Pareto multi criteria optimisation in radiation therapy treatment planning

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State: Public
Version: After imprimatur
License: Not specified
Serval ID
serval:BIB_332F9837E5D0
Type
PhD thesis: a PhD thesis.
Collection
Publications
Institution
Title
Pareto multi criteria optimisation in radiation therapy treatment planning
Author(s)
Wüthrich Diana
Director(s)
Moeckli Raphaël
Codirector(s)
Bochud François
Institution details
Université de Lausanne, Faculté de biologie et médecine
Publication state
Accepted
Issued date
2023
Language
english
Abstract
Radiotherapy treatment planning is a multi criteria optimisation (MCO), where the multiple criteria of adequately irradiating the planning target volume (PTV) and reducing the dose to several organs at risk (OAR) must be optimised simultaneously. A treatment plan is said to be Pareto optimal if improvement in one criterion is possible only by worsening another, and the set of Pareto optimal plans is called the Pareto front. It can be used to compare different treatment modalities for a given installation, or to compare the performance of two different machines.
Many studies have used Pareto fronts to investigate the impact of conflicting criteria on dose distributions. However, the Pareto front depends on the optimisation parameters chosen, and how these affect the variability of the front has been little reported in the literature. Very often, studies comparing different treatment techniques show that certain dose metrics favour the plan obtained with one technique, while others favour the other technique. Rather than choosing the best plan based on subjective preferences, the use of Pareto fronts provides an objective framework for comparison that is poorly documented in the literature.
The aims of this PhD thesis are therefore to study the variability of the Pareto front as a function of the chosen optimisation parameters and then to use these results in a practical case by comparing the treatment techniques helical Tomotherapy (HT) and volumetric modulated arc therapy (VMAT) for two very different types of cancer.
For this purpose, I developed and validated an in-house script that controlled a commercial treatment planning system to calculate clinically deliverable Pareto fronts. The script was then applied to thirty-one prostate and ten oropharyngeal cancer patients. It varied the PTV coverage and mean dose to the primary OAR (rectum for prostate and contralateral parotid gland for oropharyngeal cancer) while keeping the mean doses to the other secondary OARs constant. Pareto fronts were calculated for different optimisation parameters and for the treatment techniques HT and VMAT. They were compared using a validated metric (clinical distance measure). In addition, a blinded expert review of prostate treatment plans was used to validate the comparison of HT and VMAT Pareto fronts.
The parameters that most influenced the prostate Pareto front and led to clinically relevant changes were the dose gradient around the PTV, the weight of the PTV objective function, and the mean bladder dose. The dose gradient around the PTV influenced the Pareto front to a lesser extent in oropharyngeal cancer. Furthermore, while VMAT was better than HT for all prostate cancer cases, the opposite was observed for all oropharyngeal cancer cases. This finding may be explained by the fact that the VMAT optimiser increases the fluence at certain beam angles, which is possible due to the linear accelerator's ability to rapidly vary the dose rate. This is an advantage for simple shaped targets such as the prostate with few OARs, but disappears for more complex geometries such as the oropharynx with many OARs.
In conclusion, the in-house script for calculating deliverable Pareto fronts was validated for prostate and oropharyngeal cancers for HT and VMAT in two and three dimensions. A deeper understanding of the variability of the Pareto front in relation to the chosen optimisation parameters was obtained through Pareto front comparisons on large cohorts in two anatomically very different treatment sites. Furthermore, the results of this thesis suggest that VMAT is superior to HT for simple geometries, whereas HT is superior to VMAT for complex geometries.
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La planification des traitements en radiothérapie est un problème d’optimisation multicritère dans lequel l’irradiation adéquate du volume cible de planification (PTV) et la limitation de la dose à plusieurs organes à risque (OAR) doivent être pris en compte simultanément. Un plan de traitement est appelé ’’Pareto optimal’’ si l’amélioration d’un critère n’est possible qu’en détériorant un autre critère. L’ensemble des plans Pareto optimaux est appelé le front de Pareto. Il peut être utilisé pour comparer différentes modalités de traitements réalisées avec une installation donnée ou pour comparer les performances de deux machines différentes.
De nombreuses études ont utilisé les fronts de Pareto pour étudier l’impact de critères contradictoires sur les distributions de dose, mais la manière dont les paramètres d’optimisation affectent la variabilité des fronts de Pareto a été peu étudiée dans la littérature. Bien souvent, les études comparant différentes techniques montrent que certains indicateurs de dose favorisent le plan obtenu avec une technique, alors que d’autres favorisent l’autre technique. Plutôt que choisir le meilleur plan sur la base de considérations subjectives, l’utilisation des fronts de Pareto fournit un cadre objectif de comparaison peu documentée dans la littérature.
Les objectifs de cette thèse sont donc d’étudier la variabilité du front de Pareto en fonction des paramètres d’optimisation choisis puis d’utiliser ces résultats dans un cas pratique en comparant les techniques de traitement tomothérapie hélicoïdale (HT) et arc thérapie volumétrique modulée (VMAT) pour deux types de cancer très différents.
