Bezpečnost provádění radioterapie v oblasti hlavy a krku v České republice

Na této stránce jsou uvedeny vybrané výsledky projektu TAČR Beta 2 TITSSUJB910 zabývajícího se Bezpečností radioterapie v oblasti hlavy pomocí moderních radioterapeutických metod. Předmětem projektu bylo provést v období 2020 - 2023 plošnou studii s fantomem hlavy, který v sobě obsahoval dva cílové objemy (nazofaryng, glioblastom) s fantomem hlavy. Hodnotila se pak shoda naměřené a naplánované dávky v bodě a ve vybrané rovině. Rovněž se provedlo porovnání plánů napříč pracovišti se zohledněním použitých technik plánování léčby a daného přístrojového vybavení.

V grafech níže jsou číslem označena ta pracoviště, pro která stanovená hodnota byla významně odlišná od hodnot získaných na ostatních pracovištích a lze je tedy považovat za odlehlé. Pokud jste jedno z pracovišť, které se účastnilo porovnání, a zajímaly by Vás výsledky získané pro Vaše pracoviště, obraťte se prosím na email vyzkum@radiacniochrana.cz.

Ve fantomu jsou vyvrtány otvory, do kterých je možné vložit ionizační komoru typu Semiflex. Pro každý typ cílového objemu (nazofaryng, glioblastom) se ověřovala bodově dávka v cílovém objemu a v kritickém orgánu. Komory se umisťují buď ze strany od krku (nazofaryng) nebo od temene hlavy (glioblastom). Na obrázcích níže jsou znázorněny vyvrtvané otvory indikující polohu cílových objemů i kritických orgánů.

Prostřednictvím vyvrtaných otvorů je definována jednoznačná geometrie, která je shodná pro všechna pracoviště. Zadání znělo připravit klinicky přijatelný radioterapeutický plán dle zvyklostí pracoviště. Na obrázcích níže jsou zakreslené cílové objemy a kritické orgány včetně 3D modelu obou struktur pro nazofaryng a pro glioblastom.

Při nezávislé prověrce se ověřovala shoda dávky v cílovém objemu (PTV) a kritickém orgánu ionizačními komorami Semiflex a shoda plošné dávkové distribuce pro exportovanou dávkovou rovinu z plánu a distribuci stanovenou filmovou dozimetrií. Pro každý plán bylo extrahováno celkem 113 parametrů, z nich nejdůležitější byly dávka v kritickém orgánu, dávka v cílovém objemu, CT čísla a relativní elektronového hustoty (mající vliv na způsob, jakým plánovacím systém provádí korekci na přítomnost jiných tkání než je měkká tkáň), zakreslované objemy. V projektu byly porovnávny mezi sebou plány nazofaryngu a plány glioblastomu. Bylo možné porovnat mezi sebou jednotlivá pracoviště a určitě odlehlé hodnoty u hodnocených parametrů. V rámci projektu se hodnotila radiční zátěž mozkového kmene a zjišťovalo se, zda je statisticky významně rozdílná napříč pracovišti při realizaci standardní dávky do cílového objemu. Rovněž se mezi sebou porovnávaly radioterapeutické modality a algoritmy pro výpočet dávky. Možné bylo i analyzovat různé způsoby provádění gama analýzy (2D, 2.5D, 3D).

Celková dávka stanovená ionizační komorou v sobě obsahuje dílčí odchylky způsobené kalibrací ozařovače, korekcí na jiný materiál než je voda a rovněž složitost radioterapeutického plánu s ohledem na pohyb lamel vícelamelového kolimátoru a rotaci ramene urychlovače.

Celkem bylo ověřeno 27 modalit. 22x se jednalo o klasický lineární urychlovač, dále jeden protonový ozařovač, 2 ozařovače CyberKnife a 2 ozařovače tomoterapie. Lišily se i ověřované typy plánovacích systémů, které jsou však závislé na výrobci. Jednalo se 10x o algoritmus Monte Carlo, 7x AAA, 6x Acuros, 2x Collapsed Cone, 1x PBC a 1x RayTracing. 

Typ urychlovače a plánovacího systému se projevil pouze v případě stanovení objemu struktury chiasma opticu (zrakového nervu), který je obecně velmi malý. Pracoviště zakreslovala významně větší objemy v případě plánovacího systému Monaco (Elekta), viz obrázek níže. Tato pracoviště zakreslovala objemy na větším počtu řezů.

