IMRT national audit – application of IAEA methodology and extension to new technologies

Abstract

Over the last decade, Intensity Modulated Radiation Therapy (IMRT), including Volumetric Arc Modulated Therapy (VMAT), has become a widespread treatment technique, given the associated clinical benefits. However, the inherent complexity leads to an increased potential for harmful errors to occur. For its safe and optimal use, a comprehensive quality assurance program must thus be implemented and a regular participation in external audits is recommended. The International Atomic Energy Agency (IAEA), which has a vast experience in providing dosimetry services, has recently developed a national audit program to review the physics aspects of IMRT treatments. The established methodology includes the dosimetric verification of a head and neck IMRT plan through radiochromic film and ionization chamber measurements. It also comprises a set of tests designed for conventional linear accelerators to evaluate basic beam data as well as the machine performance. This audit can be adopted at the country level with the IAEA support. In this context, the main objectives of this thesis were: 1) to carry out the IMRT audit in Portugal; 2) to contribute to extend the audit methodology, including its adaptation to Helical Tomotherapy (HT), adoption of plan quality and complexity metrics for plan assessment, and providing a practical guide for radiochromic film dosimetry. The IMRT audit was conducted in Portugal in 2018 in collaboration with the IAEA and had 100% participation of the radiotherapy centres performing IMRT treatments. In the audit pilot centre, Instituto Português de Oncologia de Coimbra Francisco Gentil (IPOCFG), IMRT treatments are performed in a tomotherapy unit, which motivated the extension of the methodology to HT. The proposed adaptations included the definition of procedures to check the machine beam output, the treatment planning system (TPS) beam model and some small field dosimetry indicators. Analysis of the quality and complexity of the audit plans, created by each participating institution using the local technologies/techniques, allows for an independent comparison of the followed approaches and sharing of experiences. The plans dosimetric quality was evaluated by using an in-house developed software tool, called SPIDERplan. To evaluate and compare the complexity of the audit IMRT/VMAT plans, multiple metrics were considered and a novel global plan complexity score was proposed. Additionally, the assessment of plan complexity was extended to HT, for which no indices had been proposed so far in the literature, through the definition and adaptation of multiple metrics. Film dosimetry may be challenging, requiring the knowledge and implementation of complex procedures. A literature review on the practical aspects to take into account when setting up a film dosimetry system in clinical practice was done. It can serve as a guide for new users and audit teams that intend to conduct the IMRT audit at a national level. A comprehensive film dosimetry protocol for high dose verification of stereotactic treatments was also established, which can be considered in future extensions of the audit methodology to hypofractionated regimens.

RESUMO: Ao longo última década, a radioterapia de intensidade modulada (do inglês intensity modulated radiation therapy – IMRT), incluindo a arcoterapia volumétrica modulada (do inglês volumetric modulated arc therapy – VMAT), tornou-se uma técnica de tratamento amplamente usada. No entanto, a sua maior complexidade leva a que possam ocorrer mais erros relativamente às técnicas mais convencionais. As instituições devem por isso, implementar um programa de garantia de qualidade completo e participar regularmente em auditorias externas. A Agência Internacional de Energia Atómica (IAEA), que tem um longo historial de experiência na disponibilização de auditorias dosimétricas, desenvolveu recentemente um programa de auditoria para tratamentos de IMRT. A metodologia adotada inclui a verificação de dose de um tratamento de IMRT de cabeça e pescoço usando filmes radiocrómicos e câmara de ionização. Contempla igualmente um conjunto de testes, especialmente definidos para aceleradores lineares convencionais, que visam a verificação da dosimetria básica e do desempenho da máquina de tratamento. Este programa pode ser adotado pelos diferentes Estados Membros, com o suporte da IAEA. Neste contexto, esta tese teve como objetivos: 1) realizar a auditoria de IMRT em Portugal; 2) contribuir para a extensão da metodologia da auditoria, através da sua adaptação à Tomoterapia (HT), da inclusão de métricas de avaliação de qualidade e complexidade dos planos de tratamento e da proposta de um guião para a implementação de uma metodologia de dosimetria em filme. A auditoria de IMRT foi conduzida em Portugal em 2018, em colaboração com a IAEA e contou com a participação de todos os centros de radioterapia que utilizavam, à data, IMRT na prática clínica. No centro piloto, Instituto Português de Oncologia de Coimbra Francisco Gentil (IPOCFG), estes tratamentos são executados na unidade de Tomoterapia, o que motivou a extensão da metodologia a este tipo de equipamento. A sua adaptação à HT incluiu a definição de procedimentos para verificar a calibração do feixe de tratamento, o modelo do feixe e indicadores de dosimetria básica de campos pequenos. A análise da qualidade e complexidade dos planos de tratamento resultantes da auditoria permitiu uma avaliação independente das práticas locais e motivou a partilha de conhecimento. A qualidade dosimétrica dos planos foi avaliada usando uma ferramenta desenvolvida no IPOCFG – SPIDERplan. Para analisar e comparar a complexidade dos planos de IMRT/VMAT, foram consideradas várias métricas e proposto um score global. A avaliação da complexidade foi ainda estendida à HT, para a qual não existiam indicadores reportados na literatura, através da definição e adaptação de vários índices. O uso de dosimetria em filme requer o conhecimento e execução de procedimentos muito detalhados. Assim, foi feita uma revisão bibliográfica dos aspetos a considerar na implementação de um sistema de dosimetria em filme. Esta revisão pode servir como guia a novos utilizadores ou equipas de auditores. Foi igualmente estabelecido um protocolo de dosimetria em filme para verificação de planos de radioterapia estereotáxica, que poderá ser considerado em extensões futuras da auditoria.