Measurements of Characteristics of Time Pattern in Dose Delivery in Step-and-Shoot IMRT

Background and Purpose:

Although intensity-modulated radiotherapy (IMRT) has already shown its clinical benefit, there are some issues which are not yet fully understood. Among these is the question whether the protracted dose delivery due to the lowered dose rate has any radiobiological consequences. To investigate this question, an exact characterization of dose rate profiles in typical clinical plans is needed. Furthermore, such a characterization may lead to an increased knowledge how to improve IMRT technically.

Material and Methods:

A new IMRT phantom which allows precise measurement of up to nine points of interest simultaneously with pin-point ionization chambers was developed. To examine dose rates, a new software tool (GRAYHOUND) was developed which can measure doses in short time intervals of up to 0.5 s. 250 points in four clinical IMRT plans were examined. A set of parameters was defined to describe the dose rate profiles including the effective fraction time (eft, which is the percentage of the fraction time in which any dose is delivered to a specific point), and a quotient of the percentage of dose delivered in high dose pulses (> 0.01 Gy/s) divided by the percentage of fraction time needed to deliver this dose (d_HD/t_HD).

Results:

These quotients are excellent markers for the inhomogeneity of dose rate delivery in IMRT. In both parameters a wide variance in points of the same plan and between different plans was found. For example, eft ranged between 11.6% and 37.3% in high dose points and the time in which high dose rates are delivered to a single high dose point ranged between 3.6% and 10.1% of total fraction time.

Conclusions:

These data show a great inhomogeneity of dose rates not only between different plans but also between different points in the same plan. Biological investigations are needed to quantify the relevance of these inhomogeneities. The parameters which are introduced in this work may be suitable to compare different optimization algorithms in IMRT.

Hintergrund und Ziel:

Obwohl die Intensitätsmodulierte Strahlentherapie (IMRT) ihren klinischen Nutzen bereits zeigen konnte, harren einige grundlegende Fragestellungen noch immer ihrer Antwort: Beispielsweise konnte noch nicht zufriedenstellend gezeigt werden, ob die zeitliche Dosisprotrahierung zu strahlenbiologischen Konsequenzen führt, und wenn ja, zu welchen. Um diese Frage beantworten zu können, ist jedoch eine genaue Charakterisierung der Dosisratenprofile in Plänen aus der klinischen Anwendung vonnöten. Des Weiteren könnte eine solche Charakterisierung zu neuen Hinweisen bezüglich der technischen Optimierung der IMRT führen.

Material und Methodik:

Es wurde ein neues Phantom entwickelt, das die präzise Messung von bis zu neun Punkten gleichzeitig mittels Pin-Point-Ionisationskammern ermöglicht. Um Dosisraten in der erforderlichen Genauigkeit zu untersuchen, wurde die Software GRAYHOUND entwickelt, die die Dosis in Zeitintervallen von bis zu 0,5 s messen kann. Insgesamt wurden 250 Punkte in vier klinischen Plänen untersucht. Es wurden eine Reihe von Parametern definiert, um die Dosisratenprofile beschreiben zu können: 1. die effektive Fraktionszeit (eft, definiert als prozentualer Anteil der Fraktionszeit, in der ein Punkt tatsächlich Dosis erhält); 2. der Quotient aus dem Anteil der Fraktionsdosis, der in Hochdosispulsen appliziert wird (> 0,01 Gy/s), und dem Anteil der dafür notwendigen Fraktionszeit (d_HD/t_HD).

Ergebnisse:

Diese Parameter sind ausgezeichnete Marker für die zeitliche Inhomogenität der Dosisapplikation in der IMRT. Bei beiden Parametern wurden große Unterschiede sowohl innerhalb eines Plans als auch zwischen den verschiedenen Plänen beobachtet: Beispielsweise variierten eft zwischen 11,6% und 37,3% und der Anteil der Fraktionszeit, in dem Hochdosispulse (und damit der Hauptteil der Dosis) appliziert wurden, zwischen 3,6% und 10,1% der gesamten Fraktionszeit.

Schlussfolgerung:

Die Daten zeigen eine hohe Inhomogenität der zeitlichen Dosisratenapplikation sowohl innerhalb als auch zwischen den verschiedenen Plänen. Strahlenbiologische Untersuchungen müssen nun die klinische Bedeutung dieser Inhomogenitäten klären. Die hier vorgestellten Parameter könnten sich beim Vergleich verschiedener Optimierungsalgorithmen als nützlich erweisen.