Dissertation submitted to the Combined Faculties for the Natural

Dissertation
submitted to the
Combined Faculties for the Natural Sciences and for Mathematics
of the Ruperto-Carola University of Heidelberg, Germany
for the degree of
Doctor of Natural Sciences
presented by:
Diplom-Physicist:
born in:
Luciana Pavel
Cluj-Napoca
Oral examination: 4th December, 2002
Berichte aus der Medizinischen Physik
Luciana Pavel
The Dosimetric Effect of Organ Movement
in Prostate Radiotherapy:
New Models for Hollow Organs
.
Shaker Verlag
Aachen 2002
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Pavel, Luciana:
The Dosimetric Effect of Organ Movement in Prostate Radiotherapy:
New Models for Hollow Organs / Luciana Pavel.
Aachen : Shaker, 2002
(Berichte aus der Medizinischen Physik)
Zugl.: Heidelberg, Univ., Diss., 2002
ISBN 3-8322-1101-2
.
Copyright Shaker Verlag 2002
All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, stored in a
retrieval system, or transmitted, in any form or by any means, electronic,
mechanical, photocopying, recording or otherwise, without the prior permission
of the publishers.
Printed in Germany.
ISBN 3-8322-1101-2
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Familiei mele...
The Dosimetric Effect of Organ Movement
in Prostate Radiotherapy:
New Models for Hollow Organs
Referees: Prof. Dr. Thomas Bortfeld
Prof. Dr. Josef Bille
Zusammenfassung
In der vorliegenden Arbeit wurden interfraktionelle Translationen und Volumenänderungen der Organe im Beckenbereich (Prostata, Rektum, Blase und Dünndarm) im Bezug
auf die Planungsposition beschrieben und quantifiziert und zwei neue Modelle für die
Berechnung der Dosisverteilung in den Wandgewebestrukturen von Hohlorgane (Rektum und Blase) im zeitlicher Verlauf entwickelt. Für das Rektum wurde ein 2D Model
angewendet, wobei eine isotrope Ausdehnung oder Kontraktion innerhalb jeder CTSchicht erlaubt ist. Im Fall der Blase, unterscheiden sich die eingezeichneten Schichten
der CT Aufnahmen abhängig von der Blasenfüllung. Das existierende 2D Model wurde
so zu einer vollen 3D Deformation erweitert. Die Blase wurde als eine sich isotrop
ausdehnende/kontrahierende Kontour (Sphere in erster Annäherung) um den Massenschwerpunkt des Organs. Angenommen, die Dosis, die nur die Wand des Hohlorgans
(empfindliches Gewebsvolumen) in jeder Fraktion belastet, wird anschließend in einem
sogenannten Dose-Surface-Histogramm (DSH) dargestellt. Zum ersten Mal haben wir
ein sogennantes “entgültiges” DSH erstellt, das die Organbewegungen über 9-10 Fraktionen berücksichtigt, und es mit den täglichen DSHs verglichen. Diese Resultate sind
entscheidend für eine bessere Einschätzung der Unsicherheit in der applizierten Dosis im Normalgewebe der Hohlorgane bei der Bestrahlung der Prostatatumoren, wenn
Organbewegung vorhanden ist. Die Benutzung der DSH anstatt der Dosis-VolumenHistogramme (DVH) für die Hohlorgane und die Einführung der geometrischen Informationen der 3D Dosisverteilung kann zu einer besseren Voraussage über die Rektumbzw. Blasen Komplikationen (normal tissue complication probability - NTCP) nach Bestrahlung von Prostatatumoren führen. Mit Hilfe dieser Informationen werden Strategien für die Adaptive Strahlentherapie (ART) diskutiert, wie die aktuelle Therapiepläne
während der Behandlung für einzelne Patienten geändert werden sollten, um die Organbewegungen zu berücksichtigen.
Abstract
In the present work two new models were developed in order to quantify inter-fraction
pelvic organ translations and volume changes relative to the planning position, and to
calculate the effects of movement on the dose distribution for hollow organs. For the
rectum a 2D model is used where isotropic expansion or contraction is allowed in the
plane of each CT slice. In the case of the bladder the number of outlined slices will differ
from scan to scan depending on the degree of bladder filling. The existing 2D model
was extended to fully 3D deformations. The bladder was considered as an isotropic
expanding/contracting contour (sphere in the first approximation) about the centre of
mass. The dose affecting only the wall of the hollow organ (sensitive tissue volume)
each fraction, was plotted on a dose-surface-histogram (DSH). Also, for the first time,
a “final” DSH which takes into account the organ movements over 9 or 10 fractions was
calculated for 5 patients and compared to each daily DSHs. All these above mentioned
results are crucial for a better estimation of the uncertainty in the dose delivered to the
normal tissue of the hollow organs at risk when organ motion is present. The use of DSH
instead of dose-volume-histograms (DVH) for hollow organs and the explicit inclusion
of geometrical information of the 3D dose distribution can lead to a better prediction of
late rectal or bladder complications (normal tissue complication probability - NTCP)
after radiotherapy of prostate cancer. Using this information, strategies for adaptive
radiotherapy (ART), where treatment plans are altered to take account of geometric
variations in organs during the course of treatment for an individual patient, are then
discussed.
Contents
1 Introduction
1
1.1
Radiotherapy - general aspects . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.2
Radiotherapy delivery
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1
1.3
Organs in the pelvic region . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2
1.4
General aspects of motion
5
1.5
Motivation and aims of this study
. . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . .
2 Clinical data
6
9
2.1
The Beaumont data
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.2
Image registration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
9
2.3
Outlining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
10
2.4
Planning . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
13
3 Geometrical analysis
17
3.1
Overview of geometrical errors . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
3.2
CoM translations and volume changes
. . . . . . . . . . . . .
27
3.3
Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3.1
Volume changes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
28
3.3.2
Translation vectors . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
33
I
II
CONTENTS
4 Dosimetric effects and biological modeling
4.1
4.2
4.3
Dosimetric effects of rectal motion
. . . . . . . . . . . . . . .
4.1.1
Why use a new model? . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.2
Rectal model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.1.3
Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Dosimetric effects of bladder motion
. . . . . . . . . . . . . .
4.2.1
Why use a new model? . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.2.2
Bladder model
4.2.3
Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
Biological modelling
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.1
NTCP based on DSH . . . . . . . . . . . . . . . . . .
4.3.2
Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . .
41
43
43
44
45
51
52
54
55
66
66
69
5 Future work
73
6 Summary
79
Bibliography
83