Strålning planering assistent - en strömlinjeformad, automatiserad helt dosplaneringssystem för strålbehandling

Summary

Strålbehandling är en mycket komplex cancerbehandling som kräver flera specialister för att skapa en behandlingsplan och tillhandahålla kvalitetssäkring (QA) före leverans till en patient. Det här protokollet beskriver användningen av ett helautomatiskt system, den strålning planering assistent (RPA), att skapa högkvalitativa strålning behandlingsplaner.

Abstract

Den strålning planering assistent (RPA) är ett system utvecklat för helautomatiska skapandet av strålbehandling behandlingsplaner, inklusive volym-modulated arc therapy (VMAT) planer för patienter med huvud och hals cancer och 4-fältet box planer för patienter med livmoderhalscancer. Det är en kombination av speciellt utvecklade in-house programvara som använder ett programmeringsgränssnitt för att kommunicera med en kommersiell strålbehandling dosplaneringssystem. Det gränssnitt också med en kommersiell sekundära dos verifiering programvara. Nödvändiga ingångar i systemet är en behandling planera ordning, godkänts av strålning onkolog, och en simulering beräknade datortomografi (CT) bild, godkänd av röntgenskötare. RPA sedan genererar en komplett strålbehandling behandlingsplan. För livmoderhalscancer behandlingsplaner krävs inga ytterligare användaråtgärder tills planen är klar. För huvud och hals behandlingsplaner, efter den normala vävnaden och några av målstrukturer automatiskt streckat tecknas på CT bilden, måste strålterapeuten granska konturer, att göra ändringar om det behövs. De avgränsa också volymen brutto tumör. RPA fullbordar sedan behandling planeringsprocessen, skapa en VMAT plan. Slutligen måste den färdiga planen granskas av kvalificerad kliniska personal.

Introduction

Den internationella atomenergiorganet (IAEA) rekommenderar 1 behandling planner per 300 patienter i strålbehandling kliniker, och 1 strålning fysiker per 400 patienter behandlas årligen¹. I många länder kombineras dessa roller (behandling planner och fysiker). I andra länder ta de strålning terapi teknologer (kallas ofta för röntgensjuksköterskor) också på en dosplanering roll. Låg - och medelinkomstländer (LMICs) har allvarliga brister i strålterapeuter, sjukhusfysiker och strålning terapi teknologer. 2020 uppskattas det att vi kommer att behöva en ytterligare 12.000 strålterapeuter, 10.000 sjukhusfysiker och 29.000 teknologer. ². dessa uppskattningar baseras på data från olika datamängder i public domain (e.g., IAEA), med bemanning nivåer baserat på rekommendationer från European Society for strålbehandling & onkologi (ESTRO) och IAEA³. Utbildningsbehov är enorma. Exempelvis för sjukhusfysiker rekommenderar de flesta riktlinjer en 2 till 3 år praktik eller uppehållstillstånd, ofta efter slutförandet av medicinsk fysik graduate school^4,5,6. Detta 4-årigt åtagande innebär att 40 000 årsarbeten utbildning behövs bara för att ta itu med den globala bristen i sjukhusfysiker ensam.

Automatisering av dosplanering kunde minska några av bristerna bemanning, särskilt sjukhusfysiker och planering personal. Automatiserad planering kan minska den tid som strålterapeuter spendera på dosplanering³ och säkerligen har viktiga roller i ritning strålning behandling beam öppningar. Detta arbete beskriver driften av en helt automatiserad dosplaneringssystem, den strålning planering assistent (RPA), utvecklat under ett projekt finansierat av National Cancer Institute att i slutändan förbättra tillgången till högkvalitativ strålbehandling över hela världen ⁷.

