Dosimetric impact of geometric distortions in an MRI-only proton therapy workflow for extracranial sites

In a magnetic resonance imaging (MRI) only radiation therapy workflow, dosimetric errors may arise due to system-dependent and patient-dependent geometric distortions introduced by MRI. The aim of this study was to quantify the dosimetric effect of geometric distortions arising from MRI in MRI-only workflow in Intensity Modulated Proton Therapy (IMPT). An approach was developed, in which computer tomography (CT) images were distorted using an MRI displacement map representing MR distortions due to gradient nonlinearities, static magnetic field inhomogeneities and patient susceptibility variations. The maximal mean landmark deformation per image slice was up to 3 mm in slice selection direction at a slice shifted 105 mm away from the isocenter and mean in-slice landmark deformation was below 1 mm. A retrospective study was conducted on 4DCT/MRI digital phantoms and 4DCT clinical dataset of the thoracoabdominal site. The treatment plans were designed and separately optimized for each beam field on a beam specific Planning Target Volume (bsPTV) on the distorted CT, and the final dose distribution was obtained as the average. Dose was then recalculated in undistorted CT using the same beam geometry and beam weights. The analysis was performed in terms of Dose Volume Histogram (DVH) parameters of target and organs at risk (OARs). No clinically relevant dosimetric impact was observed on OARs. Small dosimetric changes due to geometric distortions were found in the abdominal and thorax cases, where the tumor was closed or covered by the soft tissue, whereas higher changes were observed for lung cases where the tumor was isolated inside the lung parenchyma due to higher density variations along the beam path. Results suggest the potential applicability of MRI-only proton therapy, provided that further analyses would be performed for isolated lung tumors.

In radioterapia guidata da sola risonanza magnetica (MRI), possono sorgere errori dosimetrici dovuti a distorsioni geometriche dipendenti dal sistema e dipendenti dal paziente introdotte dalla MRI. Lo scopo di questo studio era di quantificare l'effetto dosimetrico delle distorsioni geometriche derivanti da MRI in radioterapia con protoni modulati di intensità (IMPT). E’ stato quindi sviluppato un approccio in cui le immagini di tomografia computerizzata (CT) sono state distorte utilizzando una mappa di spostamento MRI che rappresenta le distorsioni della MRI a causa di non linearità gradiente, disomogeneità del campo magnetico statico e variazioni di suscettibilità del paziente. La deformazione media di un punto di riferimento era fino a 3 mm nella direzione di selezione della fetta, a una fetta spostata di 105 mm dall' isocentro, e la deformazione media di un punto di riferimento nella fetta era inferiore a 1 mm. È stato condotto uno studio retrospettivo su fantocci digitali 4DCT/MRI e set di dati clinici 4DCT del distretto toraco-addominale. I piani di trattamento sono stati definiti e ottimizzati separatamente per ciascun campo del fascio su un volume target di pianificazione specifico del fascio (bsPTV) sulla TC distorta, e la dose finale è stata ottenuta come media. La dose è stata quindi ricalcolata in CT non distorta utilizzando la stessa geometria e pesi del raggio. L'analisi è stata eseguita in termini di parametri dell'istogramma del volume della dose (DVH) di target e organi a rischio (OARs). Non è stato osservato alcun impatto dosimetrico clinicamente rilevante sugli OARs. Piccoli cambiamenti dosimetrici dovuti a distorsioni geometriche sono stati riscontrati nei casi addominali e toracici, in cui il tumore era chiuso o coperto dai tessuti molli, mentre sono stati osservati cambiamenti più elevati nei casi polmonari in cui il tumore è stato isolato all'interno del parenchima polmonare a causa di variazioni di densità più elevate lungo il percorso del raggio. I risultati suggeriscono la potenziale applicabilità della terapia con protoni guidata da sola risonanza magnetica, a condizione che siano condotte ulteriori analisi per tumori polmonari isolati.