Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients

Purpose: The aim of this study is to attempt to determine the optimal time or a time-frame for the creation of an adaptive radiation therapy (ART) replan protocol by monitoring and evaluating anatomical changes of the clinical target volumes (CTV) and parotid glands during the course of Volumetric m...

Πλήρης περιγραφή

Λεπτομέρειες βιβλιογραφικής εγγραφής
Κύριος συγγραφέας: Αλαμάνη, Ευγενία
Άλλοι συγγραφείς: Alamani, Evgenia
Γλώσσα:English
Έκδοση: 2022
Θέματα:
Διαθέσιμο Online:http://hdl.handle.net/10889/16320
id nemertes-10889-16320
record_format dspace
institution UPatras
collection Nemertes
language English
topic Deformable image registration
Head and neck cancer
Adaptive radiotherapy
Dice similarity coefficient
Anatomic changes
Καταχώρηση εικόνων με εύκαμπτο μετασχηματισμό
Καρκίνος κεφαλής-τραχήλου
Προσαρμοσμένη ακτινοθεραπεία
Ανατομικές διακυμάνσεις
spellingShingle Deformable image registration
Head and neck cancer
Adaptive radiotherapy
Dice similarity coefficient
Anatomic changes
Καταχώρηση εικόνων με εύκαμπτο μετασχηματισμό
Καρκίνος κεφαλής-τραχήλου
Προσαρμοσμένη ακτινοθεραπεία
Ανατομικές διακυμάνσεις
Αλαμάνη, Ευγενία
Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
description Purpose: The aim of this study is to attempt to determine the optimal time or a time-frame for the creation of an adaptive radiation therapy (ART) replan protocol by monitoring and evaluating anatomical changes of the clinical target volumes (CTV) and parotid glands during the course of Volumetric modulated arc therapy (VMAT) for head and neck cancer patients. Materials and methods: 31 anonymized patients diagnosed with head and neck cancer were classified into three groups based on the anatomical location of the tumor. Among the 31 patients, 13 patients emerged with malignant neoplasm of oropharynx, 11 with malignant neoplasm of larynx and 7 with malignant neoplasm of nasopharynx. SmartAdapt® Deformable image registration (DIR) software was utilized for the image registration process. The data set of each patient included the planning CT image (pCT) and a Cone Beam Computed Tomography (CBCT) image acquired prior to fraction. Each pair of CT-CBCT images was rigidly registered based on bony anatomy. Rigid registration process was followed by an Automatic Deformable image registration process between the selected CT-CBCT image pairs. The deformed structures generated by the DIR process were analyzed relative to the corresponding structure volumes on the planning CT image to assist in monitoring anatomical changes. Results: The most demanding structures to be reproduced by the DIR software were the parotid glands, exhibiting mean DSC score values lower than those of the CTV. In addition, both parotid glands underwent a significant reduction in their volumes in comparison to the CTV for all three head and neck categories. The range of the mean percentage of volume change for the CTV was between -0.87% to -8.12%, 0.88% to -21.41% and -0.03% to -4.78% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. Accordingly, the range of the mean percentage of volume change for the left parotid gland was between -0.88% to -21.41%, -0.71% to -15.95% and -2.19% to -31.55% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. The range of the mean percentage of volume change for the left parotid gland was between -0.51% to -21.52%, -0.57% to -20.71% and -3.49% to -35.71% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. For oropharynx patients the optimal time for re-planning based on the CTV volume change was the 17th fraction and the 6th and 5th fractions based on the left and right parotid gland volume change. Accordingly, for larynx patients it was the 10th and 6th based upon the left and right parotid glands volume change and for nasopharynx patients fractions 4 and 5 based upon the left and right parotid volume change . Conclusions: The study of deformable image registration parameters can assist in monitoring anatomical variations. Significant volume changes of the parotid gland over the course of fractions can trigger the need for re-planning in order to avoid severe toxicities. The determination of the optimal time for re-planning for the three head and neck cancer categories based exclusively on anatomical changes can lead to the development and implementation of an adaptive radiotherapy clinical protocol that aims in automatization and optimization of the quality of treatment.