Figur 1 visar en översikt över den automatiserade behandling som planeringsprocessen som genomförts i RPA. Behandling planeringsuppgifter utförs med antingen funktioner i det dosplaneringssystem (se Tabell av material för planeringssystemet används), kontrollerade med hjälp av application programming interface (API), eller med hjälp av internt utvecklat funktioner. En nyckelkomponent i RPA är oberoende verifiering av alla aktiviteter som har varit automatiserad⁸. Detta uppnås med hjälp av andra, annorlunda av algoritmer och funktioner. Resultaten av de primära algoritmer, som används för behandlingsplan, jämförs med resultaten av de sekundära algoritmen, och flaggas om skillnaden är större än en förutbestämda kriterier⁹. Behandlingen planerar att passera den oberoende kontroller och ytterligare manuella kontroller av lokal personal är redo att användas för patientens behandling. Utdata dokumentationen av RPA har utformats särskilt för att effektivisera processen manuell kontroll.

Arbetsflödet för RPA systemet ur användarnas synvinkel visas i figur 2. Indata till systemet är en godkänd plan order och en godkänd CT-bild. Strålterapeuten skapar och godkänner ordern plan som innehåller grundläggande patientinformation och information om förväntade planen (recept, behandling typ, etc.). CT bild uppsättningen måste också godkännas (av CT teknikern). Detta är att se till att planen beräknas på den rätta CT-bilden. Detta är viktigt, till exempel när flera CT bild-apparater tas av en enda patient. När RPA får en godkänd plan order och en godkänd CT bild uppsättning, behandlingsplan genereras automatiskt. I vissa fall, såsom när du skapar 4-fältet box livmoderhalscancer behandlingar, följande steg är helt automatiserad, och inga ytterligare användaråtgärder behövs tills är behandlingsplan redo. I andra fall, såsom skapandet av huvud och hals VMAT behandlingsplaner, behövs ingripande halvvägs genom automatiserad behandling. Huvud och hals planer krävs strålterapeuten till granskning eller redigera genereras automatiskt konturer. De behöver också avgränsa brutto tumör volymen (GTV). I den här situationen efter mottagande godkända planen order och CTs, utför RPA några inledande contouring uppgifter, inklusive konturering av normal vävnad och vissa mål. Strålterapeuten sedan granskar och godkänner konturer, och RPA fortsätter med resterande behandling planeringsuppgifter. Det nuvarande systemet har testats med 6 MV och 18 MV röntgen balkar för huvud och hals och livmoderhalsen behandlingsplaner, respektive, båda med flackare filter. När behandlingsplan är klar skapas ett dokument för granskning och godkännande av lämpliga kliniska personalen, t.ex., fysiker och strålterapeuter. Några av dessa uppgifter kan delegeras till annan personal.

Modern behandling planeringssystem redan erbjuder några automatiserade planeringsprocesser. RPA integrerar dessa, när så är möjligt, erbjuda en komplett automatiserad planeringsprocessen, så att användaren kan skapa behandlingsplaner utan att behöva öppna en komplicerade dosplanering systemgränssnitt. Detta manuskript beskrivs i protokollet för RPA, och sedan presenterar några exempel på resultat för produktionen av behandling planeringsprocessen.

Protocol

Alla patientuppgifter som används för att utvärdera RPA användes retroaktivt, med godkännande från University of Texas MD Anderson institutionella Review Board.

1. övervaka planering framsteg

1. Öppna den strålning planering Assistant Control Center arbetsytan och logga in.
2. För att se alla patientuppgifter som är aktiv, klicka på Alla patienter.
3. För att hitta en patient av deras medicinska post nummer (MRN), klicka på Välj Patient.
4. Om du vill se status för planen för alla patienter som har en godkänd CT eller godkänd titta Plan ordning (eller båda), i avsnittet RPA Plan . Statusalternativen sammanfattas omedelbart ovanför detta avsnitt och i avsnittet meddelande .
5. För att granska Detaljer för någon färdig plan, klicka på patienten (i avsnittet RPA). Detaljer för sin plan ordning och CT kan också ses i avsnitten Plan ordning och CT godkännande .
   1. Klicka på Godkännför att godkänna en färdig plan. Det finns vissa nivåer av godkännande (läkare, fysiker och tekniker) som kan ställas in för varje institution.
6. Granska RPA uppgift historia, klicka på logg.
7. För att granska Detaljer för varje plan beställning (inklusive sådana som ännu inte har godkänts), klicka på en patient i avsnittet Planera ordning .
8. För att granska Detaljer för varje CT bild (inklusive sådana som ännu inte har godkänts), klicka på en patient i avsnittet CT godkännande .

