Purpose: The aim of this work was to compare and validate various computed tomography (CT) number calibration techniques with respect to cone beam CT (CBCT) dose calculation accuracy.
Methods: CBCT dose calculation accuracy was assessed for pelvic, lung, and head and neck (H&N) treatment sites for two approaches: (1) physics-based scatter correction methods (CBCTr); (2) density override approaches including assigning water density to the entire CBCT (W), assignment of either water or bone density (WB), and assignment of either water or lung density (WL). Methods for CBCT density assignment within a commercially available treatment planning system (RSauto), where CBCT voxels are binned into six density levels, were assessed and validated. Dose-difference maps and dose-volume statistics were used to compare the CBCT dose distributions with the ground truth of a planning CT acquired the same day as the CBCT.
Results: For pelvic cases, all CTN calibration methods resulted in average dose-volume deviations below 1.5 %. RSauto provided larger than average errors for pelvic treatments for patients with large amounts of adipose tissue. For H&N cases, all CTN calibration methods resulted in average dose-volume differences below 1.0 % with CBCTr (0.5 %) and RSauto (0.6 %) performing best. For lung cases, WL and RSauto methods generated dose distributions most similar to the ground truth.
Conclusion: The RSauto density override approach is an attractive option for CTN adjustments for a variety of anatomical sites. RSauto methods were validated, resulting in dose calculations that were consistent with those calculated on diagnostic-quality CT images, for CBCT images acquired of the lung, for patients receiving pelvic RT in cases without excess adipose tissue, and for H&N cases.
Ziel: Ziel dieser Arbeit ist der Vergleich und die Validierung mehrerer CT-Kalibrierungsmethoden zur Dosisberechnung auf der Grundlage von Kegelstrahlcomputertomographie(CBCT)-Aufnahmen.
Methoden: Bei 4 Becken-, 3 Lungen- und 4 Kopf-Hals-Patienten wurde die Genauigkeit der Dosisberechnung auf der Basis von CBCT-Aufnahmen für die folgenden Ansätze untersucht: einerseits Rekonstruktion der CBCT-Aufnahmen mithilfe eines Streukorrekturalgorithmus (CBCTr) und andererseits 3 verschiedene Methoden zur expliziten Zuweisung der Elektronendichten auf Basis des CBCT-Datensatzes (W: Zuordnung von Wasserdichte auf dem gesamten CBCT, WB: Zuordnung von entweder Wasser- oder Knochendichte, WL: Zuordnung von entweder Wasser- oder Lungendichte) sowie der in einem kommerziellen Planungssystem implementierten Methode der automatischen Zuordnung von 6 Dichtestufen auf Basis der CBCT-Hounsfield-Werte (RSauto). Als Grundlage zur Evaluierung der Methoden diente die Dosisverteilung, welche anhand einer am gleichen Tag wie die CBCT aufgenommenen Planungs-CT berechnet wurde. Die Genauigkeit der einzelnen Ansätze wurde anhand von Dosis-Volumen-Statistiken und lokalen Dosisunterschieden beurteilt.
Ergebnisse: Bei den Datensätzen mit Tumoren im Beckenbereich ist die mittlere Dosisabweichung für alle Kalibrierungsmethoden unter 1,5 %, wobei RSauto in einer überdurchschnittlichen Abweichung für Patienten mit einem höheren Anteil von Fettgewebe resultiert. Die mittlere Abweichung für Kopf-Hals-Patienten beträgt unter 1,0 %, wobei CBCTr (0,5 %) und RSauto (0,6 %) am besten abschneiden. WL und RSauto resultieren für die Patienten mit Lungentumoren in Dosisverteilungen, welche der Referenzdosisverteilung entsprechen.
Schlussfolgerung: RSauto zur Kalibrierung von CBCT-Aufnahmen zur Dosisberechnung ist eine aussichtsreiche Methode für die untersuchten Indikationen. Es wurde gezeigt, dass mithilfe von RSauto die Dosisberechnung auf der Basis von CBCT-Aufnahmen von Lungen- und Kopf-Hals-Erkrankungen sowie für Tumoren im Beckenbereich bei Patienten ohne ein Übermaß an Fettgewebe in einer akkuraten Dosisverteilung resultiert.
Keywords: Adaptive radiation therapy, ART; Cone beam computed tomography; Density; Dose calculation; Hounsfield units.