German Title: Tägliche Magnetresonanz-geführte Strahlentherapie - Untersuchung des Nutzens für Patienten

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Abstract

Magnetic resonance (MR)-guided radiotherapy enables daily adaptation of a patient’s treatment plan to the current patient anatomy. Previous reports have already shown the resulting advantages, especially good sparing of organs at risk while simultaneously achieving optimal target volume coverage. However, patient geometry can change during the adaptation process, which takes significantly longer than conventional radiotherapy treatments. So far, there is limited research on the effects of these intrafractional changes. In particular, gastrointestinal organs at risk might exhibit large shifts and deformations, which could also have a negative impact on the benefits gained by adaptive radiotherapy. In order to evaluate the impact of intrafractional organ movement and allow for patient-specific compensation, it is necessary to determine the extent of organ movement before the first adaptive treatment. Simulation MR-images acquired for treatment planning could offer this possibility, as they do not require additional dose to the patient and therefore a large number can be acquired to determine organ movement. However, adaptation currently takes a very long time with reported adaptation times of one hour or more. This raises the question of whether a more robust result could be achieved with shorter adaptation times. As a result, the following hypotheses will be investigated: 1) “In some cases, adaptation has no benefit" 2) “More robust adaptive treatments can be obtained by predicting the extent of intrafractional organ movement before the first treatment” 3) “Shorter adaptation times do not necessarily lead to more robust results” Patients who received adaptive MR-guided radiotherapy for the treatment of abdominal lesions were retrospectively analyzed. The main focus of this study was on lesions located in close proximity to organs at risk. Dose differences in organs at risk caused by adaptation as well as by intrafractional changes were determined. Furthermore, the range of organ movement during simulation and adaptation was determined for each patient and agreement between both values was examined. In addition, the duration of adaptation and simulation sessions was determined in order to establish a possible correlation between the extent of organ movements and the magnitude of dose differences. The evaluation of dose differences shows that the number of violations of organ at risk tolerance dose could be significantly reduced by adaptation. However, an increase in organ dose was also observed in the majority of patients as a result of adaptation, while respective tolerance dose was still met. Possible causes for this increase are either a lack of optimization objective for organs at risk with some distance to the PTV or the possibility to increase organ dose in order to optimize target volume coverage while still not violating tolerance doses. Additionally, the number of tolerance dose violations increased again as a result of intrafractional changes, and it was even higher than it would have been without plan adaptation. Using simulation MR-images, the extent of risk organ movement can already be determined before the first treatment, though, which opens up the possibility of compensating for intrafractional changes. With the method presented in this study, there was an agreement between the range of organ at risk movement during adaptation and simulation in over 75% of analyzed cases. Acquisition of multiple simulation images and a longer simulation duration led to better overall agreement. In addition, there was no correlation between adaptation time and the magnitude of dose change for the adaptation times examined in this study. This signifies that a longer duration does not lead to a greater dose difference. Furthermore, evaluation of simulation images showed large organ at risk movement in a short time span of only five minutes and no correlation between the extent of organ movement and the duration of simulation sessions could be found. Overall, these results demonstrate that adaptation has no benefit in some cases, at least when considering the dosimetric advantage for organs at risk. In particular, intrafractional organ movement leads to violations of organ at risk tolerance dose. However, the extent of these organ movements can be determined in advance with the help of the simulation images. As a result, a special focus can be put on those organs at risk with a high mobility and it opens up the possibility to compensate for them. Major changes in the position of gastrointestinal organs at risk can occur within a very short time span. Therefore, it does not appear to be sufficient to simply shorten the adaptation time in order to achieve a more robust adaptation result.

Translation of abstract (German)

