Akciğer yerleşimli  tümörlerde farklı radyoterapi teknikleri ve  tedavi planlama algoritmalarının hedef tümör hacmi ve kritik organlar üzerindeki etkisinin değerlendirilmesi
Evaluation of different radiotherapy treatment techniques and treatment planning algorithms on target tumor volume  and critical organs for lung tumors
Yazar: AYÇA ÇAĞLAN
Danışman: PROF. DR. BAHAR DİRİCAN
Sağlık Bilimleri Üniversitesi / Gülhane Sağlık Bilimleri Enstitüsü / Radyasyon Biyolojisi Anabilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Radyasyon Onkolojisi = Radiation Oncology

Özet:
Akciğer radyoterapisi, rezeke ve/veya opere edilemeyen erken evre ve lokal ileri evre
kanser tedavisinde primer tedavi modalitesidir. Bu nedenle pek çok klinik ileri teknoloji ürünü
tedavi cihazlarını kullanarak, gelişen tedavi teknikleri ile daha etkin tedavi vermektedir. Bu
cihazlarla yapılan tedavilerin radyasyon dozu hesaplamalarının doğru yapılabilmesi için
tedavi planlama sistemlerine (TPS) ve bu sistemler için özel doz hesaplama algoritmalarının
geliştirilmesine ihtiyaç duyulmuştur. Tedavi planlama sistemlerinin yazılımındaki doz
algoritmaları tedavide kullanılan fotonun ya da elektronun enerjisine, tedavi alanının
genişliğine ve derinliğine bağlı olarak hedef hacim ve normal dokular için doğru doz
dağılımını hesaplamayı amaçlar. Farklı ticari firmalara ait algoritmaların farklılıkları tümör
kontrolünü etkileyebileceği gibi sağlıklı dokunun korunmasında da büyük önem taşımaktadır.
Bu çalışmada, akciğer yerleşimli tümörü olan hastalarda farklı tedavi teknikleri ve planlama
algoritmaları kullanılarak kritik organlar ve hedef tümör üzerindeki etkilerin değerlendirilmesi
amaçlanmıştır.
Çalışmamız, cerrahi uygulanmamış ve kliniğimizde radyoterapi verilen T2-T4 N0-N1
M0 evresinde olan 19 akciğer yerleşimli tümöre sahip hasta grubunda yapılmıştır. Hastaların
tedavi planlamalarını yapmak için tomografi görüntüleri, kliniğimizde bulunan Toshiba
Aquillion LB Bilgisayarlı Tomografi (BT) cihazında Aktif Nefes Kontrol (ABC) sistemi
kullanılarak elde edilmiş ve bu görüntüler üzerinden hedef hacim ve kritik organ
konturlamaları yapılmıştır. Farklı algoritmaların etkilerini karşılaştırabilmek için Yoğunluk
Ayarlı Radyoterapi (YART) tekniklerinden 'Step and Shoot' YART ve Volümetrik
Modülasyonlu Ark Terapi (VMAT) iki farklı tedavi tekniği kullanılmıştır. YART tedavi
tekniği için iki farklı ticari TPS'e ait dört farklı algoritma ve VMAT tekniği için üç farklı
ticari TPS'e ait 5 farklı algoritma kullanılarak planlamalar yapılmıştır. Tüm planlar, 6MV
foton enerjisi ile tanımlanan dozun %100' ü PTV hacminin %95' ini saracak şekilde 30
fraksiyondan toplam 60 Gy olacak şekilde, VMAT planları için kısmi 2 ark ve IMRT planları
için 5 alan kullanılarak yapılmıştır.
Hedef hacmin ve kritik organların doz dağılımları tüm planlar için karşılaştırılarak
dozimetrik ve radyobiyolojik değerlendirmeler yapılmıştır. MATLAB CERR ile her bir TPS
deki planlar DICOM görüntüleri, anatomik yapıları aktarılarak doz dağılımlarını elde edilmiş
ve tedavi planlarını tek bir DVH üzerinde analiz edilebilmiştir. İstatistiki analiz için v.29.0.2.0
SPSS istatistik programı kullanılmıştır. Bağımsız grupların karşılaştırılmasında Friedman testi
yapılarak p <0,05 istatistiksel anlamlı kabul edilmiştir. Friedman testinin anlamlı olması
durumunda Bonferroni düzeltmeli Wilcoxon rank testi ile sonuçlar değerlendirilmiştir. Yeni
anlamlılık düzeyi VMAT için p <0,005; Step and Shoot YART için p <0,008 olarak kabul
edilmiştir.
Çalışmamızda, VMAT tedavi planlamalarında istatistiksel olarak algoritmalar arası
hedef hacim için D ort , D mak, D 2 ve D 98 değerlerinde anlamlı istatistiksel farklılıklar bulunurken;kritik organlar için belli bir hacme karşılık gelen doz değerleri ile noktasal doz değerleri arasındaki farklılık daha fazla bulunmuştur. Hedef hacim için algoritmalar arası farkın
özellikle hedef tümörün hacmi küçüldükçe arttığı sonucuna varılmıştır.
Konvolüsyon/Süperpozisyon (C/S) algoritması, XVMC (x voksel Monte Carlo) algoritması
ile yakın sonuçlar vermiştir. 'Step and Shoot'YART tekniği kullanılarak yapılan planlamaların
algoritmalar arası analiz sonuçlarında hedef hacimde özellikle D ort , D 2 ve D 5 değerlerinde ve
kritik organların D ort değerlerinde anlamlı farklılıklar varken özellikle toplam akciğer,
konralateral ve ipsilateral akciğerlerin düşük doz hacim bölgelerinde doz dağılımı ve DVH
'larında belirgin farklılıklar bulunmuştur.
