Half-Field Volumetric Modulated Arc Therapy for Multileaf Collimator Leakage Reduction and Dosimetric Impact in Large Irradiated Field

Abstract

BACKGROUND: Although there are some controversies regarding whole pelvic radiation therapy (WPRT) due to its gastrointestinal toxicities, it is combined with other systemic treatment to find an effective strategy for patients with gynecological, rectal, and prostate cancer. To effectively spare organ at risk (OAR), doses using multileaf collimator’s optimal segments and volumetric modulated arc therapy (VMAT) using a half-beam technique (HF) were implemented for WPRT. METHODS AND MATERIALS: Dosimetric benefits of HF-VMAT were presented with dose conformity and dose volume parameters in terms of modulation complex score, as compared to VMAT optimized using a fully opened field (FF). The size of the FF was decided to entirely include a planning target volume plus a 3-mm margin in all beam’s eye view at arc angles. Half of the FF from the isocenter was opened for dose optimization in HF-VMAT. Consequent normal tissue complication probabilities (NTCPs) by reduction of the irradiated volumes and delivered doses for OAR were evaluated RESULTS: Compared to FF-VMAT, HF-VMAT showed superior conformal dose distribution where the 75% isodose line compactly surrounded the separated regional lymph nodes. Dose conformity was comparable between HF-VMAT and FF-VMAT, however, HF-VMAT used 60%-70% less intensity modulation than that used by FF-VMAT. The small intestine and colon showed noticeable reduction in the irradiated volumes of up to 35% and 15%, respectively, at an intermediate dose of 20-45 Gy. The small intestine showed statistically significant dose sparing at the volumes that received a dose every 5 Gy from 15 to 45 Gy. Such a dose reduction for the small intestine and colon in HF-VMAT presented significant NTCP reduction than that in FF-VMAT. CONCLUSIONS: VMAT dose optimization using the HF technique more optimal composition of multileaf collimator segments to deliver conformal doses without excessive intensity modulation. It achieved distinguishable dose sparing for gastrointestinal OAR in WPRT without sacrificing the target dose conformity. HF-VMAT can be useful in reducing OAR toxicities associated with WPRT.

연구목적: 오늘날 전 골반 방사선치료와 같은 넓은 방사선치료 타겟에 대해 체적조절호형 방사선치료 (VMAT)가 적극적으로 시도되고 있다. 하지만 방사선 조사 범위가 크고 불규칙한 모양이라면 multileaf collimator (MLC) 움직임의 제한이 발생하게 되고, 이는 만족스럽지 못한 선량 분포의 원인이 된다. 본 연구진은 넓고 불규칙한 모양의 방사선치료 타겟을 대상으로 half-field 기법의 효용성을 검증하고자 하였고, 이를 MLC 움직임의 최적화 측면에서 분석해 보았다. 대상 및 방법: 전 골반 방사선치료를 받은 10명의 환자를 대상으로 half-field VMAT (HF-VMAT), full-field VMAT (FF-VMAT), modified full-field VMAT (MFF-VMAT) 기법을 비교 분석 하였다. 서혜부 임파선을 치료 범위로 포함하는 자궁경부암, 항문암, 질암 환자들을 대상으로 하였고 처방선량은 50Gy (25 x 2Gy) 이었다. 치료 기법에 따라 직장, 방광, 소장과 같은 정상 장기의 선량 분포를 획득하였다. 또한 Normal tissue complication probability (NTCP), conformity number (CN), homogeneity index (HI), modulation index (MI)를 계산하여 기법에 따른 차이를 분석하였다. 결과: HF-VMAT 기법의 평균 소장 선량은 MFF-VMAT와 FF-VMAT 기법에 비해 낮았고 (29.57 vs 30.68 vs 29.57, p<0.05), V15부터 V45까지의 값 역시 유의하게 감소되었다. HF-VMAT 기법의 방광 평균 선량은 MFFVMAT와 FF-VMAT 기법에 비해 낮았고 (33.64 vs 37.21 vs 38.63, p<0.05), V35부터 V45까지의 값도 유의하게 감소되었다. 대장과 직장에서도 HF-VMAT 기법에 따른 향상된 DVH를 관찰할 수 있었다. 기법에 따른 NTCP값을 분석한 결과, HF-VMAT 기법의 소장 독성은 8 – 9%로 12 – 13%의 FF-VMAT 기법에 비해 유의하게 향상된 값을 보여주었다. MLC 움직임의 불확실성을 반영하는 MI을 비교한 결과, HF-VMAT과 MFF-VMAT 기법에서 FF-VMAT 기법에 비해 향상된 값을 보여주었다 (306.31 vs 307.88 vs 366.95, p<0.05). 결론: 넓고 불규칙한 모양의 방사선치료 타겟에서 HF-VMAT 기법은 FFVMAT 기법에 비해 향상된 MLC 움직임을 보여주었고, 이는 정상 장기의 선량 분포의 향상으로 연결되었다. 넓고 불규칙한 모양의 방사선치료 타겟을 가진 환자들에게 HF-VMAT 기법은 도움이 될 것으로 기대된다.