Under-reported dosimetry errors due to interplay effects during VMAT dose delivery in extreme hypofractionated stereotactic radiotherapy

  • Tobias Gauer
  • Thilo Sothmann
  • Oliver Blanck
  • Cordula Petersen
  • René Werner
Original Article
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Abstract

Background and purpose

Radiotherapy of extracranial metastases changed from normofractioned 3D CRT to extreme hypofractionated stereotactic treatment using VMAT beam techniques. Random interaction between tumour motion and dynamically changing beam parameters might result in underdosage of the CTV even for an appropriately dimensioned ITV (interplay effect). This study presents a clinical scenario of extreme hypofractionated stereotactic treatment and analyses the impact of interplay effects on CTV dose coverage.

Methods

For a thoracic/abdominal phantom with an integrated high-resolution detector array placed on a 4D motion platform, dual-arc treatment plans with homogenous target coverage were created using a common VMAT technique and delivered in a single fraction. CTV underdosage through interplay effects was investigated by comparing dose measurements with and without tumour motion during plan delivery.

Results

Our study agrees with previous works that pointed out insignificant interplay effects on target coverage for very regular tumour motion patterns like simple sinusoidal motion. However, we identified and illustrated scenarios that are likely to result in a clinically relevant CTV underdosage. For tumour motion with abnormal variability, target coverage quantified by the CTV area receiving more than 98% of the prescribed dose decreased to 78% compared to 100% at static dose measurement.

Conclusion

This study is further proof of considerable influence of interplay effects on VMAT dose delivery in stereotactic radiotherapy. For selected conditions of an exemplary scenario, interplay effects and related motion-induced target underdosage primarily occurred in tumour motion pattern with increased motion variability and VMAT plan delivery using complex MLC dose modulation.

Keywords

Tumour motion variability Extracranial radiosurgery CTV underdosage 

Unzureichend untersuchte Dosimetriefehler aufgrund von Interplay-Effekten bei VMAT-Bestrahlung einer extrem hypofraktionierten stereotaktischen Strahlentherapie

Zusammenfassung

Hintergrund und Zielsetzung

Die Strahlentherapie extrakranieller Metastasen hat sich von einer normofraktionierten 3D-CRT zu einer extrem hypofraktionierten stereotaktischen Behandlung unter Verwendung einer VMAT-Bestrahlungstechnik entwickelt. Zufällige Interaktion zwischen Tumorbewegung und dynamisch veränderlicher VMAT-Bestrahlungsparameter kann zu einer Unterdosierung des klinischen Zielvolumens – auch für ein ausreichend dimensioniertes ITV – führen (Interplay-Effekt). Diese Studie untersucht ein klinisches Szenario einer extrem hypofraktionierten stereotaktischen Behandlung und analysiert die Auswirkungen von Interplay-Effekten auf die Zielvolumenabdeckung.

Methoden

Für ein thorakales/abdominelles Messphantom mit einem integrierten hochauflösenden Detektorarray auf einer 4D-Bewegungsplattform wurden Bestrahlungspläne für eine Fraktion und eine homogene Zielvolumenabdeckung mittels einer weitverbreiteten VMAT-Bestrahlungstechnik erstellt. Unterdosierung des CTV durch Interplay-Effekte wurde mittels Vergleich von Dosismessungen mit und ohne artifizieller/realer Tumorbewegung während der Bestrahlung untersucht.

Ergebnisse

Unsere Analyse stimmt mit früheren Arbeiten überein, die auf geringe Interplay-Effekte im Zielvolumen bei sehr regelmäßigen Bewegungsmustern, wie einfache sinusoidale Bewegung, hingewiesen haben. Allerdings haben wir Szenarien identifiziert und untersucht, die zu klinisch relevanten CTV-Unterdosierungen führen können. Für reale Tumorbewegungsmuster mit intrafraktioneller Variabilität verringerte sich die Zielabdeckung – quantifiziert durch den CTV-Bereich, der mehr als 98% der verschriebenen Dosis erhält – auf 78% im Vergleich zu 100% der statischen Dosismessung.

Schlussfolgerung

Diese Studie ist ein weiterer Nachweis für beträchtliche Interplay-Effekte bei VMAT-Bestrahlungen in einer stereotaktischen Strahlentherapie. Für ausgewählte Bedingungen eines typischen Szenarios traten Interplay-Effekte und eine damit verbundene bewegungsinduzierte Zielvolumenunterdosierung überwiegend bei realen Tumorbewegungsmustern mit erhöhter Bewegungsvariabilität sowie bei VMAT-Bestrahlung mit komplexer MLC Dosismodulation auf.

Schlüsselwörter

Tumorbewegungsvariabilität Extrakranielle Radiochirurgie CTV-Unterdosierung 

Notes

Acknowledgements

This study was supported by the Forschungsförderungsfond of the Medical Faculty of the University of Hamburg. The authors further thank PTW for technical support.

Conflict of interest

T. Gauer, T. Sothmann, O. Blanck, C. Petersen and R. Werner declare that they have no competing interests.

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Copyright information

© Springer-Verlag GmbH Germany, part of Springer Nature 2018

Authors and Affiliations

  • Tobias Gauer
    • 1
  • Thilo Sothmann
    • 1
    • 2
  • Oliver Blanck
    • 3
    • 4
  • Cordula Petersen
    • 1
  • René Werner
    • 2
  1. 1.Department of Radiotherapy and Radio-OncologyUniversity Medical Center Hamburg-EppendorfHamburgGermany
  2. 2.Department of Computational NeuroscienceUniversity Medical Center Hamburg-EppendorfHamburgGermany
  3. 3.Saphir Radiosurgery Center Frankfurt and GüstrowGüstrowGermany
  4. 4.Department of Radiation OncologyUniversity Medical Center of Schleswig-HolsteinKielGermany

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