Inverse radiotherapy planning for intensity-modulated photon fields

Summary

Substantial improvement in conformal radiotherapy is possible using modulated irradiation fields. Such modulated fields may be generated even with conventional accelerators by means of individual metal compensators or with the recently available dynamic multileaf collimators (MLC). For treatment planning a new kind of planning program is required that can calculate the 2 D-intensity matrices for each photon field. At the German Cancer Research Center (Deutsches Krebsforschungszentrum) such a program has been developed under the name of “KonRad” (Conformal Radiotherapy). Although it is an independent application, it is proposed for clinical usage to supplement a planning system that is already present. So-called inverse planning differs from conventional 3 D planning, as the trial-and-error approach for finding good field parameters is nearly completely avoided. Instead, the radio-oncologist is given the chance directly to specify medically oriented criteria like the prescription dose in the target volume, maximal tolerance dose values for each organ at risk and their weighting factors. In addition, the so-called DVH optimization allows aimed, partial overdosage, especially in parallelly structured organs in order to obtain better overall planning results.

Because of very fast dose calculation in connection with rapidly converging gradient optimization and an intuitive user interface, the planning is done in a comfortable and interactive manner. Using a workstation or a PC, a typical plan can be created within a few minutes.

Zusammenfassung

Eine wesentliche Verbesserung in der konformierenden Strahlentherapie ist mit Hilfe von modulierten Strahlenfeldern zu erreichen. Diese können auch bei herkömmlichen Beschleunigern mittels individueller Metallkompensatoren oder durch neuerdings verfügbare dynamische Multileaf-Kollimatoren (MLC) erzeugt werden. Für die Bestrahlungsplanung ist ein neuartiges Planungsprogramm erforderlich, das die 2 D-Intensitätsmatrizen für jedes Photonenfeld berechnen kann. Am DKFZ wurde ein solches Programm unter dem Namen „KonRad“ (Konformierende Radiotherapie) entwickelt. Es handelt sich hierbei zwar um eine eigenständige Applikation, doch ist diese für den klinischen Einsatz als Ergänzung zu einem schon vorhandenen Planungssystem gedacht.

Diese sog. inverse Planung unterscheidet sich von der herkömmlichen 3 D-Planung wesentlich dadurch, daß sie das bisher erforderliche Ausprobieren verschiedener Feldeinstellungen weitgehend vermeidet und dem Strahlentherapeuten die Möglichkeit eröffnet, seine medizinisch orientierten Kriterien wie Solldosis im Zielvolumen, Höchstdosiswerte in den einzelnen Risikoorganen und deren jeweilige Gewichtung unmittelbar vorzugeben. Darüber hinaus gestattet es die sog. DVH-Optimierung, daß insbesondere bei parallel organisierten Organen bewußt teilweise Überdosierungen hingenommen werden, um insgesamt ein besseres Planungsergebnis zu erzielen.

Dank einer sehr schnellen Dosisberechnung in Verbindung mit einem rasch konvergierenden Gradientenoptimierungsverfahren und einer intuitiv zu verwendenden Benutzerschnittstelle ist ein flüssiges, interaktives Planen möglich, so daß ein typischer Plan nicht nur auf einer Workstation, sondern ebensogut auf einem PC in wenigen Minuten erstellt werden kann.