Optimisation balistique avec champs anatomiques en radiothérapie externe

Abstract

Comme alternative entre la planification traditionnelle et la radiothérapie par intensité modulée (IMRT), un nouveau système de planification inverse a été développé. Ce système, appelé Ballista, est basé sur l'emploi de champs prédéterminés destinés au collimateur multilame (MLC). Un nouvel algorithme de segmentation a d'ailleurs été développé pour générer ces champs, dont les ouvertures, conformes à la projection des structures anatomiques, permettent de s'affranchir du contrôle de qualité supplémentaire inhérent à l'IMRT. En outre, cette réduction du nombre de poids a rendu possible, tout en maintenant un temps de calcul raisonnable, l'ajout des incidences et des filtres aux degrés de liberté disponibles sur Ballista. Ainsi, dans ce système, l'optimisation de l'orientation des faisceaux, coplanaires ou non, procède par recuit simulé. A ce niveau, de nombreuses contraintes pratiques sont prises en considération automatiquement afin de produire des plans directement transférables en clinique: collisions entre le bras de l'appareil et la table de traitement, limites de l'examen CT, barres de table, etc. D'un autre côté, c'est le concept de filtre super-omni, adapté à la présence de plusieurs champs par incidence, qui permet de déterminer efficacement le filtre optimal pour chaque faisceau. Dans Ballista, l'évaluation des plans s'appuie sur un échantillonnage quasi aléatoire et une fonction de coût quadratique avec contraintes de type pénalité. Qui plus est, la planification de surdosages non concomitants est réalisée aisément par l'introduction d'un indice de phase spécifié pour chaque structure anatomique. Enfin, Ballista est couplé au logiciel commercial de planification Pinnacle³, d'où l'utilisation d'un calcul de dose par convolution/superposition et une intégration clinique directe. Le potentiel du système est démontré par l'étude de plusieurs patients, en ORL, au niveau du thorax, et pour des cancers de la prostate. Il est observé que l'optimisation des incidences et des filtres ajoute considérablement à la puissance d'une modulation via champs prédéterminés. De fait, le système Ballista permet de générer des plans supérieurs à ce qui peut être obtenu de façon traditionnelle, et dans certains cas, comparables à des plans en IMRT, offrant toutefois une réduction du nombre de segments MLC et du nombre d'unités moniteur.

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As an alternative between traditional planning and intensity modulated radiotherapy (IMRT), a new inverse planning system has been developed. This system, called Ballista, is based on the use of predetermined fields intended for the multi-leaf collimator (MLC). A new segmentation algorithm has also been developed to generate these fields, whose openings, conforming to the projection of the anatomical structures, make it possible to overcome the additional quality control inherent in IMRT. In addition, this reduction in the number of weights made it possible, while maintaining a reasonable calculation time, to add incidences and filters to the degrees of freedom available on Ballista. Thus, in this system, the optimization of the orientation of the beams, coplanar or not, proceeds by simulated annealing. At this level, numerous practical constraints are automatically taken into consideration in order to produce plans that can be directly transferred to the clinic: collisions between the arm of the device and the treatment table, limits of the CT examination, table bars, etc. On the other hand, it is the concept of super-omni filter, adapted to the presence of several fields per incidence, which makes it possible to effectively determine the optimal filter for each beam. In Ballista, plan evaluation is based on quasi-random sampling and a quadratic cost function with penalty constraints. Furthermore, planning for non-concomitant overdoses is easily accomplished by the introduction of a phase index specified for each anatomical structure. Finally, Ballista is coupled with commercial Pinnacle3 planning software, hence the use of convolution/superposition dose calculation and direct clinical integration. The potential of the system is demonstrated by the study of several patients, in ENT, in the thorax, and for prostate cancers. It is observed that the optimization of incidences and filters adds considerably to the power of modulation via predetermined fields. In fact, the Ballista system makes it possible to generate plans superior to what can be obtained in a traditional way, and in some cases, comparable to IMRT plans, however offering a reduction in the number of MLC segments and the number of monitor units. .