Real-time beam monitoring for error detection in IMRT plans and impact on dose-volume histograms

Abstract

Purpose

This study aimed to test the sensitivity of a transmission detector for online dose monitoring of intensity-modulated radiation therapy (IMRT) for detecting small delivery errors. Furthermore, the correlation of changes in detector output induced by small delivery errors with other metrics commonly employed to quantify the deviations between calculated and delivered dose distributions was investigated.

Methods

Transmission detector measurements were performed at three institutions. Seven types of errors were induced in nine clinical step-and-shoot (S&S) IMRT plans by modifying the number of monitor units (MU) and introducing small deviations in leaf positions. Signal reproducibility was investigated for short- and long-term stability. Calculated dose distributions were compared in terms of γ passing rates and dose–volume histogram (DVH) metrics (e.g., D_mean, D_x%, V_x%). The correlation between detector signal variations, γ passing rates, and DVH parameters was investigated.

Results

Both short- and long-term reproducibility was within 1%. Dose variations down to 1 MU (∆signal 1.1 ± 0.4%) as well as changes in field size and positions down to 1 mm (∆signal 2.6 ± 1.0%) were detected, thus indicating high error-detection sensitivity. A moderate correlation of detector signal was observed with γ passing rates (R² = 0.57–0.70), while a good correlation was observed with DVH metrics (R² = 0.75–0.98).

Conclusion

The detector is capable of detecting small delivery errors in MU and leaf positions, and is thus a highly sensitive dose monitoring device for S&S IMRT for clinical practice. The results of this study indicate a good correlation of detector signal with DVH metrics; therefore, clinical action levels can be defined based on the presented data.

Zusammenfassung

Ziel

In dieser Arbeit wurde die Sensitivität bezüglich der Fehlererkennung eines Transmissionsdetektors für die Online-Dosisüberwachung von intensitätsmodulierter Strahlentherapie (IMRT) überprüft. Des Weiteren wurde die Korrelation zwischen Detektorsignaländerungen, verursacht durch kleine eingeführte Fehler, und anderen Parametern zur Bestimmung von Abweichungen zwischen berechneter und applizierter Dosisverteilung untersucht.

Methoden

Die Messungen mit dem Transmissionsdetektor wurden an drei Instituten durchgeführt. Sieben Fehlertypen wurden künstlich erzeugt und in neun klinischen S&S-IMRT-Plänen (S&S: „step-and-shoot“) induziert, indem die Anzahl der Monitoreinheiten (MU) sowie die Lamellenpositionen modifiziert wurden. Die Signalreproduzierbarkeit wurde für Kurz- und Langzeitstabilität untersucht. Die berechnete Dosisverteilung wurde mittels γ‑Auswertung und verschiedener Dosis-Volumen-Histogramm(DVH)-Parameter (z. B. D_mean, D_x%, V_x%) verglichen. Die Korrelation zwischen Signalabweichung, γ‑Auswertung und DVH-Parametern wurde untersucht.

Ergebnisse

Kurz- und Langzeitreproduzierbarkeit des Detektorsignals gab es in 1 %. Änderungen der Monitoreinheiten konnten bis 1 MU pro Feld detektiert werden (∆Signal 1,1 ± 0,4 %). Änderungen der Feldgröße und -position um 1 mm wurden ebenso identifiziert (∆Signal 2,6 ± 1,0 %), was für eine hohe Sensitivität bei der Fehlerdetektion spricht. Die Korrelation zwischen Abweichungen des Detektorsignals und der γ‑Auswertung waren mäßig (R² = 0,57–0,70), während eine gute Korrelation mit DVH-Parametern (R² = 0,75–0,98) gefunden wurde.

Schlussfolgerung

Der Detektor kann kleine Fehler bei Lamellenpositionen und MU detektieren und ist ein hochsensitives Messmittel für die Dosisüberwachung im klinischen Betrieb für S&S-IMRT. Die Ergebnisse dieser Studie zeigen eine gute Korrelation zwischen Abweichungen von Detektorsignal und DVH-Parametern, weshalb klinische Toleranzgrenzen auf Basis der präsentierten Ergebnisse definiert werden können.