Pracoviště se lišila v předepsané dávce do nazofaryngu i do glioblastomu, jak je patrné z histogramů níže (na ose x je dávka v Gy). 

Z obrázků výše je zjevné, že předepsané dávky jsou poměrně dobře standardizované, přičemž nejčastěji je pro plány nazofaryngu předepisována dávka 70 Gy. Nejčetnější předpis dávky u plánů glioblastomu je 60 Gy.

Na obrázcích níže jsou zobrazeny dílčí odchylky (v %) pro celkovou dávku stanovenou ionizační komorou pro lokalitu nazofaryng a glioblastom. Odchylka D1 představuje dílčí odchylku způsobenou kalibrací ozařovače, odchylka D2 představuje dílčí odchylku způsobenou korekcí na jiný materiál než je voda a dílčí odchylka D3 souvisí se složitostí radioterapeutického plánu s ohledem na pohyb lamel vícelamelového kolimátoru a rotaci ramene urychlovače.

Každý dozimetrický řetězec je zatížen nejistotou tvořenou dílčími nejistotami, z nichž primární je nejistota kalibračního faktoru. Ta bude zřejmě zjištěné vychýlení ovlivňovat nejvíce. Celkové odchylky (Dtot_PTV, viz obrázky níže) pro konkrétní plány získané při nezávislé prověrce je nutné analyzovat s vědomím, že jsou ovlivněny zjištěným vychýlením. Přesto je medián výsledné odchylky pro radioterapeutické plány blízký nule (-0,2 % pro plány nazofaryngu, -0,3 % pro plány glioblastomu). Pravděpodobně se jedná o falešně příznivější výsledek než by byl bez vychýlení dozimetrického řetězce. Uvedená úvaha jen podtrhuje důležitost vyjádření nejistoty stanovení absorbované dávky při nezávislých prověrkách v protokolech.

Na obrázku níže jsou pro jednotlivá pracoviště zobrazeny odchylky průměrných dávek v mozkovém kmenu pro lokalitu nazofaryng.

Dávkově objemový histogram pro chiasma optiku, mozkový kmen (brainstem) a PTV pro plány glioblastomu pro data ze všech pracovišť (obrázek níže).

Na obrázcích níže je pro jednotlivá pracoviště zobrazen podíl generalizované ekvivalentní uniformní dávky (gEUD) a předepsané dávky. 

Obrázky níže znázorňují střední generalizovanou ekvivalentní uniformní dávku v mozkovém kmeni na jednotlivých pracovištích.

Na obrázku níže jsou vizualizovány hodnoty proměnných, které jsou alespoň částečně spojité. Protože obecně všechny hodnocené parametry nabývají různých hodnot (nejen ve smyslu středních hodnot, ale i rozsahu hodnot), bylo je nutné pro účely vizualizace vycentrovat a přeškálovat. Tato transformace byla provedena tak, že každá z veličin nabývá hodnot -10 až 10. Tento obrázek má sloužit k představě o variabilitě různých parametrů napříč pracovišti. Očíslovaná pracoviště/plány jsou na ose y. Světlejší odstíny znamenají běžné hodnoty, tmavší odstíny pak hodnoty vzdálenější od zbytku hodnot. Vizualizace slouží k upozornění na nezvykle vysoké nebo nízké hodnoty a přinášejí rychlou představu o datech. Zajímavé je sledovat, zda se nezvyklé hodnoty kumulují u některého z pracovišť. Chybějící hodnoty v datech (např. z důvodu, že pracoviště parametr nestanovovalo nebo se na pracovišti provedla nezávislá prověrka pouze pro jednu anatomickou oblast) se značí symbolem „X“.

V datech je poměrně častý výskyt odlehlých hodnot. Odlehlá nebo vzdálená hodnota nemusí nutně znamenat chybu v datech. Může se skutečně jednat o nevyhovující výsledek. Odlehlé hodnoty v datech lze vizualizovat obdobným způsobem jako rozptyl hodnot, viz obrázek níže. Tmavé odstíny značí hodnoty, které lze v určitém smyslu považovat za velmi vzdálené ostatním hodnotám. Mnoho veličin nemá symetrické rozdělení, což je ve vizualizaci zohledněno (např. pokud mají data rozdělení, které je asymetrické s těžším pravým chvostem, musí být data v pravé části rozdělení více vzdálená od ostatních hodnot, aby nabyly stejných hodnot odlehlosti než od středu méně vzdálená data nalevo). 

