German Title: Ein inverses Bestrahlungsplanungssystem für robotische Seed Brachytherapie

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Abstract

Seed-Brachytherapy (BT) is a guideline-conformal therapy for low-risk prostate cancer, which relies on the implantation of small radioactive sources (seeds) by interstitial needle placement. However, due to its complex workflow and the lack of proper education programs the number of interventions is steadily declining. Introducing robotic navigation assistance tools to position the implantation needle and better image modalities could improve the intervention procedure in terms of reduced complexity and higher safety while decreasing costs by higher time efficiency. It could then broaden the access of patients with prostate carcinoma as well as other cancer types.

This thesis focuses on three treatment scenarios. Scenario 1 is the treatment of a liver metastasis with a navigation tool for trans-percutaneous needle implantations. Scenario 2 is the transrectal treatment of prostate seed-BT using a navigation tool for MRI-guided needle implantations. Scenario 3 in contrast treats intra-prostatic lesions in a focal treatment approach or as a dose escalation scenario in combination with External-Beam Radiation Therapy. A novel Treatment Planning System (TPS) is presented as part of an adaptive robotic workflow. It automates the needle path- and treatment planning by inverse optimization. In scenario 1, the path planning algorithm determines all suitable injection points to reach the target volume by circumventing risk structures. In scenario 2 and 3 however, all needle trajectories meet in the rotation point coordinate of the robot’s needle guide. The needle candidate domain then structures all combinations of injection and tip points to benefit the inverse optimization as pre-processed data in terms of reduced computational cost during the treatment planning. A greedy optimizer generates an initial treatment plan, which is then further optimized to fulfil the planning constraints. The feedback of the needle or implanted seed coordinates to the TPS enables to adapt the remaining needles to compensate a loss of dose coverage. Implantations (SI)s were simulated to compare them to novel needle-adaption algorithms. The workflow's feasibility for the transrectal approach is tested with an implantation experiment using an anthropomorphic pelvis phantom.

A TPS-calculated dose plane showed a 98.5 % pass rate for the gamma 1 %, 1 mm test indicating a nearly equivalent dose distribution as the same plan’s dose plane implemented in a commercial Brachytherapy TPS. The path planning is shown to avoid needle candidates through the organ at risks (OARs) automatically such as the ribs and the liver in scenario 1 and the urethra in scenario 2. The treatment plans matched the planning constraints for all scenarios. The V100 (mean ± std) for each ten plans yielded (99.1±0.3) % for scenario 1, (95.8 ± 0.5) % for scenario 2 with D_pr=145 Gy and (99.2±1.2) % together for the lesions L1/3/4/5 in scenario 3. In scenario 2, the treatment plans were clinically acceptable, fulfilling as well the dose constraints for the OARs similarly, as interstitial seed-BT. The SIs showed a decrease of the V100 due to needle displacements, which could be partly compensated by the needle adaption algorithms in all scenarios. The implantation experiment showed a needle guide placement accuracy of 0.58±0.22 mm and the spatial displacement between the approved needle trajectory and registered seed position was 2.62 ± 1.24 mm.

Altogether, the TPS enables robotic seed-BT in a more flexible and automated workflow of the prostate as well as other tumour sites or metastases in a fully automated planning process. The physician may benefit from the direct seed implantation feedback and the possibility to correct displacement errors in a way that the learning curve is flattened and the quality of implant is quickly raised.

Translation of abstract (German)

Die Seed-Brachytherapie (BT) ist eine leitlinienkonforme Therapie für Prostatakrebs mit geringem Risiko, die auf der Implantation kleiner radioaktiver Quellen (Seeds) durch interstitielle Nadelplatzierung beruht. Aufgrund des komplexen Arbeitsablaufs und des Mangels an geeigneter Ausbildung nimmt die Zahl der Interventionen jedoch stetig ab. Die Einführung robotergestützter Navigationshilfen zur Positionierung der Implantationsnadel und besserer Bildmodalitäten könnten das Interventionsverfahren im Hinblick auf geringere Komplexität und höhere Sicherheit verbessern und gleichzeitig die Kosten durch höhere Zeiteffizienz senken. Es könnte damit den Zugang zum Verfahren für Patienten mit Prostatakarzinom und anderen Krebsarten erweitern.

