Strategy of Multistage Gamma Knife Radiosurgery for Large Lesions

Existing Gamma Knife Radiosurgery(GKRS) for large lesions is often conducted in stages with volume or dose partitions. Often in case of volume division the target used to be divided into sub-volumes which are irradiated under the determined prescription dose in multi-sessions separated by a day or two, 3~6 months. For the entire course of treatment, treatment informations of the previous stages needs to be reflected to subsequent sessions on the newly mounted stereotactic frame through coordinate transformation between sessions. However, it is practically difficult to implement the previous dose distributions with existing Gamma Knife system except in the same stereotactic space. The treatment area is expanding because it is possible to perform the multistage treatment using the latest Gamma Knife Platform(GKP). The purpose of this study is to introduce the image-coregistration based on the stereotactic spaces and the strategy of multistage GKRS such as the determination of prescription dose at each stage using new GKP. Usually in image-coregistration either surgically-embedded fiducials or internal anatomical landmarks are used to determine the transformation relationship. Author compared the accuracy of coordinate transformation between multi-sessions using four or six anatomical landmarks as an example using internal anatomical landmarks. Transformation matrix between two stereotactic spaces was determined using PseudoInverse or Singular Value Decomposition to minimize the discrepancy between measured and calculated coordinates. To evaluate the transformation accuracy, the difference between measured and transformed coordinates, i.e., ${\Delta}r$, was calculated using 10 landmarks. Four or six points among 10 landmarks were used to determine the coordinate transformation, and the rest were used to evaluate the approaching method. Each of the values of ${\Delta}r$ in two approaching methods ranged from 0.6 mm to 2.4 mm, from 0.17 mm to 0.57 mm. In addition, a method of determining the prescription dose to give the same effect as the treatment of the total lesion once in case of lesion splitting was suggested. The strategy of multistage treatment in the same stereotactic space is to design the treatment for the whole lesion first, and the whole treatment design shots are divided into shots of each stage treatment to construct shots of each stage and determine the appropriate prescription dose at each stage. In conclusion, author confirmed the accuracy of prescribing dose determination as a multistage treatment strategy and found that using as many internal landmarks as possible than using small landmarks to determine coordinate transformation between multi-sessions yielded better results. In the future, the proposed multistage treatment strategy will be a great contributor to the frameless fractionated treatment of several Gamma Knife Centers.

큰 병변에 대한 다단계 감마나이프 방사선수술의 전략

큰 병변에 대한 기존 감마나이프 방사선수술은 종종 체적 또는 선량 분할 단계들로 수행된다. 체적 분할의 경우, 병변은 처방된 선량 하에서 하루 또는 이틀, 3 ~ 6개월로 분할된 다중 세션에서 조사되는 하위 체적들로 분할되곤 한다. 치료의 전체 과정 동안, 이전 단계의 치료 정보는 세션 사이의 좌표 변환을 통해 새로 장착된 정위 프레임 상의 후속 세션에 반영될 필요가 있다. 그러나 동일한 정위 공간을 제외하고 기존 감마나이프 시스템으로는 이전 선량 분포를 구현하는 것은 실제로 어렵다. 최신 감마나이프 플랫폼을 사용하여 다단계 치료를 수행할 수 있기 때문에 치료 영역이 확장되고 있다. 이 연구의 목적은 정위적 공간에 기초한 영상 정합과 새로운 감마나이프 플랫폼을 사용하여 각 단계에서 처방 선량 결정과 같은 다단계 감마나이프 방사선수술 전략을 소개하는 것이다. 일반적으로 영상 정합에서 수술적으로 내장된 기준점 또는 내부 해부학적 랜드마크들이 변환 관계를 결정하는데 사용된다. 저자는 내부 해부학적 랜드마크들을 사용하는 예로서 4개 또는 6개의 해부학적 랜드마크를 사용하는 다중 세션 간의 좌표 변환 정확도를 비교하였다. 측정된 좌표들과 계산된 좌표들 사이의 불일치를 최소화하기 위해서 PseudoInverse 또는 Singular Value Decomposition을 사용하여 두 정위 공간 사이의 변환 행렬이 결정되었다. 변환 정확도를 평가하기 위해 측정된 좌표와 변환된 좌표들 사이의 차이, 즉 ${\Delta}r$이 10개의 랜드마크들을 사용하여 계산되었다. 10개의 랜드마크들 중 4개 또는 6개의 점들을 사용하여 좌표 변환을 결정하고 나머지는 접근 방법을 평가하는데 사용되었다. 두 가지 접근 방법에서 각각의 ${\Delta}r$ 값은 0.6 ~ 2.4 mm, 0.17 ~ 0.57 mm 범위이었다. 게다가 병변 분할의 경우 한 번에 전체 병변의 치료와 동일한 효과를 제공하는 처방 선량을 결정하는 방법이 제안되었다. 동일한 정위 공간에서의 다단계 치료 전략은 전체 병변에 대한 치료를 먼저 디자인하는 것이며, 전체 치료 디자인 샷들은 각 단계 치료의 샷들로 나누어 각 단계별 샷들을 구성하고 각 단계에서 적절한 처방 선량을 결정한다. 결론적으로 저자는 다단계 치료 전략으로서 처방 선량 결정의 정확성을 확인하였고, 다중 세션 간의 좌표 변환을 결정하기 위해 적은 랜드마크들을 사용하는 것보다 가능한 많은 내부 랜드마크들을 사용하는 것이 더 나은 결과를 산출함을 보았다. 향후 제안된 다단계 치료 전략은 여러 감마나이프 센터들의 틀 없는 분할 치료에 크게 기여할 것이라 사료된다.