Odlehlé hodnoty mají tendenci se shlukovat, což je u některých skupin parametrů očekávatelné. Demonstrovat to lze na plánu č. 4 (na obrázku výše), kde jsou odlehlé hodnoty popisující dávkovou statistiku pro kritický orgán chiasma optiku pro plán nazofaryngu. Konkrétně v tomto případě je odlehlost způsobená tím, že fantom hlavy byl významně zrotovaný při snímkování na CT, protože bylo nutné hlavu více zaklonit tak, aby její pozice lépe odpovídala poloze, ve které se ozařují reální pacienti. Tím se chiasma optiku dostalo do naprosto jiné polohy, než by tomu bylo v případě, že by se hlava nezakláněla. V tomto konkrétním případě jsou „odlehlé“ vyšší hodnoty dávkové zátěže chiasma optiku naopak blíže reálné situaci, ve které jsou pacienti ozařováni. Na druhou stranu byl kompromis v radiační zátěži chiasma optiku kompenzován nižší dávkovou zátěží v mozkovém kmeni.

Kendallova korelace mezi veličinami je zobrazena na obrázku níže. Zobrazeny jsou pouze hodnoty, u nichž korelace vychází statisticky významně odlišná od 0. Levá dolní trojúhelníková matice vyjadřuje korelace při zanedbání mnohonásobného testování. V pravé horní trojúhelníkové matici jsou zobrazeny pouze hodnoty, které vyšly významně odlišné od 0 při adjustaci vůči mnohonásobnému testování. 

Obrázek níže porovnává hodnoty gEUD pro mozkový kmen pro plány radioterapie nazofaryngu (naso) a glioblastomu (glio) včetně 95% konfidenčního intervalu. Přerušovaná čára značí odhad středních hodnot pro plány nazofaryngu a glioblastomu. Střední hodnoty mezi plány nazofaryngu a glioblastomu pro mozkový kmen se liší o více než 8 Gy a dle očekávání je mozkový kmen méně ozářen pro plány nazofaryngu (u glioblastomu je mozkový kmen součástí cílového objemu). Je proto poměrně překvapivé, že pro pracoviště 16, 19, 18 a 27 je dávka na mozkový kmen u plánu glioblastomu buď stejná nebo nižší než v případě nazofaryngu. Mohlo by tomu tak být v případě, kdy strategií pracoviště v případě ozáření glioblastomu bude prioritou šetřit mozkový kmen, nikoliv dostatečně prozářit cílový objem. U pracoviště č. 16 je rozdíl v gEUD pro plán nazofaryngu a glioblastomu statisticky významný.

Pro všechna pracoviště a pro všechny plány byla provedena důkladná analýza. Z datasetu však lze vybrat parametry, které poukazují na kvalitu radioterapeutických plánů a vytvořit pořadí od nejlepšího po nejhorší dle hodnocených parametrů. Byla proto vytvořena metrika, která slouží k vytvoření celkového pořadí při uvážení jak dozimetrických výsledků, tak charakteristik vytvořených plánů.

Do hodnocení byly zahrnuty následující parametry:

-          Poměr dávky v PTV a dávky v kritickém orgánu, kde se stanovovala dávka ionizační komorou, přičemž obě dávky jsou průměrné dávky spočtené plánovacím systémem

-          Celková odchylka stanovená ionizační komorou v PTV

-          Celková odchylka stanovená ionizační komorou v příslušném kritickém orgánu

-          Výsledek gama analýzy při sesazení filmu a exportované roviny dle značek na filmu

-          Výsledek gama analýzy při ideálním sesazení

-          Index homogenity v PTV

-          Podíl gEUD v cílovém objemu a předepsané dávky

-          Podíl gEUD v cílovém objemu a gEUD v kritickém orgánu (u nazofaryngu podíl vůči dávce v mozkovém kmeni, u glioblastomu vůči mozkovému kmeni a chiasma optiku)

-          gEUD v příslušných kritických orgánech (chiasma optiku a mozkovém kmeni u plánu nazofaryngu, chiasma optiku u plánu glioblastomu)

Pro každý z parametrů bylo vytvořeno pořadí od nejpříznivějšího po nejhorší výsledek daného parametru, a plán pak byl opatřen příslušným počtem bodů. Body v podstatě představují penalizaci za daný parametr. Jako nejlepší plán je potom hodnocen ten, který v součtu přes všechny hodnocené parametry obdrží nejmenší počet bodů.

