Anatomical robust optimization to account for variation in nasal cavities filling during intensity modulated proton therapy : a new optimization strategy with 4 synthetic CTs

Introduction: one of the challenges in proton therapy today is to deal with patient setup errors, range uncertainties and organ motion. Since the dose of proton beams can be delivered with high precision to specific locations, these uncertainties have a large impact on the treatment success and a small displacement of the Bragg peak can easily lead to tumor underdosage as well as overdosage to organs at risk. Purpose: classical robust optimization used in the planning process for Pencil Beam Scanning (PBS) proton therapy considers uncertainties in pa- tient setup and particle range, however anatomical changes occurring during the treatment are neglected. The aim of the project is to develop and test an anatomical robust optimization (aRO) method that allows for variations in nasal cavities (NC) filling to be accounted for, then reducing the needs of replanning. Materials and Method: 14 patients treated at Centro di Protonterapia in Trento, whose clinical target volume (CTV) overlaps considerably with NC were retrospectively included in this study. All of these patients showed a variation of the NC volume that led to replanning; for each one the volume of the intersection between the NC and isodose curve 20% of the prescription dose was collected for every available Computed Tomography (CT), in order to assess changes in NC filling. These data were used to create a method to build 4 synthetic CTs for each patient to simulate different NC fillings. These patients’ plans (5CT-plans) were robustly optimized considering setup and range uncertainties and anatomical changes too, by including the 4 artificial CTs in the optimization process. Then 5CT-plans were compared retrospectively to delivered plans at Centro di Protonterapia in Trento, be- fore and after replanning, collecting data regarding target coverage (V95), hot spots and dose received by crucial OARs. Besides, robust evaluation data were collected to assess if including 4 additional CTs in the traditional process had an impact on robustness against range and setup uncertainties. The strategy is considered successful if the 5CT-plans fulfill clinical specifi- cations on the planning anatomy, as well as on all the available evaluation CTs. Results: 5CT-plans obtained resulted satisfactory in 10 out of 13 cases. Wilcoxon-signed rank tests were performed (α=0,005) and demonstrated that the 5CT-plans do not present worse coverage than traditionally optimized plans and the 5 CT-plans recalculated on the replanning scenario can reach the same coverage performance in comparison with the approved plan after replanning. Moreover, 5CT-plans do not show a significant worsening if re- calculated on a scenario different from the planning one, as happens with the approved plans. Regarding robustness analysis, 5CT-plans do not present a worsening of considered indicators compared to approved plans. Conclusion: aRO with additional 4 CTs effectively accounted for changes in NC filling for 10 of 13 patients included, who therefore would not need re- planning, meeting dose criteria and organs at risk (OARs) constraints during the course of treatment. The approach could be used in order to maintain a good plan quality, reducing the need for replanning and to consider a priori anatomical variations in the optimization process. Keywords: proton therapy, anatomical robust optimization, nasal ca- vity, adaptive planning

Introduzione: una delle odierne sfide in protonterapia è trattare gli errori derivanti da incertezze di posizionamento del paziente, di range e dovute al movimento degli organi. Poiché la dose di fasci di protoni può essere som- ministrata con estrema precisione queste incertezze hanno un grande impatto sul successo del trattamento e anche piccoli spostamenti del picco di Bragg possono facilmente portare a un sottodosaggio del tumore e al sovradosaggio per gli organi a rischio. Scopo: il tradizionale processo di ottimizzazione utilizzato durante il planning di piani di protonterapia erogati con la tecnica Pencil Beam Scan- ning (PBS) considera le incertezze di posizionamento del paziente e di range delle particelle; i cambiamenti anatomici che si verificano durante il tratta- mento vengono tuttavia trascurati. Lo scopo di questo progetto è sviluppare e testare un metodo di ottimizzazione robusto che tenesse conto anche di tali cambiamenti anatomici, consentendo quindi di considerare le variazioni nel riempimento delle cavità nasali (NC), riducendo così le esigenze di replanning. Materiali e metodi: 14 pazienti trattati presso il Centro di Proton- terapia di Trento, il cui il Clinical Target Volume (CTV) interseca consi- derevolmente le NC sono stati retrospettivamente inclusi in questo studio. Tutti questi pazienti hanno mostrato cambiamenti anatomici che hanno de- terminato la necessità di replanning; per ciascun paziente è stato analizzato il volume dell’intersezione tra le NC e la curva isodose 20 % della dose prescritta per ogni tomografia computerizzata (CT) disponibile, al fine di valutare le variazioni nel riempimento NC. Questi dati sono stati utilizzati per stabilire un metodo per costruire 4 CT artificiali per ogni paziente per appunto i diversi riempimenti delle CN. I piani simulati per questi pazienti (5CT-plans) sono stati ottimizzati considerando quindi le incertezze di setup, range e anche i cambiamenti anatomici, includendo le 4 CT artificiali costruite nel processo di ottimiz- zazione. Sono stati quindi confrontati retrospettivamente con i piani ap- provati e effettivamente erogati ai pazienti presso il Centro di Protonterapia di Trento (prima e dopo il replanning), raccogliendo dati riguardanti la co- pertura del target (V95), eventuali hot spots e la dose ricevuta da organi a rischio cruciali. Inoltre dati riguardanti l’analisi della robustezza sono stati raccolti per valutare se includere le 4CT artificiali nel processo tradizionale avesse un impatto sulla robustezza rispetto a incertezze di range e setup. La strategia è considerata efficace se i 5CT-plans soddisfano le specifiche cliniche nello scenario nominale, nonché su tutte le CT successive disponibili. Risultati: i 5CT-plans così ottenuti sono risultati soddisfacenti in 10 casi su 13. Più Wilcoxon-ranked test sono stati condotti (α=0,005) e hanno dimostrato che i 5CT-plans non forniscono una copertura peggiore sullo sce- nario nominale rispetto ai piani tradizionalmente ottimizzati e che i 5CT- plans presentano sullo scenario di replanning le stesse prestazioni di copertura rispetto al piano approvato dopo la ripianificazione. Inoltre non mostrano un significativo peggioramento se ricalcolati su uno scenario diverso da quello di planning, come invece accade per i piani ottimizzati tradizionalmente. Per quanto riguarda l’analisi della robustezza, i 5CT-plans non hanno presentato un peggioramento degli indicatori considerati rispetto ai piani approvati. Conclusioni: il metodo messo a punto è stato in grado di rendere il piano adeguato durante tutto il trattamento per 10 dei 13 pazienti inclusi, che quindi non avrebbero avuto bisogno di replanning, rispettando i criteri di dose e i vincoli sugli organi a rischio durante tutto il corso del trattamento. L’approccio potrebbe essere utilizzato per mantenere una buona qualità del piano, riducendo la necessità di replanning e considerare a priori le variazioni anatomiche nel processo di ottimizzazione. Keywords: proton therapy, anatomical robust optimization, nasal ca- vity, adaptive planning.