Diese Arbeit konzentriert sich auf drei Behandlungsszenarien. Szenario 1 ist die Behandlung einer Lebermetastasierung mit einem Navigationsgerät für transperkutane Nadelimplantationen. Szenario 2 ist die transrektale Behandlung von Prostata-Seed-BT unter Verwendung eines Navigationstools für MRT-gesteuerte Nadelimplantationen. Im Gegensatz dazu behandelt Szenario 3 intraprostatische Läsionen in einem fokalen Behandlungsansatz oder als Boost in Kombination mit einer externen Strahlentherapie. Ein neuartiges Behandlungsplanungssystem (BPS) wird als Teil eines adaptiven Roboter-Workflows vorgestellt. Es automatisiert die Nadelpfad- und Bestrahlungsplanung durch inverse Optimierung. Im Szenario 1 ermittelt der Pfadplanungsalgorithmus alle geeigneten Injektionspunkte, um unter Umgehung von Risikostrukturen das Zielvolumen zu erreichen. In Szenario 2 und 3 treffen sich jedoch alle Nadelbahnen in der Drehpunktkoordinate der Nadelführung des Roboters. Die Needle Candidate Domain strukturiert dann alle Kombinationen von Nadelinjektions- und Spitzepunkten, um der inversen Optimierung mithilfe von vorverarbeiteten Daten im Hinblick auf reduzierte Rechenkosten zu nutzen. Der greedy Optimizer generiert einen anfänglichen Behandlungsplan, der dann weiter optimiert wird, um die Planungsziele zu erfüllen. Das Feedback der Nadel- oder implantierten Seed-Koordinaten an das BPS ermöglicht die Anpassung der verbleibenden Nadeln, um einen möglichen Verlust der Dosisabdeckung auszugleichen. Implantationen (SI) wurden simuliert, um sie mit neuartigen Nadel-Adaptionsalgorithmen zu vergleichen. Die Machbarkeit des Workflows für den transrektalen Ansatz wird mit einem Implantationsexperiment unter Verwendung eines anthropomorphen Beckenphantoms getestet.

Eine vom BPS berechnete Dosisebene zeigte eine Erfolgsquote von 98,5 % für den Gamma 1 %, 1-mm-Test, was auf eine nahezu äquivalente Dosisverteilung wie die Dosisebene desselben Plans, die in einem kommerziellen Brachytherapie-BPS implementiert wurde, hinweist. Es wird gezeigt, dass die Pfadplanung automatisch die Nadelkandidaten vermeidet, die durch die Organ at Risks (OARs) wie die Rippen und die Leber in Szenario 1 und die Harnröhre in Szenario 2 führt. Die Behandlungspläne entsprachen den erforderlichen Planungsconstraints für alle Szenarien. Der V100 (Mittelwert ± Standard) für jeweils zehn Pläne ergab (99,1 ± 0,3) % für Szenario 1, (95,8 ± 0,5) % für Szenario 2 mit D_pr = 145 Gy und (99,2 ± 1,2) % zusammen für die Läsionen L1/3 /4/5 in Szenario 3. In Szenario 2 waren die Behandlungspläne klinisch akzeptabel und erfüllten die gleichen Dosisconstraints für die OARs wie für interstitielle Seed-BT. Die SIs zeigten einen Rückgang des V100 aufgrund von Nadelverschiebungen, der in allen Szenarien teilweise durch die Nadelanpassungsalgorithmen kompensiert werden konnte. Das Implantationsexperiment ergab eine Genauigkeit der Platzierung der Nadelführung von 0,58 ± 0,22 mm und die räumliche Verschiebung zwischen des genehmigten Nadelpfades und der registrierten Seed-Position betrug 2,62 ± 1,24 mm.

Insgesamt ermöglicht das BPS die robotische Seed-BT in einem flexibleren und automatisierten Arbeitsablauf der Prostata sowie anderer Tumoren oder Metastasen in einem vollautomatischen Planungsprozess. Der Arzt kann vom direkten Feedback zur Seed-Implantation und der Möglichkeit, Verschiebungsfehler zu korrigieren, profitieren, sodass die Lernkurve abgeflacht und die Qualität des Implantats schnell erhöht wird.