U všech parametrů kromě gama analýzy a poměru gEUD v cílovém objemu a předepsané dávky bylo bodové ohodnocení lineárně rozprostřené mezi nejlepším a nejhorším plánem a to tak, že nejlepší plán získal 1 bod a nejhorší plán takový počet bodů, které odpovídal počtu hodnocených plánů. Vždy se tedy přičítal ke každému následujícímu pořadí 1 bod.

U poměru gEUD v cílovém objemu a předepsané dávky nedává smysl penalizovat plány, které mají tento poměr větší než jedna. Znamená to, že je sice do cílového objemu doručena lehce vyšší dávka, což může být záměr, a pokud jsou dodrženy dostatečně nízké dávky v kritických orgánech, nedává smysl plány penalizovat. Penalizace proto byla provedena až v případě, kdy byl tento poměr menší než 1, což indikuje nedozáření cílového objemu.

Protože výsledky gama analýzy jsou poměrně zásadní, byly penalizační body rozděleny jiným způsobem než u ostatních parametrů. Jedná se o parametr, kterému byla přidána vyšší váha tak, že se výsledné penalizační body počítaly přímo dle výsledků. Pokud plán obdržel gama skóre rovné 100 %, nebyl udělen žádný penalizační bod. Další body byly jednoduše spočteny jako (100 – gama skóre). Toto rozdělení bodů bylo provedeno jak pro gama analýzu provedenou z filmů sesazených s exportovanou rovinou dle značek, tak i pro ideální sesazení.

V tabulkách níže jsou seřazeny plány od nejlepšího po nejhorší dle vybrané metriky pro oba typy plánů. Čísla plánů jsou zvolena tak, že pokud je číslo plánu stejné u nazofaryngu i glioblastomu, byly vytvořeny na stejném pracovišti. Pořadí pro oba typy plánů není stejné, ale lze říci, že se pracoviště pro oba plány nachází přibližně ve stejné oblasti tabulky, rozdělíme-li ji na horní a spodní část. Jinými slovy, pokud pracoviště vytvořilo kvalitní plán v porovnání s ostatními pro nazofaryng, často vytvořilo i kvalitní plán pro glioblastom. K celkovému hodnocení přispívá vyšší vahou výsledek gama analýzy. Větší rozdíly v kvalitě plánů byly pozorovány spíše u plánů nazofaryngu než u plánů glioblastomu.

Hvězdičkou (*) jsou v tabulce výše označena pracoviště, na kterých je předepsaná dávka do PTV nižší než 70 Gy (pro plán nazofaryngu), a jsou tak proti ostatním pracovištím zvýhodněna. 

Hvězdičkou (*) jsou v tabulce výše označena pracoviště, na kterých je předepsaná dávka do PTV nižší než 60 Gy (pro plán glioblastomu), a jsou tak proti ostatním pracovištím zvýhodněna.

Je nutné zdůraznit, že řazení je zatíženo vlastnostmi zvolené metriky hodnocení kvality plánů. V případě, že by se jiným způsobem vážily parametry, které byly poté penalizovány daným počtem bodů, ovlivnilo by to samozřejmě i výsledné pořadí. V našem případě byly váhy vstupujících parametrů rovnocenné a rozhodovalo pouze pořadí daného plánu či pracoviště vůči ostatním, vyjma gama analýzy, u které hrála roli přímo hodnota gama skóre. Důležité je uvést, že v hodnocení nehrála roli volba předepsané dávky, která u některých pracovišť byla jiná, než jsou v současné době standardně doporučované hodnoty. Penalizace pro nestandardní předpisy však nebyla provedena, protože se jedná o parametr, který volí radiační onkolog (radiologický fyzik dávku nepředepisuje). Pracoviště s předepsanou dávkou nižší než 70 Gy u nazofaryngu a 60 Gy u glioblastomu jsou v tabulkách označeny hvězdičkou. Jiné předpisy dávky samozřejmě potom budou ovlivňovat dávky v kritických orgánech, a ty byly již do hodnocení plánů zahrnuty. Plán s nižší předepsanou dávkou do PTV bude zvýhodněn, protože nemusí být tak složité dodržet v plánu nižší dávky do kritických orgánů, a skutečně se stalo, že na předních příčkách jsou plány, které mají nižší předepsanou dávku. Tento aspekt však při hodnocení plánů nebyl uvažován.