author2 Alamani, Evgenia
author_facet Alamani, Evgenia
Αλαμάνη, Ευγενία
author Αλαμάνη, Ευγενία
author_sort Αλαμάνη, Ευγενία
title Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
title_short Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
title_full Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
title_fullStr Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
title_full_unstemmed Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients
title_sort study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in vmat patients
publishDate 2022
url http://hdl.handle.net/10889/16320
work_keys_str_mv AT alamanēeugenia studyofdeformableimageregistrationparametersandtheireffectonthedeterminationofanadaptiveradiotherapyprotocolinvmatpatients
AT alamanēeugenia meletēparametrōnelastikēssynengraphēseikonōnkaitēsepidrasēstousstonkathorismoprōtokollouprosarmosmenēsaktinotherapeiasmetēntechnikēvmat
_version_ 1799945007427223552
spelling nemertes-10889-163202022-09-06T05:14:20Z Study of deformable image registration parameters and their effect on the determination of an adaptive radiotherapy protocol in VMAT patients Μελέτη παραμέτρων ελαστικής συνεγγραφής εικόνων και της επίδρασής τους στον καθορισμό πρωτοκόλλου προσαρμοσμένης ακτινοθεραπείας με την τεχνική VMAT Αλαμάνη, Ευγενία Alamani, Evgenia Deformable image registration Head and neck cancer Adaptive radiotherapy Dice similarity coefficient Anatomic changes Καταχώρηση εικόνων με εύκαμπτο μετασχηματισμό Καρκίνος κεφαλής-τραχήλου Προσαρμοσμένη ακτινοθεραπεία Ανατομικές διακυμάνσεις Purpose: The aim of this study is to attempt to determine the optimal time or a time-frame for the creation of an adaptive radiation therapy (ART) replan protocol by monitoring and evaluating anatomical changes of the clinical target volumes (CTV) and parotid glands during the course of Volumetric modulated arc therapy (VMAT) for head and neck cancer patients. Materials and methods: 31 anonymized patients diagnosed with head and neck cancer were classified into three groups based on the anatomical location of the tumor. Among the 31 patients, 13 patients emerged with malignant neoplasm of oropharynx, 11 with malignant neoplasm of larynx and 7 with malignant neoplasm of nasopharynx. SmartAdapt® Deformable image registration (DIR) software was utilized for the image registration process. The data set of each patient included the planning CT image (pCT) and a Cone Beam Computed Tomography (CBCT) image acquired prior to fraction. Each pair of CT-CBCT images was rigidly registered based on bony anatomy. Rigid registration process was followed by an Automatic Deformable image registration process between the selected CT-CBCT image pairs. The deformed structures generated by the DIR process were analyzed relative to the corresponding structure volumes on the planning CT image to assist in monitoring anatomical changes. Results: The most demanding structures to be reproduced by the DIR software were the parotid glands, exhibiting mean DSC score values lower than those of the CTV. In addition, both parotid glands underwent a