Treatment planning for spinal radiosurgery

Abstract

Purpose

To investigate the quality of treatment plans of spinal radiosurgery derived from different planning and delivery systems. The comparisons include robotic delivery and intensity modulated arc therapy (IMAT) approaches. Multiple centers with equal systems were used to reduce a bias based on individual’s planning abilities. The study used a series of three complex spine lesions to maximize the difference in plan quality among the various approaches.

Methods

Internationally recognized experts in the field of treatment planning and spinal radiosurgery from 12 centers with various treatment planning systems participated. For a complex spinal lesion, the results were compared against a previously published benchmark plan derived for CyberKnife radiosurgery (CKRS) using circular cones only. For two additional cases, one with multiple small lesions infiltrating three vertebrae and a single vertebra lesion treated with integrated boost, the results were compared against a benchmark plan generated using a best practice guideline for CKRS. All plans were rated based on a previously established ranking system.

Results

All 12 centers could reach equality (n = 4) or outperform (n = 8) the benchmark plan. For the multiple lesions and the single vertebra lesion plan only 5 and 3 of the 12 centers, respectively, reached equality or outperformed the best practice benchmark plan. However, the absolute differences in target and critical structure dosimetry were small and strongly planner-dependent rather than system-dependent. Overall, gantry-based IMAT with simple planning techniques (two coplanar arcs) produced faster treatments and significantly outperformed static gantry intensity modulated radiation therapy (IMRT) and multileaf collimator (MLC) or non-MLC CKRS treatment plan quality regardless of the system (mean rank out of 4 was 1.2 vs. 3.1, p = 0.002).

Conclusions

High plan quality for complex spinal radiosurgery was achieved among all systems and all participating centers in this planning challenge. This study concludes that simple IMAT techniques can generate significantly better plan quality compared to previous established CKRS benchmarks.

Zusammenfassung

Zielsetzung

Untersuchung der Qualität von Behandlungsplänen für die Wirbelsäulen-Stereotaxie, die durch verschiedene Planungs- und Bestrahlungssysteme generiert wurden. Die Arbeit umfasst die robotergestützte Radiochirurgie sowie die intensitätsmodulierte Rotationstherapie (IMAT). Multiple Zentren mit gleichen Systemen wurden eingesetzt, um eine Verzerrung aufgrund individueller Planungsqualitäten zu reduzieren. Die Studie verwendete drei Fälle mit komplexen Wirbelsäulenläsionen, um den Unterschied in der Planqualität zwischen den verschiedenen Ansätzen zu untersuchen.

Methoden

International anerkannte Experten auf dem Gebiet der Behandlungsplanung und der Wirbelsäulen-Radiochirurgie aus 12 Zentren nahmen mit unterschiedlichen Planungssystemen teil. Für eine komplexe Wirbelsäulenläsion wurden die Ergebnisse mit einem zuvor publizierten Referenzplan verglichen, der für die CyberKnife-Radiochirurgie (CKRS) erstellt wurde und ausschließlich runde Kegelstrahlen verwendete. Für zwei weitere Fälle – einer mit mehreren kleinen Läsionen, die drei Wirbel infiltrierten, und einer mit einer einzelnen Wirbelkörperläsion, die mit integriertem Boost behandelt wurde – wurden die Ergebnisse mit einem Referenzplan verglichen, der unter Verwendung einer „Best-Practice“-Richtlinie entstanden ist. Alle Pläne wurden auf Basis eines zuvor etablierten Rankingsystems bewertet.

Ergebnisse

Alle 12 Zentren erreichen entweder die gleiche Planqualität (n = 4) oder übertrafen den Referenzplan (n = 8). Für die multiplen Läsionen und den Einzelwirbel-Läsionsplan erreichten jeweils nur 5 bzw. 3 der 12 Zentren eine gleiche oder bessere Planqualität als der „Best-Practice“-Referenzplan. Die absoluten Unterschiede in der Dosisverteilung im Zielvolumen und in den kritischen Strukturen waren jedoch klein und stark vom individuellen Planer und nicht vom System abhängig. Insgesamt führte die Gantry-basierte IMAT mit einfachen Planungstechniken (zwei koplanare Arcs) zu schnelleren Behandlungen und deutlich besseren Ergebnissen in der Planqualität als die statische Gantry-basierte Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) oder die Multilamellenkollimator (MLC)- und nicht-MLC-basierte CKRS unabhängig vom System (mittlerer Rank 1,2 vs. 3,1 von 4; p = 0,002).

Schlussfolgerung

Bei dieser Planungsherausforderung für komplexe Wirbelsäulenradiochirurgie wurde eine hohe Planqualität unter allen Systemen und allen beteiligten Zentren erreicht. Die Studie schlussfolgert, dass einfache IMAT-Techniken deutlich bessere Planqualitäten im Vergleich zu früheren etablierten CKRS-Benchmarks generieren können.

Caption Electronic Supplementary Material

Appendix Tables 1–3