Die Magnetresonanz (MR)-gestützte Strahlentherapie ermöglich eine tägliche Adaption des Bestrahlungsplans an die aktuelle Patientengeometrie. Die entstehenden Vorteile, insbesondere eine gute Risikoorganschonung bei gleichzeitig möglichst optimaler Auslastung von Zielvolumina, wurde bereits vielfach belegt. Allerdings kann sich die Patientengeometrie während der Adaption, welche deutlich länger dauert als herkömmliche Strahlentherapie-behandlungen, ändern. Bislang wurden die Auswirkungen dieser intrafraktionellen Änderungen wenig untersucht. Vor allem gastrointestinale Risikoorgane weisen teilweise große Verschiebungen und Deformationen auf, welche sich auch negativ auf den Nutzen der adaptiven Therapie auswirken könnte. Um intrafraktionelle Organbewegungen erkennen und für jeden Patienten individuell kompensieren zu können, ist es notwendig, diese bereits vor der ersten adaptiven Behandlung zu erkennen. Für die Bestrahlungsplanung aufgenommenen MR-Simulationsbilder könnten die Möglichkeit dazu bieten, da sie ohne zusätzliche Dosis auskommen und somit eine große Anzahl aufgenommen werden kann, um die Organbewegung zu bestimmen. Die Adaption dauert aktuell jedoch sehr lange und es wird häufig eine Dauer von einer Stunde oder mehr berichtet. Dies wirft die Frage auf, ob durch kürzere Adaptionszeiten ein robusteres Ergebnis erzielt werden kann. Daraus ergeben sich die folgenden Hypothesen, welche in dieser Studie untersucht werden sollen: 1) „In einigen Fällen hat die Adaption keinen Nutzen“ 2) „Robustere adaptive Behandlungen können erzielt werden, indem das Ausmaß von Organbewegungen vor der ersten Behandlung ermittelt wird“ 3) „Kürzere Adaptionszeiten führen nicht unbedingt zu robusteren Ergebnissen“ Dazu wurden retrospektiv Patienten untersucht, welche eine adaptive MR-geführte Strahlentherapie zur Behandlung von abdominellen Läsionen erhielten. Der Hauptfokus war dabei auf Läsionen, welche in unmittelbarer Nähe zu Risikoorganen lagen. Es wurden die Dosisunterschiede in Risikoorganen bestimmt, welche sich durch Adaption sowie durch intrafraktionelle Änderungen ergaben. Außerdem wurde das Ausmaß der Organbewegungen bei Simulation und Adaption für jeden Patienten bestimmt und auf eine mögliche Übereinstimmung untersucht. Zudem wurde die Dauer von Adaption und Simulation ermittelt, um einen möglichen Zusammenhang zum Ausmaß der Organbewegungen und der Höhe von Dosisunterschieden festzustellen. Die Untersuchung der Dosisunterschiede zeigt, dass die Anzahl der Fraktionen, bei denen die Toleranzdosis der Risikoorgane nicht eingehalten werden konnte, durch Adaption deutlich reduziert werden konnte. Allerdings konnte bei einem Großteil der Patienten auch ein Anstieg der Organdosis unterhalb der Toleranzdosis durch die Adaption beobachtet werden. Mögliche Ursachen dafür sind entweder eine fehlende Optimierungsvorgabe oder die Möglichkeit eine höhere Risikoorgandosis unterhalb der Toleranzdosis zuzulassen, um das Zielvolumen optimal auszulasten. Durch intrafraktionelle Änderungen stieg die Anzahl der nichteingehaltenen Risikoorganvorgaben wieder an, sodass kurz vor Bestrahlung mehr Vorgaben nicht eingehalten wurden, als wenn der Grundplan bestrahlt worden wäre. Zudem konnte insgesamt ein statistisch signifikanter Anstieg der Risikoorgandosis durch intrafraktionelle Änderungen festgestellt werden. Allerdings kann das Ausmaß der Risikoorganbewegung bereits vor der ersten Behandlung mit Hilfe von MR-Simulationsbildern bestimmt werden, wodurch die Möglichkeit eröffnet wird, diese zu kompensieren. Mit der in dieser Studie vorgestellten Methode, liegt die Übereinstimmung des Ausmaßes der Risikoorganbewegung bei Adaption und Simulation bei über 75%. Dabei führen die Aufnahme mehrerer Simulationsbilder und eine längere Simulationsdauer insgesamt zu einer besseren Übereinstimmung. Darüber hinaus liegt für die untersuchten Adaptionszeiten keine Korrelation zwischen Adaptionsdauer und Höhe der Dosisänderung vor, was bedeutet, dass eine längere Dauer nicht zu einer größeren Änderung führt. Zudem zeigt die Analyse der Simulationsbilder, dass große Risikoorganbewegungen bereits innerhalb von fünf Minuten auftreten können. Auch für die kürzeren Zeiten der Simulationssitzungen konnte keine Korrelation mit dem Ausmaß der Organbewegung festgestellt werden. Insgesamt folgt aus diesen Ergebnissen, dass die Adaption in einigen Fällen keinen Nutzen hat, wenn man den dosimetrischen Vorteil in Risikoorganen betrachtet. Insbesondere intrafraktionelle Organbewegungen führen dazu, dass die Toleranzdosis in Risikoorganen überschritten wird. Das Ausmaß dieser Organbewegungen kann jedoch mit Hilfe der Simulationsbilder bereits im Voraus bestimmt werden. Dies bietet die Möglichkeit, bei der Behandlung einen speziellen Fokus auf Risikoorgane mit großer Beweglichkeit zu legen und diese möglicherweise zu kompensieren. Zudem können große Lageveränderungen von gastrointestinalen Risikoorganen bereits innerhalb sehr kurzer Zeit auftreten. Daher erscheint es nicht ausreichend, nur die Adaptionsdauer zu verkürzen, um ein robusteres Adaptionsergebnis zu erhalten.