significant reduction in their volumes in comparison to the CTV for all three head and neck categories. The range of the mean percentage of volume change for the CTV was between -0.87% to -8.12%, 0.88% to -21.41% and -0.03% to -4.78% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. Accordingly, the range of the mean percentage of volume change for the left parotid gland was between -0.88% to -21.41%, -0.71% to -15.95% and -2.19% to -31.55% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. The range of the mean percentage of volume change for the left parotid gland was between -0.51% to -21.52%, -0.57% to -20.71% and -3.49% to -35.71% for the oropharynx, larynx and nasopharynx patients respectively. For oropharynx patients the optimal time for re-planning based on the CTV volume change was the 17th fraction and the 6th and 5th fractions based on the left and right parotid gland volume change. Accordingly, for larynx patients it was the 10th and 6th based upon the left and right parotid glands volume change and for nasopharynx patients fractions 4 and 5 based upon the left and right parotid volume change . Conclusions: The study of deformable image registration parameters can assist in monitoring anatomical variations. Significant volume changes of the parotid gland over the course of fractions can trigger the need for re-planning in order to avoid severe toxicities. The determination of the optimal time for re-planning for the three head and neck cancer categories based exclusively on anatomical changes can lead to the development and implementation of an adaptive radiotherapy clinical protocol that aims in automatization and optimization of the quality of treatment. Σκοπός: Η συγκεκριμένη μελέτη αποσκοπεί στον προσδιορισμό του βέλτιστoυ χρονικού πλαισίου για την εφαρμογή προσαρμοσμένης ακτινοθεραπείας (ART). Αυτό επιτυγχάνεται μέσα από την παρακολούθηση και την αξιολόγηση των ανατομικών διακυμάνσεων των κλινικών όγκων-στόχων (CTV) και των παρωτίδων κατά τη διάρκεια ακτινοθεραπείας με την τεχνική της ογκομετρικά διαμορφώμενης τοξοειδούς θεραπείας (VMAT) για τρεις κατηγορίες καρκίνου κεφαλής-τραχήλου. Υλικά και μέθοδοι: 31 ασθενείς οι οποίοι είχαν διαγνωστεί με καρκίνο κεφαλής-τραχήλου, κατηγοριοποιήθηκαν σε τρεις ομάδες με γνώμονα την ανατομική θέση του καρκινικού όγκου. Από το συνολικό δείγμα 31 ασθενών, προέκυψαν 13 ασθενείς με καρκίνο του στοματοφάρυγγα, 11 ασθενείς με καρκίνο του λάρυγγα και 7 ασθενείς με καρκίνο του ρινοφάρυγγα. Για τη διαδικασία συνεγγραφής εικόνων χρησιμοποιήθηκε το λογισμικό SmartAdapt®. Τα δεδομένα για κάθε ασθενή αποτελούνταν από την εικόνα αξονικής σχεδιασμού και μία εικόνα αξονικής κωνικής δέσμης, η λήψη της οποίας πραγματοποιούνταν στον γραμμικό επιταχυντή πριν από τη συνεδρία θεραπείας. Κάθε ζεύγος εικόνων αξονικής σχεδιασμού και αξονικής κωνικής δέσμης υπόκειντο σε συνεγγραφή με ευθυγράμμιση βάση την ανατομία των οστών. Η εικόνα αξονικής κωνικής δέσμης τέθηκε σαν εικόνα αναφοράς καθώς εμπεριέχει πληροφορίες σχετικά με τις ανατομικές διαφορές από την ανατομία της εικόνας αξονικής σχεδιασμού. Τη διαδικασία συνεγγραφής