Utilizing the Degrees of Freedom in Radiation Therapy Optimization

The development of advanced software for radiation therapy treatment has had a significant role in the last decades’ improvements in cancer treatment. By optimizing the radiation dose given to each patient, the probability of a successful treatment increases. The development of mathematical optimization methods, required to produce as good radiation therapy treatment plans as possible, is therefore of high importance. When producing treatment plans for Volumetric Modulated Arc Therapy (VMAT) today, there are degrees of freedom that are not fully utilized. The possibility of rotating the patient couch and collimator during radiation delivery, to achieve a better dose distribution over the patient, is not taken advantage of. In order to take full advantage of these extra degrees of freedom, methods for predicting how good different arcs will perform during VMAT-delivery need to be developed. Since the number of possible VMAT-arcs is very large, such a method needs to be very time efficient in order to be of conventional use. In this thesis, a heuristic method for finding good VMAT-arcs for patients with multiple brain metastasis is proposed. In the method, the sphere around the patient’s head is discretized into a number of beam directions. From each of these beam directions a projection of the patient’s anatomy is produced, and based on the relative location of the cancer metastasis and the organs desired to protect, a cost is assigned. By linking together adjacent beam direction, VMAT-arcs can be created, and each possible VMATarc is assigned an arc cost depending on the cost of the beam directions it traverses. Such arc cost is used as an indication of how good a VMAT-arc will perform during VMAT-delivery. The heuristic method is tested and evaluated on four different patient cases. In three of the patient cases, the proposed method gives good results. Overall the results indicate that it is possible to predict how good a VMAT-arc will perform during VMAT-delivery, by looking at the relative locations of the target and organ projections in a discrete number of points along the arc. However, since the number of test cases are few, no statistically significant conclusions can be drawn.Utvecklingen av avancerad mjukvara för strålningsterapi är en del av de senaste decenniernas framsteg inom cancerbehandling. Genom att optimera stråldosen som ges till varje patient ökar sannolikheten att behandlingen lyckas. Utvecklingen av matematiska optimeringsmetoder, som används för att producera så bra strålningsplaner som möjligt, är därför av högsta vikt. När man producerar strålningsplaner för VMAT (Volumetric Modulated Arc Therapy) idag, utnyttjas inte alla frihetsgrader. Möjligheten att rotera patientbritsen och kollimatorn för att leverera en bättre strålningsdos till patienten lämnas ute. För att kunna utnyttja dessa frigetsgrader fullt ut krävs utveckling av metoder som kan förutspå hur bra olika strålningstrajektorier är. Då det finns ett väldigt stort antal möjliga strålningstrajektorier måste dessa metoder vara tidseffektiva. Under detta exjobb har en heuristisk metod för att hitta bra VMAT-trajektorier för patienter med flera hjärnmetastaser utvecklats. I metoden discretiseras sfären runt patientens huvud i ett antal strålningsriktningar. Från varje strålningsriktning produceras en projektion av patientens anatomi. Baserat på de relativa positionerna av hjärnmetastaserna och de organ man vill skydda tilldelas varje strålningsriktning ett straff. Genom att binda samman intilliggande strålningsriktningar kan sedan VMAT-trajektorier produceras, och varje VMAT-trajektorie tilldelas ett straff baserat på straffen hos de strålningsriktningar som bundits samman för att bilda trajektorien. Straffet som tilldelats en trajektorie används sedan som en indikator för hur bra trajektorien är för VMAT-behandling. Den heuristiska metoden är testad i fyra olika patientfall. I tre av patientfallen ger metoden bra resultat. I sin helhet tyder resultaten på att det är möjligt att förutsäga hur bra en VMAT-trajektorie är för VMAT-behandling, genom att från ett par punkter längst trajektorien titta på de relativa positionerna av metastaserna och de organ som man vill skydda. Dock gör det låga antalet av testfall att inga statisktiskt säkerställda slutsatser kan dras