2. planera ordning godkännande

Obs: Planerar för godkännande (vanligtvis genom strålning onkolog) krävs innan RPA skapas en behandlingsplan.

1. Öppna arbetsytan Planera ordning . Använd ikonen fristående eller göra detta från arbetsytan Strålning planering assistent Control Center .
2. Skapa en ny plan för följande.
   1. Klicka på ny.
   2. Fylla i avsnitt 1 - demografi; Detta avsnitt är alltid densamma.
      1. Ange medicinsk datapostnumret och patientens namn.
      2. Välj webbplatsen för lämplig behandling. Välj mellan huvud och hals, livmoderhalsen, bröstcancer och andra.
         Obs: Denna lista kommer att öka som vår utveckling ansträngningar framsteg. Detta urval ändras de val som erbjuds i avsnitt 3 nedan.
   3. Slutföra avsnitt 2 - allmän behandling; Detta avsnitt är alltid densamma.
      1. Komplett på frågor om sex-och/eller graviditet, tidigare bestrålning, pacemaker och andra implantat.
      2. Slutföra frågan på Autostart eller tekniker.
         Obs: Att välja autostart kommer att resultera i den RPA automatiskt startar planeringsprocessen när det finns både en godkänd Plan Order och en godkänd CT-bild. Välja tekniker kommer att kräva en tekniker för att starta den automatiska planeringsprocessen. Detta kan göras i arbetsytan Control Center.
   4. Komplett avsnitt 3 - behandling specifika.
      Obs: Detta exempel är för huvud och hals behandlingar.
      1. Välj huvud och hals primära webbplats och positiva lymfkörtlar engagemang genom att välja lämplig alternativknapp; följande avsnitt markeras automatiskt baserat på dessa val.
      2. Bekräfta eller ändra avsnitten om livmoderhalscancer hals och retrofaryngeal lymfkörtel täckning, genom att välja lämplig alternativknapp. Välj sedan lämplig alternativknapp anger huruvida dessa motsvarar CTV1 eller CTV2 (CTV: kliniska målvolymen).
      3. Välj behandling maskin och behandlingsteknik.
      4. Välj den behandling strategin genom att klicka på lämplig alternativknapp (detta exempel är för VMAT behandlingar).
         1. Bekräfta eller ändra behandling recept. Ändra receptet, ange doserna som krävs bråkdel i textrutor.
         2. Bekräfta lämpligheten av normal vävnad dosrestriktioner.
   5. Spara ordern Plan; en pdf av plan för ordern ska genereras.
   6. Granska den slutliga plan ordningen.
      1. Om den slutliga plan ordningen är korrekt, klicka på Godkänn.
      2. Om den slutgiltiga planera ordningen är felaktig, klicka på Redigera och gör ändringar som behövs.
3. Nära arbetsytan Planera ordning .

3. CT bild godkännande

Obs: CT godkännande krävs innan RPA skapas en behandlingsplan.

1. Öppna arbetsytan CT godkännande .
   Obs: Detta kan göras från ikonen fristående eller från arbetsytan Strålning planering assistent Control Center .
2. Klicka på datortomografi att det ska godkännas.
   Obs: Om datortomografi inte visar, det har inte tagits emot av RPA.
3. Granska CT skivor centrerad på isocenter.
   1. Klicka på Load alla att granska alla CT-bilder.
   2. Granska isocenter läge och CT bildkvalitet.
4. Om CT bilder, antal segment, orientering och data är korrekta, klicka på Godkänn.

4. initiera automatisk dosplanering

Obs: Detta steg behövs bara om Autoplan börja (i ordningen som plan) är inställd på tekniker.

1. Välj rätt patient/planen Order/CT i Kontrollcenter arbetsytan och klicka på Lägg till RPA Plan.

5. contouring granskning och godkännande

Obs: För vissa behandlingar, såsom huvud och hals VMAT, contouring granskning och godkännande krävs. Detta utförs vanligtvis av strålning onkolog.