εικόνων με άκαμπτο μετασχηματισμό ακολούθησε η αυτόματη διαδικασία συνεγγραφής εικόνων με εύκαμπτο μετασχηματισμό μεταξύ των επιλεγμένων εικόνων αξονικής σχεδιασμού και αξονικής κωνικής δέσμης. Η περιοχή του όγκου ενδιαφέροντος προσαρμόστηκε με τέτοιο τρόπο ώστε να περιλαμβάνει τις ανατομικές περιοχές ενδιαφέροντος ( κλινικό όγκο-στόχο, παρωτίδες) και στις δυο εικόνες. Οι παραμορφωμένες δομές οι οποίες δημιουργήθηκαν μέσω της διαδικασίας καταχώρησης εικόνων με εύκαμπτο μετασχηματισμό συγκρίθηκαν με τον όγκο των δομών της αξονικής σχεδιασμού συμβάλλοντας στον εντοπισμό πιθανών ανατομικών διακυμάνσεων. Αποτελέσματα: Η πιο απαιτητική δομή να αναπαραχθεί από το λογισμικό καταχώρησης εικόνων με άκαμπτο μετασχηματισμό ήταν οι παρωτίδες, για τις οποίες καταγράφηκαν τιμές της παραμέτρου DSC μικρότερες από αυτές για τον κλινικό όγκο-στόχο. Επιπλέον ο όγκος των παρωτίδων μειώθηκε σημαντικά σε σχέση με τον όγκο του κλινικού όγκου-στόχου και για τις τρεις κατηγορίες ασθενών με καρκίνο κεφαλής-τραχήλου. Το εύρος της μέσης ποσοστιαίας αλλαγής όγκου για τον κλινικό όγκο-στόχο βρέθηκε να είναι -0.87% έως -8.12% για ασθενείς με καρκίνο στοματοφάρυγγα, 0.88% έως -21.41% για ασθενείς με καρκίνο λάρυγγα και -0.03% έως -4.78% για ασθενείς με καρκίνο ρινοφάρυγγα. Αντίστοιχα, το εύρος της μέσης ποσοστιαίας αλλαγής όγκου για την αριστερή παρωτίδα βρέθηκε να είναι -0.88% έως -21.41% για ασθενείς με καρκίνο στοματοφάρυγγα, -0.71% έως -15.95% για ασθενείς με καρκίνο λάρυγγα και -2.19% έως -31.55% για ασθενείς με καρκίνο ρινοφάρυγγα. το εύρος της μέσης ποσοστιαίας αλλαγής όγκου για την δεξιά παρωτίδα βρέθηκε να είναι -0.51% εώς -21.52%, για ασθενείς με καρκίνο στοματοφάρυγγα, -0.57% εώς -20.71% για ασθενείς με καρκίνο λάρυγγα και -3.49% εώς -35.71% για ασθενείς με καρκίνο ρινοφάρυγγα. Για ασθενείς με καρκίνο στοματοφάρυγγα με βάση την μελέτη του όγκου κλινικού όγκου-στόχου (CTV) βρέθηκε ότι η βέλτιστη συνεδρία για επανασχεδιασμό πλάνου θεραπείας ήταν η 17η συνεδρία. Για την αριστερή και δεξιά παρωτίδα ήταν η 6η και 5η συνεδρία αντίστοιχα. Για ασθενείς με καρκίνο λάρυγγα η 10η και 6η συνεδρία για την αριστερή και δεξιά παρωτίδα αντίστοιχα και για ασθενείς με καρκίνο ρινοφάρυγγα η 4η και 5η συνεδρία αντίστοιχα. Συμπεράσματα: Η μελέτη των παραμέτρων της διαδικασίας συνεγγραφής εικόνων μπορεί να συμβάλει σημαντικά στον εντοπισμό ανατομικών διακυμάνσεων. Σημαντικές αλλαγές στον όγκο των παρωτίδων κατά τη διάρκεια της θεραπείας είναι ικανές να δώσουν το έναυσμα για επανασχεδιασμό του πλάνου θεραπείας έτσι ώστε να αποφευχθούν ακτινοπρόκλητες τοξικότητες. Ο καθορισμός της βέλτιστης χρονικής στιγμής για επανασχεδιασμό του πλάνου θεραπείας βασίστηκε αποκλειστικά σε ανατομικές αλλαγές και για τις τρεις κατηγορίες καρκίνου κεφαλής τραχήλου. Αυτές οι ανατομικές διακυμάνσεις αποσκοπούν στο να οδηγήσουν στην ανάπτυξη και την εφαρμογή ενός κλινικού πρωτόκολλου Προσαρμοσμένης Ακτινοθεραπείας το οποίο θα έχει ως στόχο την αυτοματοποίηση και την βελτιστοποίηση της ποιότητας της θεραπείας. 2022-06-29T06:22:23Z 2022-06-29T06:22:23Z 2022-06 http://hdl.handle.net/10889/16320 en application/pdf