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The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose

A Comparison between sMLM-IMRT and Helical Tomotherapy

Der Einfluss verschiedener IMRT-Technologien auf die periphere Dosis. Ein Vergleich zwischen sMLM-IMRT und Tomotherapie

Strahlentherapie und Onkologie volume 185, pages 696–702 (2009)Cite this article

Purpose:

To investigate how segmented multileaf modulation-(sMLM-)based intensity-modulated radiotherapy (IMRT) and dynamic helical tomotherapy (ToTh) affect the peripheral dose (PD) outside the treated region.

Material and Methods:

A cuboid Perspex phantom was scanned in a computed tomograph. Different artificial cases were contoured consisting of OARs surrounded by cylindrically shaped planning target volumes (PTVs) with different dimensions. Radiotherapy plans were generated with the sMLM system Konrad (Siemens) and with the ToTh planning system. The plans were optimized in such a way that the dose-volume histograms showed comparable results. The sMLM plans were applied with a linac Primus (Siemens OCS), the ToTh plans with the HiArt system (TomoTherapy); both with 6 MV. Measurements of PDs were performed along the longitudinal axis of the phantom outside the primary beam at different distances from the edge of the PTV (horizontal PD) and also at different depths at a fixed distance from the isocenter (vertical PD). Additional experiments to separate the scatter dose caused by the phantom were performed. This was realized by removing the part of the phantom lying in the primary beam, then applying the same plans like before.

Results:

All PD values were normalized to the median dose of the PTV. The PD values for the different PTVs decrease with decreasing PTV size. They also decrease with increasing distance from the isocenter. The horizontal values are in a range of 7% for the largest PTV (diameter = 15 cm) near the primary dose region to 0.2% for the smallest PTV (diameter = 5 cm) far from the primary dose region. The ToTh values are higher than the sMLM values by a maximal factor of 2 near the primary dose region. They become more similar with increasing distance from the edge of the PTV in longitudinal direction. The PD values are nearly equal at a distance of 25 cm from the edge of the PTV. The vertical PDs are higher for the ToTh at depths of > 1 cm but higher for sMLM close to the surface. By removing the scatter cube, the horizontal PD values at middle distances are reduced to one third of the PD values with scatter cube for ToTh (0.5%) and to one half for sMLM (0.8%). This means that without scatter cube the PD for ToTh is lower than that for sMLM. The measured PD values without scatter cube are in the same dimension as published data.

Conclusion:

The increasing PDs and their trend with increasing PTV size can be explained by Compton scattering of photons from the irradiated volume toward the off-axis measuring points. The further increase of the PD in case of ToTh relative to sMLM is not easy to explain. Different presumptions are possible. The larger field length (in longitudinal direction) of the ToTh plans (consisting of the “real” field length and the overlap) relative to the sMLM plans could be one reason for the higher PD values. The softer energy spectrum of the HiArt machine with more sideward Compton scattering contributions could be another reason.

Ziel:

Im Rahmen eines Vergleichs sollte der Einfluss von intensitätsmodulierter Radiotherapie (IMRT) mit „step-and-shoot“-Technik (sMLM) und von helikaler Tomotherapie (ToTh) auf die periphere Dosis (PD) außerhalb der primären Bestrahlungsregion untersucht werden.

Material und Methodik:

Ein Quaderphantom aus Plexiglas wurde im CT gescannt. Bestrahlungspläne für drei verschieden große, konstruierte Fälle (Risikoorgane umgeben von Hohlzylinder-Planungszielvolumina [PTVs]) erzeugt. Die Pläne wurden für sMLM mit Konrad (Siemens) und für ToTh mit dem HiArt-Planungssystem berechnet. Alle Pläne wurden so optimiert und normalisiert, dass die Dosis-Volumen-Histogramme vergleichbare Ergebnisse zeigten. Die sMLM-Pläne wurden mit einem Beschleuniger Primus (Siemens), die ToTh-Pläne mit einem HiArt-System appliziert, beide mit 6 MV. Dabei wurden PD-Messungen außerhalb des primären Strahlenfelds in verschiedenen Abständen vom PTV (horizontale PD) und in verschiedenen Tiefen bei festem Abstand vom PTV (vertikale PD) durchgeführt. Zur Separierung der Dosisanteile aus dem Phantom und aus dem Beschleunigerkopf bzw. der Strahlkollimiereinheit wurde ein Teil der Experimente ohne Phantom im Primärstrahl wiederholt.