1. Vänta tills statusen patientdata att indikera W (vänta) i control center; Det är nu redo för contouring granskning.
2. Klicka på den W -ikonen, eller på ROI godkännande (ROI: Region-of-intresse). Observera att arbetsytan Contouring granskning och godkännande kommer att öppna.
   NOTE: Konturer som finns här beror på vilken typ av plan som ska genereras (vald i den ordning som Plan).
3. Granska alla skålade vävnader/mål. Redigera strukturer, först markera strukturen av intresse (pulldown lista), och sedan klicka på ikonen Nudge och redigera konturen på varje CT-skiva.
4. Om nödvändigt (t.ex. för huvud och hals planer), manuellt avgränsa den brutto tumör volym (GTV) och positiva lymfkörtlar. För att göra detta, Välj strukturen av intresse (t.ex., GTV) i listrutan, klicka på ikonen manuell avgränsning och rita strukturen på varje CT-skiva.
5. Skapa kliniska målvolymen (CTV1) (för huvud och hals fall)
   1. Expandera den GTV och positiva lymfkörtlar, klicka på GTV -> CTV.
   2. För att manuellt rita CTV1, Välj CTV1 från listan över strukturer (pulldown lista), klicka på ikonen manuell avgränsning och rita strukturen på varje CT-skiva.
   3. Granska och redigera CTV1, som behövs.
6. Skapa mål volymer (PTVs).
   1. Klicka på CTV -> PTV. Granskning.
   2. Redigera vid behov, men kom ihåg dessa expansioner redogöra för de många osäkerheterna i både contouring och patientens inställning. Om du vill redigera PTV, Välj den lämpliga PTV i listrutan, klicka på ikonen Nudge (eller en av de andra redigering ikonerna),
7. Godkänna konturer.
   1. Granska alla konturer och klicka sedan på Godkänn ROI. När ROIs är godkända, fortsätter behandlingen planeringsprocessen automatiskt. Var uppmärksam på alla varningsmeddelanden och lägga till förklarande anmärkningar, som behövs.

6. strålbehandling Plan granskning och godkännande

1. Granska behandlingsplan när den är klar för granskning; Det verkar som ett Plan i dokument (PDF-format) i Kontrollcenter.
   Obs: Planen kan ses i etapper (som kan kombineras, beroende på tillgänglig personal). Lämplig översyn scenen visas i sidfoten på varje sida.
2. Utföra teknisk översyn.
   Obs: Detta kan kombineras med översynen fysik.
   1. Granska förstasidan.
      1. Granska och säkerställa att de demografiska patientdata, recept och planera detaljer är lämpliga.
      2. Kontrollera att alla automatiska plan kontroll kontroller var framgångsrika.
   2. Kontrollera den markerade isocenter.
      1. Svara på frågorna i formuläret att kontrollera att den markerade isocenter identifierades korrekt. Jämför med biblioteket fall som behövs.
   3. Utföra kropp kontur granskning.
      1. Svara på frågor för att kontrollera att kroppen var korrekt Konturskurna. Jämför med biblioteket fall som behövs.
   4. Utföra fält Aperture recension.
      1. Svara på frågorna i formuläret att kontrollera att fältet öppningar är lämpliga.
   5. Utföra dos Distribution granskning.
      1. Svara på frågorna i formuläret att kontrollera för lämplig dos beräkning
   6. Att godkänna eller avvisa denna plan, klicka på Tech. Godkänn.
3. Utföra läkare granskning.
   1. Beroende på behandling kan granska dos distributioner och fältet öppningar.
   2. Ändra godkännandestatus för denna plan att godkänna eller förkasta, klicka på MD godkänna.
4. Utföra fysik granskning.
   1. Gå igenom planen med hjälp av standardprocedurer. Se följande riktlinjer för kompletterande kontroller.
   2. Granska den läkare översyn och teknisk översyn avsnitt.
   3. Granska resultaten av de oberoende verifieringen QA: tabell borttagning, kropp kontur check, isocenter kontrollera.
   4. Granska resultaten av ytterligare oberoende kontroller som är specifika för webbplatsen behandling - till exempel block checken för 4-fältet livmoderhalsen behandlingar.
   5. Granska resultaten av jämförelser av parametrarna fältet och plan med de från patientpopulationen.
   6. Granska rapporten dos verifiering.
   7. Granska ytterligare data. Ytterligare data i slutet av dokumentet bör ses över för konsekvens - Detta inkluderar den ursprungliga planera ordning och CT godkännande.
   8. Ändra godkännandestatus för denna plan att godkänna eller förkasta, klicka på Fysik godkänna.

