Quantification of Lung Tumor Motion and Optimisation of Their Treatment
Quantification du mouvement des tumeurs pulmonaires et optimisation de leurs traitements
Résumé
This study is based on the respiratory movements of 70 patients and its aim was to quantify the direction, speed and amplitude of lung tumor motion, treated with stereotactic body radiation therapy (SBRT), in order to adapt the radiation therapy technique for lung cancer patients.Dynamic images (4D), which had been obtained during respiratory cycles, have allowed us to observe and analyze the movement of tumors according to their location in the lungs. Movement in the lower lobes is predominant in the cranio-caudal (CC) direction, with or without hysteresis, with a maximum displacement of 24 mm. In the upper lobes, the movements are more complex: elliptical, diagonal (x, y plane) and anteroposterior (AP), with a maximum displacement of 10.1 mm. The tumor velocity is greater in the lower lobe compared to the upper lobe, where tumor velocity is greater in the central region, especially in the left lung (44 mm/s).If the tumor velocity was not constant and very fast > 25 mm/s, the treatment solution is then based on ITV, taking into account the overall tumor motion through all ten phases. This study found that tumor velocity changed during the respiratory cycle and it depended on the phase. In some phases, the tumor velocity is greater than the velocity of a MLC, and could, in turn, introduce additional geometric uncertainty during treatment delivery. If the tumor velocity is < 25 mm/s, without a stable phase, we can use the tracking technique, provided that the tumor velocity does not exceed the speed of the MLC. In the case of constant and smaller velocity (< 5 mm/s), stable phases can be determined between several phases (40% of the cycle), where velocity decreases and acceleration is reduced to zero.The aim is to reduce the treatment volume. In the pulmonary parenchyma, treatment with the ITV generates a larger treated volume with a low density, which leads to an increase in the number of MUs and the dose to the OARs.Treatment based on ITV and overriding the density of ITV, reduces the number of MUs and the dose to OARs. We determined that for a PTV density < 0.36 g/cm3, it was recommended to assign the density of 0.8 g/cm3 to the ITV.To reduce the treatment volume, increase the PTV density and decrease the OARs motion, the ability of the Truebeam STx accelerator to irradiate using gating techniques based on phase or amplitude was evaluated, with 6 MV FFF beams (IQ: 0.63). By delivering the doses in gated and non-gated modes, we found that the output factor is 1.4% less than 2% according to the recommendations of the AAPM TG 142. The dose discrepancy between the planned and measured dose, in both modes (phase and amplitude), is less than 3% for regular breathing and 7% for irregular breathing, using a PinPoint ion chamber (PTW).To conclude, SBRT lung tumors with stable phases during the respiratory cycle can be treated in gating mode: in phase-gated, between phases 30 and 60%, or in amplitude mode with a threshold of the order of one third of the maximum amplitude. For regular breathing, amplitude mode allows a greater duty cycle (53%) rather than in phase mode. For irregular breathing, the phase mode seems the most suitable if the level of irregularity of the curve depends on the period and the amplitude. In case of an extremely irregular breathing amplitude, cumulating all the phase and amplitude irregularities, treatments could be based on overall tumor motion using ITV volume.
Ce travail basé sur les mouvements respiratoires de 70 patients a pour objectif de quantifier le sens, la direction, la vitesse et l'amplitude du mouvement des tumeurs pulmonaires traitées en condition stéréotaxiques (SBRT), afin de pouvoir déterminer la technique de traitement la plus adéquate.Les images dynamiques (4D) obtenues pendant les cycles respiratoires nous ont permis d’observer et analyser le mouvement des tumeurs en fonction de leur localisation dans les poumons. Le mouvement dans les lobes inférieurs est prédominant dans la direction cranio-caudale (CC) avec ou sans hystérésis avec un déplacement maximal de 24 mm. Dans les lobes supérieurs, les mouvements sont plus complexes : elliptique, diagonal (plan x, y) et antéro-postérieur (AP), avec un déplacement maximal de 10.1 mm. Les vitesses de déplacement sont plus élevées dans le lobe inférieur par rapport au lobe supérieur, où la vitesse de la tumeur est plus grande dans la région centrale, en particulier dans le poumon gauche (44 mm/s). Sur un cycle, la vitesse de la tumeur varie selon les phases et passe par un minimum où l’accélération est nulle sur plusieurs phases (4 - 5 phases en expiration). La vitesse de la tumeur va déterminer le choix de la technique.Dans le cas d’une vitesse tumorale > 25 mm/s, sans phase stable (accélération non nulle), la vitesse de la tumeur change pendant le cycle respiratoire et dépend de la phase. Dans certaines phases, la vitesse de la tumeur peut être supérieure à la vitesse des lames du collimateur multi-lames (MLC) et peut, à son tour, introduire une incertitude géométrique supplémentaire pendant l'administration du traitement. Dans ce cas, le traitement doit porter sur l’ITV, de manière à intégrer tous les déplacements de la tumeur durant le cycle respiratoire.Si vitesse de la lésion est < à 25 mm/s, sans phase stable, nous pouvons utiliser la technique de tracking à condition que la vitesse de la tumeur ne dépasse pas la vitesse du MLC. Quand la vitesse de la lésion reste faible (< 5 mm/s) et constante (accélération nulle) durant quelques phases (40 % du cycle) la technique de gating semble la plus adaptée.L’objectif est de diminuer le volume traité. Dans le parenchyme pulmonaire, le traitement sur l’ITV, génère un volume traité plus important et de faible densité ce qui entraine une augmentation du nombre d’UM et de la dose aux OARs.Sur l’ITV, outrepasser la densité de l’ITV permet de réduire le nombre d’UM et la dose aux OARs. Nous avons déterminé que pour une densité du PTV < 0,36 g/cm3 il était recommandé d’affecter à l’ITV une densité de 0,8 g/cm3.Pour diminuer le volume traité, et limiter à la fois l’importance de la densité et le mouvement des OARs, nous avons évalué la capacité de l’accélérateur Truebeam STx à irradier selon les techniques gating basées sur la phase ou l’amplitude, avec des faisceaux 6 MV FFF (IQ : 0,63). En délivrant les doses en mode gated et non-gated, nous avons trouvé que l’output facteur est 1,4 % inférieur à 2 % selon les recommandations de l’AAPM TG 142. L'écart de dose entre les résultats planifiés et mesurés avec une chambre d’ionisation PinPoint (PTW), dans les deux modes (phase and amplitude) est inférieur à 3 % pour une respiration régulière et de 7 % pour une respiration irrégulière.Pour conclure, les tumeurs pulmonaires en SBRT possédant des phases stables dans le cycle peuvent être traitées en mode gating : en phase, sur des phases de 30 à 60 % ou en amplitude avec un seuil de l’ordre du tiers de l’amplitude maximale. En respiration régulière, le mode amplitude assure un facteur d’utilisation de faisceau élevé (53 %) plus élevé qu’en mode phase. En respiration irrégulière, le mode phase parait le plus adéquat si le niveau d’irrégularité de la courbe porte sur la période ou l’amplitude. En cas de complexités plus élevées cumulant toutes les irrégularités de phase et d’amplitude, aucun mode n’est adapté et un traitement sur l’ITV doit être préconisé.
Origine : Version validée par le jury (STAR)