Verification of Gated Radiation Therapy: Dosimetric Impact of Residual Motion

In gated radiation therapy (gRT), due to residual motion, beam delivery is intended to irradiate not only the true extent of disease, but also neighboring normal tissues. It is desired that the delivery covers the true extent (i.e. clinical target volume or CTV) as a minimum, although target moves under dose delivery. The objectives of our study are to validate if the intended dose is surely delivered to the true target in gRT and to quantitatively understand the trend of dose delivery on it and neighboring normal tissues when gating window (GW), motion amplitude (MA), and CTV size changes. To fulfill the objectives, experimental and computational studies have been designed and performed. A custom-made phantom with rectangle- and pyramid-shaped targets (CTVs) on a moving platform was scanned for four-dimensional imaging. Various GWs were selected and image integration was performed to generate targets (internal target volume or ITV) for planning that included the CTVs and internal margins (IM). The planning was done conventionally for the rectangle target and IMRT optimization was done for the pyramid target. Dose evaluation was then performed on a diode array aligned perpendicularly to the gated beams through measurements and computational modeling of dose delivery under motion. This study has quantitatively demonstrated and analytically interpreted the impact of residual motion including penumbral broadening for both targets, perturbed but secured dose coverage on the CTV, and significant doses delivered in the neighboring normal tissues. Dose volume histogram analyses also demonstrated and interpreted the trend of dose coverage: for ITV, it increased as GW or MA decreased or CTV size increased; for IM, it increased as GW or MA decreased; for the neighboring normal tissue, opposite trend to that of IM was observed. This study has provided a clear understanding on the impact of the residual motion and proved that if breathing is reproducible gRT is secure despite discontinuous delivery and target motion. The procedures and computational model can be used for commissioning, routine quality assurance, and patient-specific validation of gRT. More work needs to be done for patient-specific dose reconstruction on CT images.

여닫이형 방사선 치료의 검증: 잔여 움직임의 선량적 영향

여닫이형 방사선 치료에서, 잔여 움직임으로 인하여 방사선은 실직적인 질병의 부위 뿐만이 아니라 주변 정상조직까지 투여 되도록 되어 있다. 비록 표적이 방사선 투여 중 움직이지만, 방사선이 최소한도로 실질적인 부위 (임상적 표적 체적)에 조사되기를 원한다. 본 연구의 목적은 여닫이형 치료에 있어서 방사선이 실질적인 표적에 투여되는지를 검증하고, 여닫이 범위, 움직임의 정도 및 임상적 표적체적의 크기의 변화에 따라, 표적및 주변 조직에 투여되는 방사선의 경향을 연구하는 데 있다. 이 목적을 달성하기 위하여, 실험 및 이론적인 연구를 고안하여 수행하였다. 직육각형 및 피라미드형의 표적 체적을 내포하는 팬텀을 만들어 움직이며 4차원 영상을 얻었다. 여러 여닫이 범위를 얻어진 영상에 적용하여 치료계획용 내부표적(표적체적 및 내부 움직임범위포함)을 만들었다. 직육각형 표적에는 전통적인 치료계획을 그리고 피라미드형 표적에는 세기 변조형 치료계획을 세웠다. 평판형 다이오드에 치료계획에서 얻어진 여닫이형 방사선을 수직으로 조사하여 실험적으로 선량평가를 수행하였고 또한 움직이는 상황에서 선량투여를 전산적으로 모사하였다. 본 연구는 두 표적에 대한 반음영 영역의 확장 및 움직임으로 인하여 방해 받았으나 확실하게 수행된 표적 선량투여 그리고 주변 조직에 투여된 상당량의 선량등을 수반하는 잔여움직임의 영향을 정량적으로 그리고 해석적으로 분석하였다. 선량-체적 히스토그램 분석에 따르면, 내부표적에는 여닫이 범위 또는 움직임 정도가 감소함에 따라 또한 표적체적이 증가함에 따라 선량이 증가함을 보였고, 내부 움직임 범위에 해당하는 체적에 대하여는 여닫이 범위 또는 움직임 정도가 감소함에 따라 선량이 증가하였고, 마지막으로 주변 정상조직에 대하여는, 내부 움직임 범위와는 반대의 경향을 보였다. 본 연구는 잔여움직임의 영향에 대하여 확실한 이해를 주었고 호흡행태가 재생되는한 불연속적인 투여과 표적의 움직임에도 불구하고 여당이형 방사선 치료는 안전함을 입증하였다. 본연구에서 수반된 절차와 전산적 모델은 여닫이형 치료의 시작점 검증, 주기적인 품질관리 및 환자별 검증에 사용될 수 있다. 환자별 영상에 선량을 재구성하는 방향으로 추후 연구가 필요하다.