Validation of deformable image registration based on contours for dose accumulation in external beam radiotherapy

Abstract

The purpose of this project is to study and characterize a framework to evaluate deformable image registration (DIR) in the context of dose accumulation to account for intrafractional anatomical changes in external beam radiotherapy. The selected cohort of patients included 10 non small cell lung cancer (NSCLC) studies, each one composed of 10 computer tomography (CT) images taken over the breathing cycle. The full exhalation image was selected as reference for every patient and DIR was performed with the ANACONDA algorithm, included in Raystation treatment planning system (TPS). Four set ups of the algorithm were used for each registration and the resultant deformation vector field (DVF) was evaluated using manually drawn CTV contours as gold standards. Available metrics in the TPS, consisted on Dice similarity coefficient (DSC), mean distance to agreement (MDA), Hausdorff distance (HD) and Pearson correlation coefficient defined over the body and the CTVs region of interest (ROI). The results of this metrics over the breathing cycle were analyzed and compared with other available studies of the literature. Each patient had 3D-CRT and VMAT plans created on Raystation TPS, according to the stereotactic body radiation therapy (SBRT) protocol. To account for uncertainty propagation to the accumulated doses, variability over the four setups were used as a surrogate. Standard deviation distributions (STD) were calculated and evaluated using common dose volume histogram (DVH) parameters such as D95, D2, mean and maximun dose, calculated on target and organ at risk structures. This data was correlated with the previous geometrical metrics. Spearman correlations with statistical significance (p < 0,001) gave moderate to strong correlations, the strongest being r = 0,91 and −0,91 between D2 on ipsilateral lung and initial MDA and average STD dose on PTV and Pearson coefficient, respectively. Moderate correlations included r = 0,50 between D95 on PTV and HD among others. The analysis showed the framework as a way to clinically evaluate the accumulated dose and the usefulness of the dose standard deviation as a metric to achieve this goal.

El propósito de este proyecto es el de estudiar y caracterizar un protocolo para evaluación de registro deformable de imagen (DIR) en el contexto de acumulación de dosis para cuantificar cambios anatómicos intrafraccionarios en pacientes de radioterapia de haz externo. La cohorte de pacientes incluyó 10 estudios de cáncer de pulmón de célula no-pequeña (NSCLC), cada uno compuesto por 10 imágenes de tomografía computarizada (CT) tomadas sobre el ciclo de respiración. La imagen de exhalación plena fue seleccionada como referencia para cada paciente y el DIR fue realizado con el algoritmo ANACONDA, incluido en el sistema de planeación de tratamiento (TPS) Raystation. Cuatro configuraciones fueron usadas para cada registro y el campo vectorial de deformación resultante (DVF) fue evaluado utilizando los contornos dibujados manualmente como estándar de referencia. Métricas disponibles en el TPS consistieron en el coeficiente de similaridad de DICE (DSC), la distancia promedio de concordancia (MDA), la distancia de Hausdorff (HD) y el coeficiente de correlación de Pearson definido sobre los ROI de cuerpo y de CTV. Los resultados de estas métricas sobre el ciclo de respiración fueron analizados y comparados con resultados de la literatura. Cada paciente tenía planes de 3D-CRT y VMAT creados en Raystation, de acuerdo al protocolo de radioterapia estereotáctica de cuerpo (SBRT). Para cuantificar la propagación de la incertidumbre sobre las dosis acumuladas, la variabilidad sobre las cuatro configuraciones fue usada como subrogado. Distribuciones de desviación estándar fueron calculadas y evaluadas usando parámetros comunes del histograma dosis volumen (DVH) como D95, D2, dosis promedio y máxima, calculadas en estructuras de objetivo y órganos a riesgo. Correlaciones de Spearman con significancia estadística (p<0,001) dieron correlaciones moderadas y fuertes, la mayor siendo r = 0, 91 y −0, 91 entre D2 en el pulmón ipsilateral y MDA inicial y la dosis STD en PTV y el coeficiente de Pearson, respectivamente. Correlaciones moderadas incluyeron r = 0, 50 entre D95 en PTV y HD entre otros. El análisis mostró el método como una forma clínica de evaluar la dosis acumulada y la utilidad de la desviación estándar de la dosis como métrica para lograr este propósito. (Texto tomado de la fuente)