To be published in Nowotwory Journal of Oncology 2004
Inverse Planning in Brachytherapy: Radium to High Dose Rate 192 Iridium Afterloading
M. Lahanas1, K. Karouzakis2, S. Giannouli2, R. F. Mould1 and D. Baltas1.3
Abstract
We consider the inverse planning problem in brachytherapy, i.e. the problem to determine an optimal number of catheters, number of sources for low-dose rate brachytherapy (LDR) and the optimal dwell times for high-dose rate brachytherapy (HDR) necessary to obtain an optimal as possible dose distribution.
Starting from the 1930s, inverse planning for LDR brachytherapy used geometrically derived rules to determine the optimal placement of sources in order to achieve a uniform dose distribution of a specific level in planes, spheres and cylinders. Rules and nomograms were derived which still are widely used.
With the rapid development of 3D imaging technologies and the rapidly increasing computer power we have now entered the new era of computer-based inverse planning in brachytherapy. The inverse planning is now an optimisation process adapted to the individual geometry of the patient. New inverse planning optimisation algorithms are anatomy-based that consider the real anatomy of the tumour and the organs at risk (OAR). Computer-based inverse planning considers various effects such as stability of solutions for seed misplacements which cannot ever be solved analytically without gross simplifications.
In the last few years multiobjective (MO) inverse planning algorithms have been developed which recognise the MO optimisation problem which is inherent in inverse planning in brachytherapy. Previous methods used a trial and error method to obtain a satisfactory solution. MO optimisation replaces this trial and error process by presenting a representative set of dose distributions that can be obtained. With MO optimisation it is possible to obtain information that can be used to obtain the optimum number of catheters, their position and the optimum distribution of dwell times for HDR brachytherapy. For LDR brachytherapy also the stability of solutions due to seed migration can also be improved. A spectrum of alternative solutions is available and the treatment planner can select the solution that best satisfies the clinical constraints.
The inverse planning now can be extended to include characteristics of the radioactive sources that can be used for further improving the dose distributions that can be obtained leading to a generalized inverse planning. The computer-based inverse planning provides solutions that protect the OARs and the normal tissue better than by empirical methods.
We present computer-based inverse planning algorithms used for LDR brachytherapy and currently also for HDR brachytherapy.
Planowanie odwrócone w brachyterapii
W pracy omówiono problem odwróconego planowania w brachyterapii. Planowanie odwrócone ma na celu okreÊlenie optymalnej liczby prowadnic i êróde∏ promieniowania w brachyterapii niskimi mocami dawki (LDR) oraz w∏aÊciwy czas pozostawania êród∏a promieniowania w prowadnicach (dwell time) celem uzyskania najlepszej mo˝liwej dystrybucji dawek promieniowania w brachyterapii wysokimi mocami dawki (HDR). Dzieje planowania odwróconego si´gajà lat trzydziestych XX wieku. Poczàtkowo polega∏o ono na zastosowaniu zasad eometrii celem okreÊlenia punktu, w którym nale˝a∏o umieÊciç êród∏o promieniowania aby uzyskaç najkorzystniejszà dystrybucj´ dawek pomi´dzy poszczególnymi wyliczonymi p∏aszczyznami, kulami i cylindrami. Z tamtego wczesnego okresu wywodzà si´ zasady post´powania i nomogramy u˝ywane do dnia dzisiejszego. Szybki rozwój trójwymiarowych technik obrazowania przebiegajàcy z jednoczesnym post´pem w dziedzinie informatyki umo˝liwi∏ komputerowe planowanie odwrócone. W chwili obecnej planowanie odwrócone to proces majàcy na celu optymalizacj´ post´powania w zale˝noÊci od indywidualnej geometrii poszczególnych guzów. Nowe algorytmy stosowane w planowaniu odwróconym opierajà si´ na zasadach anatomii – tak samego guza jak i otaczajàcych go narzàdów krytycznych (organs at risk – OAR). Algorytmy te uwzgl´dniajà równie˝ takie elementy jak g´stoÊç tkanek warunkujàca rozproszenie dawki, co nie mog∏o byç w ˝aden sposób okreÊlone analitycznie bez zastosowania znacznych uproszczeƒ.
W ciàgu ostatnich lat pojawi∏y si´ równie˝ wielop∏aszczyznowe algorytmy planowania odwróconego (Multiobjective Inverse Planning Algorithms – MO). Uwzgl´dniajà one wiele zagadnieƒ nierozerwalnie zwiàzanych z problemami planowania wstecznego w brachyterapii. Metody stosowane wczeÊniej opiera∏y si´ na zasadzie prób i b∏´dów, co prowadzi∏o stopniowo do uzyskania najlepszego mo˝liwego rozk∏adu dawek. Technika MO zast´puje powtarzanà seri´ prób i b∏´dów przedstawieniem mo˝liwych do uzyskania zakresów dystrybucji dawek. Umo˝liwia to z kolei okreÊlenie optymalnej liczby zastosowanych prowadnic, ich najlepszego umiejscowienia i najskuteczniejszych czasów pozostawania êróde∏ promieniowania w prowadnicach w brachyterapii metodà HDR. W przypadku metody LDR technika MO umo˝liwia okreÊlenie g´stoÊci tkanek warunkujàce rozproszenie dawek. Systemy planowania oparte na technice MO przedstawiajà serie mo˝liwych rozwiàzaƒ, jak równie˝ posiadajà funkcj´ samodzielnego wyboru rozwiàzania najbardziej odpowiedniego w danej sytuacji klinicznej. Planowanie odwrócone mo˝e obecnie byç wzbogacone o charakterystyk´ poszczególnych êróde∏ promieniowania, co z kolei prowadzi do dalszego ulepszenia dystrybucji dawek. Wreszcie komputerowo przeprowadzone planowanie odwrócone dostarcza rozwiàzaƒ umo˝liwiajàcych lepszà ochron´ pobliskich narzàdów (OAR) i tkanek ni˝ wczeÊniej stosowane techniki empiryczne. W pracy przedstawione zosta∏y algorytmy planowania odwróconego z zastosowaniem techniki komputerowej stosowane tak w brachyterapii niskimi (LDR) jak i wysokimi mocami dawek (HDR).
S∏owa kluczowe: brachyterapia, planowanie odwrócone
