A strategy for the use of image-guided radiotherapy (IGRT) on linear accelerators and its impact on treatment margins for prostate cancer patients

Abstract

Background and Purpose

In external beam radiotherapy of prostate cancer, the consideration of various systematic error types leads to wide treatment margins compromising normal tissue tolerance. We investigated if systematic set-up errors can be reduced by a set of initial image-guided radiotherapy (IGRT) sessions.

Patients and Methods

27 patients received daily IGRT resulting in a set of 882 cone-beam computed tomographies (CBCTs). After matching to bony structures, we analyzed the dimensions of remaining systematic errors from zero up to six initial IGRT sessions and aimed at a restriction of daily IGRT for 10% of all patients. For threshold definition, we determined the standard deviations (SD) of the shift corrections and selected patients out of this range for daily image guidance. To calculate total treatment margins, we demanded for a cumulative clinical target volume (CTV) coverage of at least 95% of the specified dose in 90% of all patients.

Results

The gain of accuracy was largest during the first three IGRTs. In order to match precision and workload criteria, thresholds for the SD of the corrections of 3.5 mm, 2.0 mm and 4.5 mm in the left-right (L-R), cranial-caudal (C-C), and anterior-posterior (A-P) direction, respectively, were identified. Including all other error types, the total margins added to the CTV amounted to 8.6 mm in L-R, 10.4 mm in C-C, and 14.4 mm in A-P direction.

Conclusion

Only initially performed IGRT might be helpful for eliminating gross systematic errors especially after virtual simulation. However, even with daily IGRT performance, a substantial PTV margin reduction is only achievable by matching internal markers instead of bony anatomical structures.

Zusammenfassung

Hintergrund

Bei der Teletherapie des Prostatakarzinoms führt die Berücksichtigung verschiedener systematischer Fehler zu großen Sicherheitsrändern auf Kosten der Normalgewebetoleranz. Wir untersuchten, inwieweit systematische Lagerungsfehler durch initiale bildgeführte Radiotherapie (IGRT) reduziert werden können.

Patienten und Methodik

Es wurden 882 Cone-Beam-Comutertomographien (CBCT) von insgesamt 27 Patienten analysiert. Nach der Korrektur auf knöcherne Strukturen wurde das Ausmaß des Lagerungsfehlers als gemittelter Wert der Verschiebungen nach null bis sechs CBCTs untersucht. Aus den Standardabweichungen (SD) der Verschiebungen wurden Schwellwerte für maximal 10% aller Patienten definiert, die tägliche Bildführung erhalten sollten. Für die Berechnung der Sicherheitsränder für das Planzielvolumen (PTV) forderten wir eine mindestens 95%ige kumulative Dosisabdeckung des klinischen Zielvolumens bei 90% der Patienten.

Ergebnisse

Drei CBCT stellten den optimalen Kompromiss zwischen Arbeitsbelastung und erzielbarer Genauigkeit durch initiale Bildführung dar (Tabelle 1). Die Schwellwerte für die SD, ab denen wir tägliche IGRT forderten, betrugen 3,5 mm in Links-rechts-(L-R-), 2,0 mm in kranial-kaudaler (C-C-) und 4,5 mm in anterior-posteriorer (A-P-)Richtung (Abbildung 1). Unter Berücksichtigung aller anderen Fehlertypen (Tabelle 2) wurden für das PTV kumulative Sicherheitsränder von L-R 8,6 mm, C-C 10,4 mm und A-P 14,4 mm ermittelt (Tabelle 3, Abbildung 2).

Schlussfolgerung

Ausschließlich initial durchgeführte Bildführung mag zwar größere systematische Fehler, speziell nach virtueller Simulation, kompensieren, eine deutliche Reduktion der PTV-Sicherheitsränder ist aber selbst bei täglicher IGRT nur durch Abgleich auf interne Marker anstelle von knöchernen Strukturen möglich.