Estudio comparativo : optimización biológica y optimización física para VMAT en Monaco

Date
2019-06-19Authors
Sandoval Navia, Claudia JulianaPublisher
Pontificia Universidad Javeriana
Faculty
Facultad de Ciencias
Program
Maestría en Física Médica
Obtained title
Magíster en Física Médica
Type
Tesis/Trabajo de grado - Monografía - Maestría
COAR
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Citación
Metadata
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Resumen
A pesar de que los sistemas de planeación de tratamiento actuales tienen la capacidad de aplicar optimización biológica, sus funciones de costo no siempre son completamente comprendidas por los usuarios, limitando la implementación adecuada de dicha optimización. En este trabajo, se buscó obtener un mayor entendimiento de cómo la optimización biológica es llevada a cabo en Monaco 5.1, aplicarla con el fin de obtener el mejor plan posible y comparar estos resultados con aquellos obtenidos con optimización física para casos de próstata y cabeza y cuello en VMAT. Se realizó una exploración a profundidad de las funciones de costo biológicas de Monaco, particularmente de la influencia de los distintos parámetros de las funciones en la cobertura del PTV y la preservación de los OAR. También se evaluó la necesidad de incluir funciones de costo físicas adicionales a los planes biológicos. Los planes de tratamiento fueron evaluados con análisis de los histogramas dosis-volumen y con el cálculo de las TCP y NTCP empleando métodos de reducción de DVH. Tanto en los casos de próstata como en cabeza y cuello, se obtuvo planes de tratamiento de alta calidad empleando la optimización biológica, en combinación con algunas funciones de costo físicas, que se encontraron necesarias para darle forma al DVH y limitar los puntos de alta dosis en los blancos y en los OAR. Se encontró que el uso de funciones de costo biológicas facilita el moldeado de la curva de DVH, evitando el uso de múltiples funciones físicas para obtener el mismo resultado. En contraste con la optimización física, la optimización biológica proveyó mejor preservación de los OAR, sin sacrificar la conformalidad y la homogeneidad de los planes. Así, la optimización biológica demostró ser un método eficiente de planeación de tratamiento, con la ventaja de estar asociada con los conceptos radiobiológicos necesarios para la evaluación de los planes VMAT. Al aplicar estas funciones en combinación con las funciones de costo físicas, se alcanzó planes de alta calidad para casos de próstata y cabeza y cuello.
Abstract
Although present treatment planning systems apply biological-based optimization, its cost functions are not always entirely understood by users, thus limiting the adequate implementation of that method. In this work, we aimed to gain a deeper comprehension on how biological optimization is carried out in Monaco 5.1, apply it in order to find the best possible plan, and compare these results with those obtained with physical optimization for VMAT prostate and head and neck cases. Biological and physical optimization for various prostate and head and neck cases was implemented using Monaco 5.1 for VMAT. An in-depth exploration of Monaco’s biological cost functions was performed, particularly of the influence of the various function parameters on target coverage and OAR sparing. We also assessed the need to include further physical cost functions. Treatment plans were evaluated by DVH analysis and calculating TCP and NTCP using DVH reduction methods. Both in prostate and head and neck cases, high-quality treatment plans were achieved by using biological optimization in combination with some physical cost functions, which we found to be necessary to shape the DVH and limit high dose points in targets and OARs. We found that the use of biological cost functions facilitates the tailoring of the DVH, avoiding the use of multiple physical cost functions to obtain the same result. As opposed to physical optimization, biological optimization provided better OAR sparing, without sacrifice of conformality and homogeneity. Biological optimization provides an efficient optimization method for treatment planning, with the advantage of being associated to radiobiological concepts necessary for the evaluation of IMRT plans. By applying these functions in combination with physical cost functions, high-quality plans were achieved for prostate and head and neck cases.
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