Bu çalışmada hedef hacim değerleri karşılaştırıldığında PB algoritmasının belirli
fiziksel parametreleri hesaba katmadığı için hem VMAT hem de 'Step and Shoot' YART
tekniklerinde PTV sarımını olduğundan fazla iyi, kritik organ dozlarını ise daha düşük
gösterdiği bulunmuştur. Ayrıca her iki tedavi tekniğinde AAA (Anisotropic Analitycal
Algorithm) ve AXB (Acuros XB) algoritmaları için hem PTV hem de kritik organ dozları ve
doz dağılımlarının birbirine benzer olduğu görülmüştür. Değerlendirdiğimiz algoritmalar
içinde AAA ve AXB algoritmalarında tümör hacmi içindeki maksimum doz değerleri daha
yüksek bulunmuştur. Radyobiyolojik parametreler, hedef hacim için EUD bütün algoritmalar
ve teknikler için benzerdir ve TCP (0,999) değerleri bütün algoritmalar için aynı bulunmuştur.
Radyobiyolojik parametrelerden NTCP değerlerinde algoritmalar arasında küçük farklılıklar
bulunmuştur.

Abstract:
Lung radiotherapy is the primary treatment modality in the treatment of unresectable
and/or inoperable early stage and locally advanced stage cancer. For this reason, radiotherapy
centers use state-of-the-art treatment devices and give more effective treatment with
developing treatment techniques Accurate radiation dose calculations for treatments
conducted with these devices necessitate the development of treatment planning systems
(TPS) and specific dose calculation algorithms for these systems. The dose algorithms in the
software of treatment planning systems aim to calculate the correct dose distribution for target
volumes and normal tissues, depending on the energy of the photons or electrons used in
treatment, along with the width and depth of the treatment field. The differences in algorithms
from various commercial firms are crucial as they can impact tumor control and the protection
of healthy tissue. This study aims to evaluate the effects on critical organs and target tumors
by using different treatment techniques and planning algorithms in patients with lung-located
tumors.
Our study was conducted in a group of patients with 19 lung-located tumors with T 2-4
N 0-1 M 0 stage with no previous surgery and radiotherapy history in our clinic. Treatment
planning for these patients was doneusing , computed tomography (CT) images obtained by
the Active Breathing Control (ABC) system on the Toshiba Aquillion LB CT device available
in our clinic. Target volume and critical organ contouring was done based on these images.
Two different treatment techniques of Intensity-Modulated Radiotherapy (IMRT), specifically
'Step and Shoot' IMRT and Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT), were utilized to
compare the effects of different algorithms. Four different algorithms from two different
commercial TPSs were used for the IMRT treatment technique, and five different algorithms
from three different commercial TPSs were used for the VMAT technique. All plans were
designed to ensure that 100% of the prescribed dose, defined with 6 MV photon energy,
would cover 95% of the PTV volume, delivered in 30 fractions for a total dose of 60 Gy,
using partial 2 arcs for VMAT plans and 5 fields for IMRT plans.
Dosimetric and radiobiological evaluations were done by comparing the dose
distributions of the target volume and critical organs for all plans. Dose distributions were
obtained and treatment plans were analyzed on a single DVH using MATLAB CERR, by
transferring DICOM images and anatomical structures from each TPS. The statistical analysis
was conducted using SPSS statistical software version 29.0.2.0. The Friedman test was used
to compare independent groups, with statistically a significance level of p < 0.05 considered
to be statistically significant. If the Friedman test revealed statistical significance, the results
were evaluated using the Bonferroni-corrected Wilcoxon rank test whereas the new
significance levels were resetted at p<0.005 for VMAT and p < 0.008 for 'Step and Shoot'
IMRT.In our study, while VMAT technique-based planning statistically showed significant
differences in the D mean , D max , D 2 , and D 98 values for the target volume among different
algorithms, the differences were more pronounced in dose values corresponding to specific
volumes and point dose values for critical organs. Slice-based dose distirubition and
Volumetric DVH led to conculude that the differences among algorithms for the target
volume increased, as the volume of the target tumor decreased. The Convolution/Superposition (C/S) algorithm yielded similar results close to those of X Voksel Monte Carlo (XVMC). In the analysis of plans using the 'Step and Shoot' IMRT technique, statistically significant differences were noted among algorithms in the D mean , D 2 , and D 5
values for the target volume and the D mean values for critical organs. There were notably
marked differences in the low-dose volume regions of the total lung, contralateral lung, and
ipsilateral lung slice-based dose disturibitions and DVHs.
In this study, when comparing the target volume values, it was found that the PB
algorithm hasn't taken into account for certain physical parameters, resulting in overly
optimistic PTV coverage and lower critical organ doses for both VMAT and 'Step and Shoot'
IMRT techniques. Additionally, for both treatment techniques, the AAA (Anisotropic
Analitycal Algorithm) and AXB (Acuros XB) algorithms showed similar dose values and
dose distributions for both the PTV and critical organs. Among the algorithms evaluated,
these two algorithms of AAA and AXB displayed higher maximum dose values within the
tumor volume. The radiobiological parameters showed that the EUD for the target volume
was similar in all algorithms and techniques, and the TCP (0.999) values were similar for all
algorithms and The radiobiological parameters studied were consistent with each other and
with the other evaluation parameters.