Ergebnisse:

Alle PD-Werte wurden auf die mediane Dosis im PTV normalisiert. Die PD-Werte steigen mit abnehmender PTV-Größe. Sie sinken ebenfalls mit zunehmender Entfernung vom Isozentrum. Die horizontalen PD-Werte liegen im Bereich von 7% in Nähe der Primärregion für das größte PTV (Durchmesser = 15 cm) bis zu 0,2% für das kleinste PTV (Durchmesser = 5 cm) fern der Primärregion. Die PD-Werte sind bei ToTh nahe der Primärregion maximal um den Faktor 2 höher als die sMLM-Werte. Die PD-Werte bei sMLM und ToTh nähern sich mit wachsender longitudinaler Entfernung vom PTV an. Sie sind in 25 cm Entfernung vom PTV nahezu identisch. Die vertikalen PD-Werte sind in Tiefen > 1 cm für ToTh, nahe der Oberfläche jedoch für sMLM höher. Durch Entfernung des Streuquaders wurden die horizontalen PD-Werte in mittlerer Entfernung vom PTV verringert, beim ToTh-Plan auf ein Drittel (0,5%) und beim sMLM-Plan auf die Hälfte (0,8%). Damit sind die aus dem Kollimiersystem stammenden Dosisbeiträge vom HiArt-System geringer als vom „herkömmlichen“ Primus-Beschleunigerkopf mit Multileafkollimatoren. Die gemessenen PDs ohne Streuphantom liegen in der gleichen Größenordnung wie bereits publizierte Daten.

Schlussfolgerung:

Der Anstieg der PD-Werte und deren Zunahme mit der Größe des PTVs können mit der Compton-Streuung der Photonen vom primären Bestrahlungsvolumen in Richtung der Messpunkte erklärt werden. Die weitere Zunahme der PD bei ToTh im Verhältnis zu sMLM ist nicht einfach zu erklären. Die größere Feldlänge bei ToTh (in longitudinaler Richtung), bestehend aus „realer“ Feldlänge und Überlappung (bedingt durch Spiralapplikation), im Vergleich zu herkömmlicher IMRT kann ein Grund sein, das weichere Spektrum des HiArt-Systems mit daraus resultierender stärkerer Compton-Streuung zur Seite ein anderer.

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Affiliations

  1. Department of Radiotherapy, University Hospital Jena, Jena, Germany

    Tilo Wiezorek

  2. German Cancer Research Center, Heidelberg, Germany

    Andrea Schwahofer

  3. Department of Radiotherapy, University Hospital Heidelberg, Heidelberg, Germany

    Kai Schubert

  4. Klinik für Strahlentherapie und Radioonkologie, Universitätsklinikum Jena, 07740, Jena, Germany

    Tilo Wiezorek

Authors
  1. Tilo Wiezorek
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  2. Andrea Schwahofer
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  3. Kai Schubert
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Wiezorek, T., Schwahofer, A. & Schubert, K. The Influence of Different IMRT Techniques on the Peripheral Dose. Strahlenther Onkol 185, 696–702 (2009). https://doi.org/10.1007/s00066-009-2005-9

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Key Words:

  • Peripheral dose
  • Intensity-modulated radiotherapy
  • IMRT
  • Tomotherapy

Schlüsselwörter:

  • Periphere Dosis
  • Intensitätsmodulierte Strahlentherapie
  • IMRT
  • Tomotherapie