UMEÅ UNIVERSITY
June 11, 2008
DEPARTMENT OF RADIATION SCIENCES,
RADIATION PHYSICS
SE-901 87 UMEÅ
SWEDEN
Intensity modulated radiotherapy (IMRT)
in head and neck cancer
A comparative treatment planning study using
physically and biologically based optimization
Elin Styf
Examiner
Heikki Tölli
Supervisors
Per Nilsson, Michael Blomquist and Mikael Karlsson
Thesis for Master of Science in Medical Radiation Physics
Abstract
The ordinary way of optimizing intensity modulated radiotherapy (IMRT) treatment
plans is by defining physical dose-volume objectives and/or constraints to target volumes
and organs at risk (OAR). This project aims to evaluate another approach of IMRT
optimization. Instead of using physically based treatment goals, biological optimization
parameters, derived from radiobiological models, were used in the optimization process.
Both normal tissue complication probability (NTCP) and equivalent uniform dose (EUD)
based optimization were investigated.
The main purpose of the project was to investigate advantages and/or disadvantages
with this method compared to conventional IMRT optimization and, hopefully, a
continuation of this study will result in improvements of the treatment planning in head and
neck cancer in the future.
Five patients with head and neck cancer, already treated with IMRT, were chosen for
the study. Physical dose constraints were defined for the target volumes in all plans, i.e. the
optimizations using the biological models were limited to the organs at risk (OARs). The
OARs included in the optimization process were spinal cord, brainstem and parotid glands.
The treatment planning system (TPS) used in this project was the research prototype
ORBIT Workstation (RaySearch Laboratories AB, Stockholm, Sweden).
A decrease in mean dose to the parotid glands were obtained when using biologically
compared to physically based optimization and still keeping the same target dose coverage.
The maximum dose to the serially organized OARs, spinal cord and brainstem, obtained
with biological optimization, were not significantly different from the maximum dose
constraints set in the physical optimization process.
The physically and biologically optimized plans were further compared in terms of
NTCP for the parotids. NTCP was significantly reduced with the biologically optimized
plans. Spinal cord and brainstem NTCP were zero with both techniques and could therefore
not be analyzed in this way.
It could be argued that both optimization techniques can in principle produce the same
result. Several hours were, however, spent on the physically optimized plans to make them
“optimal” and to meet the dose-volume criteria set for target volumes and OARs in the
optimization process. In the biological optimization the adjustable parameter is only one
(EUDmax or NTCPmax) for each OAR, which makes this method much simpler and easy to
apply. An improved result was always obtained regarding the mean dose to the parotids
when using biologically based optimization.
Sammanfattning
Det vanliga sättet att optimera dosplaner med s.k. intensitetsmodulerad radioterapi
(IMRT) är genom att definiera fysikaliska dos-volymmål och/eller dos-volymbivillkor för
tumörvolymer och riskorgan (eng. Organs At Risk, OAR). Det här projektet syftar till att
studera en annan metod för IMRT optimering. Istället för att använda fysikaliska
optimeringsmål, används biologiska kriterier i optimeringsprocessen, baserade på
radiobilologiska modeller. Både optimering baserad på risk för biverkningar hos den
normala vävnaden (eng. Normal Tissue Complication Probability, NTCP) och ekvivalent
homogen dos (eng. Equivalent Uniform Dose, EUD) undersöktes.
Huvudsyftet med projektet var att undersöka för- och nackdelar med denna metod och
jämföra den mot konventionell IMRT optimering. Förhoppningsvis kan detta så
småningom leda till förbättringar av metoden för dosplaneringen vid behandling av huvud
och hals cancer.
Dosplaneringsunderlag (CT-bilder med utridade tumörvolymer och riskorgan) för fem
patienter med huvud-halscancer, redan behandlade med IMRT, valdes ut för studien.
Fysikaliska doskriterier definierades för behandlingsvolymerna i alla planerna, d.v.s.
optimering med biologiska modeller begränsades till riskorganen. De riskorgan som
inkluderades i studien var ryggmärgen, hjärnstammen och öronspottkörtlarna.
Dosplaneringssystemet som användes var forskningsprototypen ORBIT Workstation
från RaySearch Laboratories AB i Stockholm.
I samtliga planer optimerade med parametrar baserade på biologiska modeller
uppnåddes en lägre medeldos till öronspottkörtlarna, med bibehållen dostäckning i
behandlingsvolymerna, jämfört med fysikaliskt baserad optimering.
Den maximala dosen till de seriellt organiserade OARs, d.v.s. ryggmärgen och
hjärnstammen, förändrades inte nämnvärt från de maximala doskriterierna satta i den
fysikaliskt baserade optimeringen.
De fysikaliskt och biologiskt baserade planerna jämfördes även med NTCP för
öronspottkörteln. NTCP minskade väsentligt med biologiskt baserad optimering, medan
NTCP för ryggmärgen och hjärnstammen var noll med båda metoderna och kunde därför
inte evalueras på detta sätt.
Det kan diskuteras huruvida båda metoderna i princip kan uppnå samma resultat. Flera
timmar spenderades däremot på att försöka uppnå ”optimala” planer med fysikaliskt
baserad optimering. Dosplaneringsprocessen baserad på biologiska parametrar tog betydligt
kortare tid i anspråk för att uppfylla ställda krav på planen.
I de biologiskt baserade optimeringarna var det endast en justerbar parameter (EUDmax
eller NTCPmax) för varje OAR, vilket medför att denna metod är mycket enklare att tillämpa.
Ett förbättrat resultat uppnåddes alltså för samtliga planer vad gäller medeldos och
NTCP till öronspottkörtlarna genom att använda biologiskt styrd optimering.