À cette fin, j’ai développé et validé un script qui contrôle un système commercial de planification de traitement pour calculer des fronts de Pareto délivrables cliniquement. Le script a ensuite été appliqué à 31 patients atteints d’un cancer de la prostate et à 10 patients atteints d’un cancer de l’oropharynx. Ce script fait varier la couverture du PTV et la dose moyenne à l’OAR primaire (le rectum pour le cancer de la prostate et la glande parotide controlatérale pour le cancer de l’oropharynx) tout en maintenant constantes les doses moyennes des autres OARs secondaires. Les fronts de Pareto ont été calculés pour différents paramètres d’optimisation, pour les techniques de traitement HT et VMAT. Ils ont été comparés à l’aide d’une métrique validée. En outre, une évaluation ’’à l’aveugle’’ par des experts des plans de traitement de la prostate a été utilisée pour valider la comparaison des fronts de Pareto HT et VMAT.
Les paramètres qui ont le plus influencé le front de Pareto de la prostate et ont conduit à des changements cliniquement pertinents étaient le gradient de dose autour du PTV, le poids de la fonction objectif du PTV et la dose moyenne à la vessie. Le gradient de dose autour du PTV a moins influencé le front de Pareto pour le cancer de l’oropharynx. En outre, alors que VMAT était meilleur que HT pour tous les cas de cancer de la prostate, l’inverse a été observé pour tous les cas de cancer de l’oropharynx. Cette constatation peut s’expliquer par le fait que l’optimiseur VMAT augmente la fluence à certains angles du faisceau, ce qui est possible grâce à un accélérateur linéaire capable de varier rapidement le débit de dose. C’est un avantage pour les volumes cibles de forme simple comme la prostate avec peu d’OAR, mais qui disparaît pour les géométries plus complexes comme l’oropharynx pour lesquels de nombreux OARs sont présents.
En conclusion, le script de calcul des fronts de Pareto délivrables a été validé pour les cancers de la prostate et de l’oropharynx pour l’HT et la VMAT en deux et trois dimensions. Une compréhension plus approfondie de la variabilité du front de Pareto par rapport aux paramètres d’optimisation choisis a été obtenue grâce à des comparaisons du front de Pareto sur de grandes
cohortes de patients dans deux sites de traitement très différents du point de vue anatomique. En outre, les résultats de cette thèse suggèrent que le VMAT est supérieur au HT pour les géométries simples tandis que le HT est supérieur au VMAT pour les géométries complexes.
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La radiothérapie est un traitement du cancer qui utilise des rayons ionisants. Afin de contrôler efficacement le cancer, il est essentiel de l’irradier de manière adéquate tout en limitant l’irradiation des tissues sains environnants afin d’éviter les effets secondaires des rayonnements. Pour atteindre cet objectif, le patient est irradié depuis plusieurs directions de sorte que la dose délivrée soit maximale à la tumeur, tandis que celle des tissues sains est maintenu à un niveau raisonnablement faible. Mathématiquement, la planification d’un traitement de radiothérapie constitue un problème d’optimisation où des critères contradictoires, tels que l’irradiation adéquate de la tumeur et la limitation de l’exposition des organes sains, doivent être optimisés simultanément. Un traitement est appelé ’’Pareto optimal’’ lorsque l’amélioration d’un critère ne peut être réalisée sans détériorer un autre critère. Pour chaque patient, il existe plusieurs traitements Pareto optimaux selon les critères qu’on choisit de prioriser pendant l’optimisation. L’ensemble de tous les traitements Pareto optimaux est appelé le front de Pareto.
Dans ma thèse, j’ai étudié comment le front de Pareto dépend des paramètres d’optimisation choisis dans le logiciel de planification. J’ai également comparé la radiothérapie délivrée par deux installations de traitement différentes, la tomothérapie hélicoïdale (HT) et l’arc thérapie volumétrique modulée (VMAT). Ces deux méthodes de traitement ont en commun de faire tourner la source de rayonnement autour du patient, mais la géométrie des machines et la façon de délivrer la dose au patient sont différentes. Pour faire ces études, j’ai utilisé les images de 31 patients atteints d’un cancer de la prostate et 10 patients atteints d’un cancer de l’oropharynx. J’ai calculé les fronts de Pareto en utilisant différents paramètres d’optimisation et en utilisant les deux méthodes de traitement. Cela a permis d’obtenir une compréhension plus approfondie de la variabilité du front de Pareto en fonction des paramètres d’optimisation choisis. D’un point de vue pratique, les résultats de cette thèse peuvent être utilisés pour essayer d’améliorer les traitements de radiothérapie. En ce qui concerne la comparaison de HT et VMAT, les résultats de cette thèse suggèrent que VMAT est plus efficace que HT pour des cibles de forme simple, comme les cancers de la prostate, qui sont entourés de peu d’organes à risque. En revanche, HT semble préférable à VMAT pour des géométries
Create date
20/01/2024 20:57
Last modification date
19/03/2024 8:28
Usage data