Accuracy of absorbed dose in external photon beam radiotherapy : what level is sufficient and how to approach it?

Abstract

Radiation therapy (RT) plays currently significant role in curative treatments of several cancers. External beam RT is carried out mostly by using megavoltage beams of linear accelerators. Tumor eradication and normal tissue complications correlate to dose absorbed in tissues. Normally this dependence is steep and it is crucial that actual dose within patient accurately correspond to the planned dose. All factors in a RT procedure contain uncertainties requiring strict quality assurance.

From hospital physicist´s point of a view, technical quality control (QC), dose calculations and methods for verification of correct treatment location are the most important subjects. Most important factor in technical QC is the verification that radiation production of an accelerator, called output, is within narrow acceptable limits. The output measurements are carried out according to a locally chosen dosimetric QC program defining measurement time interval and action levels. Dose calculation algorithms need to be configured for the accelerators by using measured beam data. The uncertainty of such data sets limits for best achievable calculation accuracy. All these dosimetric measurements require good experience, are workful, take up resources needed for treatments and are prone to several random and systematic sources of errors. Appropriate verification of treatment location is more important in intensity modulated radiation therapy (IMRT) than in conventional RT. This is due to steep dose gradients produced within or close to healthy tissues locating only a few millimetres from the targeted volume.

The thesis was concentrated in investigation of the quality of dosimetric measurements, the efficacy of dosimetric QC programs, the verification of measured beam data and the effect of positional errors on the dose received by the major salivary glands in head and neck IMRT. A method was developed for the estimation of the effect of the use of different dosimetric QC programs on the overall uncertainty of dose. Data were provided to facilitate the choice of a sufficient QC program. The method takes into account local output stability and reproducibility of the dosimetric QC measurements. A method based on the model fitting of the results of the QC measurements was proposed for the estimation of both of these factors. The reduction of random measurement errors and optimization of QC procedure were also investigated. A method and suggestions were presented for these purposes. The accuracy of beam data was evaluated in Finnish RT centres. Sufficient accuracy level was estimated for the beam data. A method based on the use of reference beam data was developed for the QC of beam data. Dosimetric and geometric accuracy requirements were evaluated for head and neck IMRT when function of the major salivary glands is intended to be spared. These criteria are based on the dose response obtained for the glands.

Random measurement errors could be reduced enabling lowering of action levels and prolongation of measurement time interval from 1 month to even 6 months simultaneously maintaining dose accuracy. The combined effect of the proposed methods, suggestions and criteria was found to facilitate the avoidance of maximal dose errors of up to even about 8 %. In addition, their use may make the strictest recommended overall dose accuracy level of 3 % (1SD) achievable.

Sädehoidossa annostarkkuus vaikuttaa ratkaisevasti hoidon onnistumisen todennäköisyyteen, eli kasvaimen häviämisen ja terveiden kudosten komplikaatioiden todennäköisyyksiin. Ulkoinen sädehoito toteutetaan nykyisin lähes aina lineaarikiihdyttimillä tuotetuilla tarkasti kohteen mukaisesti rajatuilla hoitokeiloilla. Merkittävimmin hoitoannoksen tarkkuuteen vaikuttaa annosmittausten tarkkuus, annosmittausten toteuttamisen määrittelevä laadunvarmistusohjelma, annoslaskennan tarkkuus ja hoidon geometrinen osuvuus. Työssä tarkasteltiin annostarkkuutta, sen parantamista ja laadunvarmistuksen optimointia ulkoisessa sädehoidossa.

Tärkeimpänä tuloksena osoitettiin, että laadunvarmistukseen liittyvien työläiden annosmittausten määrä voidaan pudottaa jopa kuudesosaan säilyttäen optimaalinen annostarkkuus hyödynnettäessä työssä esitettyjä menetelmiä. Tulos helpottaa laadunvarmistukseen kuluvan sairaalafyysikoiden työmäärän optimointia ja maksimoi laiteajan käyttöä mittausten sijasta hoitoihin. Toisaalta samalla työmäärällä voidaan annostarkkuutta parantaa merkittävästi. Työ tuotti myös tuloksia ja menetelmiä, jotka helpottavat laadunvarmistuksen optimointia. Osoitettiin että on kannattavaa laskea mittausten toimenpiderajoja aina kun mittausten toistettavuus sen mahdollistaa. Annoslaskennassa tarvittavien mittaustietojen laadunvarmistusta varten tuotettiin tarkka referenssiaineisto. Näiden tietojen suhteen todettiin perustelluksi soveltaa hyvin tiukkoja tarkkuusvaatimuksia. Edellä mainituilla tekijöillä on vaikutusta kaikkien potilaiden saamiin hoitoannoksiin. Työssä esitetyt menetelmät todettiin helposti sovellettaviksi. Erityistapauksena arvioitiin tarkkuusvaatimukset suurten sylkirauhasten annoksille ja potilaan asettelulle kaulan alueen intensiteettimuokatussa sädehoidossa.

Työn tulokset perustuivat pääasiassa kehitettyyn menetelmään, joka arvioi eri laadunvarmistusohjelmilla saavutettavan annostarkkuuden. Menetelmä huomioi annosmittausten epävarmuuden ja kiihdyttimen annostuoton epästabiilisuuden. Lisäksi kehitettiin mittaustulosten analyysimenetelmä, joka helpottaa satunnaisten mittausvirheiden havaitsemista mahdollistaen mittausten toimenpiderajojen laskemisen ja siten mittausvälin pidentämisen sekä jopa kiihdytinkohtaisten mittausvälien arvioimisen. Tämä osa työstä perustui HYKS:n syöpätautien klinikan 5 vuoden aikana keräämän laadunvarmistusaineiston analyysissä saatuihin havaintoihin ja tuloksiin. Annoslaskennan laadunvarmistusta varten työssä tarkasteltiin hyvin yleisesti käytössä olevien lineaarikiihdyttimien (Varian Clinac 600 ja 2100 CD) säteilykeilojen fysikaalisia ominaisuuksia. Näiden ominaisuuksien havaittu suuri yhdenmukaisuus mahdollisti tarkan referenssiaineiston muodostamisen. Aineiston tarkkuuden ja tarpeellisuuden varmistaminen tapahtui analysoimalla kaikissa Suomen sädehoitokeskuksissa tehtyjen annoslaskennan tarkistusmittausten tuloksia. Tarkkuusvaatimukset sylkirauhasten annoksille ja potilaan asettelulle perustuivat sylkirauhasille työssä määritettyyn annosvasteeseen ja annoksen muutokseen paikan suhteen näissä rauhasissa.