Plan evaluation in radiotherapy: on the way to automated treatment planning

Abstract

Radiation therapy makes use of ionization radiation to eliminate in a controlled way tumours cells sparing as much as possible the normal tissues. The treatment is delivered to the patient during several sessions according to a personalized plan optimized a priori by a planner in a treatment plan system. The most advanced planning techniques, such as inverse planning optimization of static beams or volumetric arcs, require the use of dose optimization algorithms, that allow the planner to find one or more solutions that satisfies as much as possible the prescription dose for the target and the tolerance dose criteria for the normal tissues. Treatment plan automation based on multicriteria optimization algorithms generates treatment planning solutions with equivalent dose distribution quality and reduced the interaction from the planner. The quality of the dose distribution can even be substantially enhanced when beam angle optimization and arc trajectory optimization algorithms are incorporated in plan optimization. The main purpose of this work is to contribute to the treatment planning automation process by developing new plan assessment tools and use them for testing new directions/trajectory optimization algorithms. To support clinical decision-making, a graphical method incorporating the clinical aims of the radiation oncologist was developed to evaluate and compare treatment plans independently from the algorithm, the treatment technique or the treatment planning system used. This plan quality assessment tool, named SPIDERplan, was clinically validated for the nasopharynx pathology by three radiation oncologists from the three Portuguese Oncology Institutes in Lisbon, Porto and Coimbra. The performance of SPIDERplan proved to be comparable with the radiation oncologists’ evaluations. Its configuration and resulting scoring were discussed enabling its generalized application. SPIDERplan was then extensively used. Firstly, for nasopharynx tumour cases, in the comparison of two-fluence based beam angle optimization algorithms for coplanar and non-coplanar geometries in a multicriterial optimization framework. The direction optimization topic was afterwards extended to intracranial tumours, namely to meningioma cases. SPIDERplan was used, this time, not just to assess plans quality but also to guide the non-coplanar beam angle optimization algorithm. Furthermore, a new arc trajectory optimization algorithm based in the anchor point concept was proposed, driven again by SPIDERplan. In both nasopharynx and meningioma pathologies, SPIDERplan was used to assess the plans quality, averaged over the used patient samples. In addition, its application to specific-patient situations enabled to evidence the advantages of the optimization of direction/trajectory in a very impressive way.

A Radioterapia é uma modalidade terapêutica multidisciplinar de elevada com-plexidade e exatidão que utiliza, de forma controlada, radiação ionizante para eliminar as células tumorais poupando o máximo possível os tecidos normais. O doente é tratado ao longo de várias sessões de acordo com um plano de trata-mento personalizado otimizado, a priori, por um planeador num sistema de pla-neamento. As novas técnicas de planeamento, como o planeamento inverso com campos estáticos ou com arcos volumétricos, requerem a utilização de al-goritmos de otimização de dose que, de forma iterativa, permitem ao planeador encontrar uma ou mais soluções que satisfaçam o melhor possível a prescrição de dose e cumpram os limites de dose de tolerância definidos para os órgãos de risco. A automatização do processo de planeamento utilizando algoritmos de otimização multicritério permite que todos os doentes tenham planos de trata-mento com qualidade equivalente e reduzir drasticamente a dependência do processo de otimização da destreza do planeador. A qualidade das distribuições de dose pode ainda ser melhorada se durante a otimização da intensidade dos feixes de radiação forem incorporados algoritmos de otimização das direções e trajetórias dos feixes de tratamento. Este trabalho tem como principais propósi-tos contribuir para o processo de automatização do planeamento em Radioterapia através do desenvolvimento de novas ferramentas para avaliação de planos e de novos algoritmos de otimização de direções e trajetórias dos feixes de tratamento. Neste sentido foi desenvolvida uma ferramenta gráfica de avaliação e comparação de planos de apoio à decisão do radioncologista designada SPIDERplan. Para além da informação dosimétrica do plano, esta ferramenta incorpora na sua metodologia as preferências clínicas dos radionco-logistas e permite avaliar e comparar de forma independente planos otimizados com diferentes algoritmos, diferentes técnicas ou provenientes de diferentes sis-temas de planeamento. A SPIDERplan foi validada clinicamente para os carcino-mas de nasofaringe por três médicos radioncologistas dos três institutos portu-gueses de oncologia de Lisboa, Porto e Coimbra. Os resultados obtidos prova-ram que a avaliação dos planos por esta realizada é comparável à avaliação clínica dos médicos pelo que a sua utilização foi alargada a outros estudos e patologias. Assim, a SPIDERplan foi utilizada na comparação de dois algoritmos de otimização angular baseados na otimização de fluências para geometrias co-planares e não-coplanares num sistema de otimização multicritério. A investiga-ção das possíveis vantagens da otimização angular foi alargada aos tumores de sistema nervoso central, mais concretamente aos meningiomas. Neste caso, para além da avaliação da qualidade dos planos, a SPIDERplan foi também uti-lizada para guiar o algoritmo de otimização angular para geometrias não-copla-nares. Ainda no estudo dos meningiomas foi proposto um novo algoritmo de otimização de trajetórias de feixes em arco baseado no conceito de pontos de ancoragem, cuja otimização foi também guiada pela SPIDERplan. Quer para o estudo da nasofaringe quer para os meningiomas, a SPIDERplan foi usada para avaliar a qualidade dos planos gerados de um ponto de vista global, avaliando a qualidade média de todos os casos. Em casos chave foi usada, mais especi-ficamente, para evidenciar as vantagens que podem advir para a otimização dos planeamentos em Radioterapia com os algoritmos de otimização de direções e trajetórias dos feixes de radiação.