[논문 리뷰] Clinical Validation of two Surface Imaging Systems for Patient Positioning in Percutaneous Radiotherapy

Manfred Wiencierz, Kathrin Kruppa외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 02. 11.

Advanced Radiotherapy Techniques참고 문헌 18인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 토모테라피를 사용한 경피적 방사선 치료에서 환자 위치 조정을 위한 두 가지 방사선 치료 표면 영상 시스템—Catalyst (C-Rad)와 AlignRT (VisionRT)—의 임상적 유효성을 검증한다. 양 시스템 모두 전통적인 피부 마커 대비 설정 오차를 감소시키며, 특히 골반 및 흉부 부위에서 유의미한 개선을 보인다. AlignRT는 더 넓은 표면 커버리지 덕분에 더 높은 정확도를 보이며, 통계적 변동성은 임상적 안전 마진에 도전 과제로 남아 있다.

ABSTRACT

Precise patient positioning and thus precise positioning of the planning target volume (PTV) is a prerequisite for effective treatment in percutaneous radiation therapy. Conventional imaging modalities used to ensure exact positioning for treatment typically involve additional radiation exposure of the patient. A different approach to patient alignment without additional exposure is provided by optical 3D surface scanning and registration systems. We investigated two systems Catalyst and AlignRT, which allowed us to generate and validate surface images of 50 patients undergoing irradiation on a Tomotherapy system. We compared the positions proposed by these two surface imaging systems (SIS) with the actual adjustments in patient positions made on the basis of MVCT scans. With the two SIS, the surface of every single patient was repeatedly recorded throughout treatment. In addition, we performed a systematic analysis of both systems using a body phantom. At least 10 surface images were available from each patient included in the analysis. The large number of patients allowed us to subdivide the study population into three groups by body region treated: head & neck, chest, and pelvic. The results for each of these three body regions were separately analyzed. Thus, the focus of our investigation is on body regions registered with the two systems rather than tumor entities. For AlignRT, for instance, we found an improvement in positioning for the Pelvic region of 0.9mm in 75% and 6.4mm in 95% of the collected data in comparison to conventional marker alignment. The two systems were most accurate in the head & neck region, where conventional mask alignment is already sufficiently accurate. The other two body regions, pelvic and chest, might benefit from positioning by SIS. But for both systems there is still a need for improvement to reduce statistical variation.

연구 동기 및 목표

• 경피적 방사선 치료에서 두 표면 영상 시스템(Catalyst 및 AlignRT)의 환자 위치 조정 정확도를 평가하기 위해.
• SIS 기반 위치 조정을 전통적인 피부 마커 정렬 및 MVCT 기반 보정과 비교하기 위해.
• 두부 및 목, 흉부, 골반 부위와 같은 다양한 해부학적 부위에서 시스템 성능 평가하기 위해.
• SIS 측정에서의 체계적 오차 및 변동성의 원인 규명하기 위해.
• SIS를 정규 방사선 치료에 활용할 수 있는 임상적 타당성과 안전 마진 결정하기 위해.

제안 방법

• 표면 영상 시스템(SIS)이 톰오테라피 시스템에서 치료 분획 동안 환자의 3차원 표면 스캔을 촬영하였다.
• 각 환자의 표면은 치료 세션 동안 여러 번(≥10회) 스캔되어 종단적 분석이 가능하도록 하였다.
• SIS 결과는 황금 기준으로 간주되는 MVCT 스캔에서 유도된 환자 위치 보정과 비교되었다.
• 통제된 조건에서 SIS 성능을 체계적으로 평가하기 위해 몸체 펌프가 사용되었다.
• 기준 표면은 계획용 CT에서 유도된 외부 윤곽(외부 CT 기준) 또는 내부 SIS가 생성한 표면(내부 광학 기준)이었다.
• 통계 분석에는 이 translational 및 rotational 이동에 따른 설정 편차의 백분위수(P75, P90, P95)가 포함되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Catalyst 및 AlignRT의 정확도는 환자 위치 조정에서 전통적인 피부 마커 정렬 대비 어떻게 다른가?
• RQ2 다양한 해부학적 부위에서 SIS 기반 설정 보정의 체계적 오차 및 무작위 오차는 무엇인가?
• RQ3 표면 커버리지가 종단적(y축) 및 회전 위치 조정의 정확도에 영향을 미치는가?
• RQ4 SIS는 비마스크 부위인 흉부 및 골반 부위에서 특히 환자 위치 불확실성을 임상적 안전 마진 이하로 줄일 수 있는가?
• RQ5 기준 표면 유형(외부 CT 대비 내부 광학)이 SIS 정렬 정확도에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 골반 부위 환자에서 AlignRT는 전통적인 마커 정렬 대비 P75 백분위수에서 0.9 mm, P95 백분위수에서 6.4 mm의 설정 오차 감소를 보였다.
• AlignRT는 모든 세 부위에서 뛰어난 정확도를 보였으며, 특히 골반 및 흉부 부위에서 더 넓은 표면 커버리지 덕분에 유의미한 우월성을 보였다.
• Catalyst는 종단적(y축) 위치 조정에서 더 높은 체계적 오차를 보였으며, 이는 표면 영역 커버리지가 제한되어 있어 전체 정확도에 영향을 미쳤다.
• 양 시스템 모두 P75 백분위수가 수용 가능한 임상 마진 내에 있었지만, P95 백분위수는 일반적인 계획 안전 마진을 초과하여 잔여 변동성이 존재함을 시사했다.
• 외부 CT에서 유도된 기준 표면 사용은 내부 SIS 기준보다 정확도를 향상시켰지만, 일상적인 워크플로우에서는 덜 실용적이었다.
• 두부 및 목 환자에서는 전통적인 마스크 고정이 이미 높은 위치 조정 정확도를 제공하므로 SIS의 이점이 가장 적었다.