmiştir.
IMRT grubu için, orijinal IMRT planına aynı IMRT planı temel alınarak yapılan planlar, PTV kriterleri açısından en üstün sonucu vermiş ve diğer planlara göre bakılan bütün kriterlerde anlamlı farklılık oluşturmuştur. (Tüm kriterler için p<0.001). Akciğer için incelenen değerler temel alınan IMRT planında daha üstün çıkmış, orijinal IMRT planına göre V5Gy ve V10Gy değerlerinde anlamlı fark göstermiştir. (Sırasıyla p =0.027, p =0.014). Özefagus için bakılan V55Gy, V66Gy, Dmean kriterlerinde anlamlı fark sağlamıştır (p =0.001, p=0.001, p= 0.001) Kalp için anlamlı fark sadece V60Gy veDmean kriterleri için çıkmıştır. (Sırasıyla p =0.037, p =0.032). Spinal kordda incelenen Dmax, D1cc kriterlerinde de anlamlı fark çıkmıştır. (Sırasıyla p=0.019, p=0.014)
VMAT grubu için, orijinal VMAT planına aynı VMAT planı temel alınarak yapılan planlar ile intermadiate VMAT ile yapılan temel plan en üstün olarak ortaya çıkmıştır. Bu temel planlar PTV kriterleri açısından daha üstün sonucu vermiş ve diğer planlara göre bakılan bütün kriterlerde anlamlı farklılık oluşturmuştur. (Tüm kriterler için p<0.001). Akciğer için incelenen değerlerde konformal temeli VMAT planı daha üstün çıkmış, orijinal VMAT planına göre V5Gy ve V10Gy değerlerinde anlamlı fark göstermiştir.(Sırasıyla p =0.011, p =0.037). Özefagus için temel VMAT planı, orijinal VMAT planından daha üstün çıkmış,  bakılan V55Gy, V66Gy, Dmean kriterlerinde anlamlı fark sağlamıştır (p =0.001, p=0.001, p= 0.001) Kalp için intermadiate VMAT temel planı, orijinal VMAT planına göre daha üstün çıkmış ve anlamlı fark sadece V30Gy ve V40Gy kriterleri için çıkmıştır. (Sırasıyla p =0.010, p =0.044). Spinal kordda sadece D1cckriterindeVMAT temel planı orijinal VMAT planından daha üstün çıkmış ve anlamlı fark bulunmuştur. (p=0.032)
Elde edilen bulgular ışığında hangi tür optimizasyon ile başlanırsa başlansın, temel planlama tekniği gerçek akıyı istenen düzeye getirme konusunda başarılıdır ve bunu optimizasyon sırasında gerçekleştirdiği için alternatifi yoktur. Her teknik çok başarılı olmasına rağmen, optimizasyon yapıldığında IMRT temelli IMRT planı aralarındaki en iyi yöntem olarak diğerlerinden üstün olduğu gözlenmiştir ve optimizasyonlarda kullanılmalıdır. VMAT açısından incelediğimizde ise konformal temelli VMAT veya intermadiate VMAT planları diğerlerinden üstün çıkmıştır ve kullanılmalıdır. Sonuç olarak temel planlama tekniklerinin hepsi KHDAK hastalarında orijinal konformal, orijinal IMRT veya VMAT planlarına göre HH ve KO dozları bakımından üstünlük sağlamıştır.

Abstract:
Non small cell lung cancer (NSCLC) is the most common cancer in man both worldwide and at our country.  Beside conventional 3 dimensional (3D) conformal radiotherapy techniques, new treatment techniques such as intensity-modulated radiation therapy (IMRT) and volumetric-modulated arch therapy (VMAT) started to use in treatment of NSCLC. 
Major difference of these new techniques is to use optimization in order to reach desired dose distribution. Optimization mainly depends on the iteration concept in order to have optimal dose distribution both at target volumes (TV) and critical organs at risk (OAR). After each iteration process, an ideal dose volume histogram (IDVH) and ideal fluence map (IFM) was obtained. After reaching the DVH and FM objective values, optimization process was terminated and the treatment planning system start to calculate the actual DVH (ADVH) and actual fluence map (AFM) by 3D calculation. If IDVH and ADVH compared, a major difference can be easily observed. Main reason for this difference is optimization does not to include various parameters like heterogeneity effect, leaf leakage, leaf transmission and effective SSD in the iteration process, while these parameters are included to the by 3D calculation. We tried to solve this problem by using the AFM as a "base  plan" for a second optimization. In this study, we selected 15 locally advanced non small lung cancer patients and generated optimal IMRT and VMAT  plans. After obtaining these plans, we generated 5  different plans for each method and compared them with each other. These plans were obtained by following methods:  1) Original IMRT plan is used as a base plan for a second optimization and reach a new IMRT plan.(A-IMRT), 2) "Intermediate dose" calculation mode of the treatment planning is used for a new plan.(B-IMRT), 3) A modifed IMRT plan by using alternative gantry angles is generated  and used as a "base plan" and a second optimization is generated to reach a final plan.(C-IMRT) 4) A 3 Dimensional conformal plan is generated and used as a "base plan" and make a second optimization by using IMRT and reach a final plan.(D-IMRT)  5) Original IMRT plan is summed with plan A with equal weighting. (E-IMRT) All above mentioned plans were generated also for VMAT plans and reached A-VMAT, B-VMAT, C-VMAT, D-VMAT and E-VMAT plans. Only in C-VMAT plan original IMRT plan is used as a "base plan".   All plans are evaluated and compared with each other in terms of PTV evaluation parameters (Dmin, Dmax, Dmean, V110%, V107%,V95%, CI, HI values) and for critical organ doses (V5Gy, V10Gy, V20Gy, V30Gy, Dmean for lung; Dmax, D1cc for spinal cord; V30Gy, V40Gy, V45Gy,V60Gy, Dmean for heart; and V55Gy, V66Gy, Dmean values for esophagus..
Our results demonstrated that A-IMRT and B-VMAT plans are superior  in terms of all PTV evaluation criterias within for both IMRT and VMAT groups. (p<0.001). In terms of critical organ doses; A-IMRT plan have better V5Gy and V10Gy (p =0.027, p =0.014) for lung, have better  V55Gy, V66Gy, Dmean criteria for esophagus, (p =0.001, p=0.001, p= 0.001), V60Gy and Dmean criteria for  heart, (p =0.037, p =0.032) and, Dmax and D1cc criteria for spinal cord (p=0.019, p=0.014) doses compared to the original IMRT plan values. In terms of critical organ doses; D-VMAT plan have better V5Gy and V10Gy (p =0.011, p =0.037) for lung, compared to the original VMAT plan. A-VMAT plan values have better V55Gy, V66Gy, Dmean criteria for esophagus, (p =0.001, p=0.001, p= 0.001). B-VMAT plan values have better V30Gy and V40Gy criteria for  heart (p =0.01, p =0.044) compared to the original VMAT plan. A-VMAT plan values have better D1cc criteria for spinal cord (p=0.032) doses compared to the original IMRT plan values. Briefly, the basis of this new planning method is to use the first optimization dose map as a "base plan" and make a second optimization to reach a better final dose distribution. Our results have indicated that all investigated plans have better PTV and organ at risk parameters compared to the original plans. Best results were obtained for A-IMRT and for B-VMAT for both PTV and critical organ criterias. D-VMAT have the best results in terms of lung critical organ criterias.