Treatment planning optimization for non-coplanar volumetric modulated arc therapy

par Franklin Okoli

Thèse de doctorat en Analyse et traitement de l'information et des images médicales

Sous la direction de Dimitris Visvikis.

Soutenue le 17-11-2020

à Brest , dans le cadre de École doctorale Biologie-Santé (Rennes) , en partenariat avec Laboratoire de traitement de l’information médicale (Brest, Finistère) (laboratoire) .

Le président du jury était David Sarrut.

Le jury était composé de Dimitris Visvikis, David Sarrut, Ben Heijmen, Jean-Michel Létang, Salih Abdelaziz, Julien Bert.

Les rapporteurs étaient Ben Heijmen, Jean-Michel Létang.

  • Titre traduit

    L'optimisation pour l’arc thérapie par modulation d’intensité volumétrique non-coplanaire


  • Résumé

    Le VMAT non coplanaire permet de traiter les tumeurs qui sont situées à proximité des organes à risques et ceux qui se trouvent à coté ou entourés de tissus normaux.L'utilisation de trajectoires dynamiques pour le mouvement du lit et gantry permet la livraison plus précise des faisceaux pendant les traitements contre le cancer. Malgré les améliorations qui ont été constatées dans le VMAT non coplanaire, des défis persistent. Dans cette thèse, nous présentons une méthodologie pour la détermination des orientations de faisceaux du traitement. Cette méthodologie est proposée pour éviter la possibilité d'une collision lors du mouvement du lit et gantry pendant le traitement. En même temps, nous proposons un algorithme basé sur le recuit simulé pour la planification de traitement VMAT non coplanaire. Cet algorithme est utilisé pour sélectionner les meilleures orientations possibles du faisceau pour la livraison précise de la dose prescrite.Nous proposons également un algorithme inspiré de RRT pour générer la trajectoire du livraison du plan VMAT non coplanaire.L'algorithme est proposé pour résoudre le problème de l'insertion des faisceaux intermédiaires comme on a pu constater dans les méthodes de VMAT par sélection des faisceaux.Les résultats de cette étude montrent des améliorations dans la détection des collisions, l'optimisation globale du plan de traitement de la génération de trajectoires pour le plan du traitement VMAT non coplanaire.Ces améliorations comprennent une meilleure dosimétrie en ce qui concerne les réductions de la dose moyenne aux organes à risque et une trajectoire de livraison plus efficace.Nos études indiquent qu'il existe un compromis raisonnable entre la qualité du plan de traitement et la délivrance du plan si la dosimétrie du plan de traitement VMAT est surveillée en permanence pendant la génération de trajectoire.


  • Résumé

    Non-coplanar VMAT has the potential to treat tumors that are located in close proximity of critical organs or that are partially surrounded by normal tissues. The use of dynamic couch-gantry trajectories offers an opportunity for more precise and accurate delivery of radiation during cancer treatments.Despite the improvements that have been seen in non-coplanar VMAT, challenges still persist.In this thesis, we present a methodology for the determination of collision free couch-gantry orientations. This methodology is proposed to avoid the possibility of a collision during the motion of the couch and gantry during treatment.We propose an algorithm based on simulated annealing for non-coplanar VMAT treatment planning. This algorithm is used to select the best possible beam orientations for the accurate delivery of the prescribed dose.We also propose a RRT inspired algorithm for generating the trajectory for the non-coplanarVMAT plan delivery. The algorithm is proposed to solve the problem of the addition of intermediate beam orientations observed in beam selection methods.From the results of studies on the proposed methods, improvements to collision detection, global optimization and trajectory generation for non-coplanar VMAT treatment planning were observed. These improvements include a better dosimetry with respect to reductions in mean dose to the organs-at-risk and a more efficient delivery trajectory.Our studies indicate that there exists a reasonable trade-off between treatment plan quality and plan deliverability if the dosimetry of the VMAT treatment plan is continuously monitored during trajectory generation.


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