7. slutliga planen överföring

1. När planen är godkänd, exportera den. Nästa steg är beroende av den lokala installationen, post-och-kontrollera programvara och dosplaneringssystem. De är också beroende av etik protokoll och lokala kliniska arbetsflödet. Följande är stegen är exempel på lämpliga åtgärder.
2. Överföra DICOM-plan till lokala posten-och-kontrollera (R & V) system.
3. Använda ett verktyg för att jämföra den ursprungliga planen med det i R & V systemet (för att kontrollera korrekt dataöverföring).

Representative Results

Ett exempel behandling planera Order skapas för huvud och hals fall visas i figur 3. Figur 4 visar dosfördelningen för en automatiskt genererad VMAT-plan för en patient med en bas av tungan skivepitelcancer^7,10. En översyn av en behandlande strålterapeuten bekräftade att denna plan var godtagbar för behandling. I genomsnitt huvud och hals VMAT planerna ta 46 minuter för en 2-arc-plan, och vi förväntar oss att få detta ner till mindre än 30 minuter med en snabbare algoritm för beräkning av dos och en distribuerad arkitektur för den automatiserade contouring steg.

Figur 5 visar automatiskt genererade fält öppningar för en 4-fältet box behandling för en patient med livmoderhalscancer. Granskning av en erfaren strålterapeuten bekräftade kliniska ändamålsenligheten i 90-96% av dessa fält^7,11. Dessa planer tog i genomsnitt 21 minuter.

När behandlingsplan är klar skapas automatiskt dokumentation för granskning av strålterapeuter, teknisk personal, sjukhusfysiker och röntgensjuksköterskor. Vi har utformat en illustrerad förfarande som leder användaren genom kontroller markerade isocenter och kropp kontur identifiering, konsekvens av patientens orientering/lateralitet/behandlingsområdet, fältet öppningar (t.ex. en 4-fältet box) och förekomsten av bild eller dosen beräkning artefakter¹². Varje steg av förfarandet har enkla instruktioner och bibliotek exempel som användaren kan hänvisa. Ett exempel på instruktionerna visas i figur 6.

Även om behovet av fysik och strålskydd onkolog översyn är väl dokumenterat, har rollen av ytterligare personal inte utvärderats. Vi bedömde detta genom att skapa plan dokument för 16 livmoderhalscancer patienter, varav 12 ingår avsiktliga fel: felaktig isocenter (3 fall), felaktiga kroppens kontur (3 fall), felaktig CT soffan borttagning (1 fall), felaktiga fältet öppningar (5 fall), felaktig dos beräkningen (1 fall), och felaktigt antal fält (1 fall). Dessa planer har sedan granskats av 4 volontärer med minimal erfarenhet inom strålbehandling och ingen erfarenhet kontrollera planer. Den slutliga versionen av planen dokumentation krävs ~ 30 minuter av träning. I genomsnitt kontrollerar plan krävs 8 minuter per plan. Testarna har kunnat hitta alla fel i kroppens konturer, isocenter (utifrån relaterat markörer) och dos beräkning artefakter. De kunde inte tillförlitligt identifiera små (men kliniskt viktiga) fel i fältet öppningar. De kunde också inte identifiera så att hade bara 3 fält istället för 4 - ett exempel på en oförutsedda fel som inte undersöks med en checklista för specifika objekt. Sammanfattningsvis indikerar dessa resultat att inledande kontroll av vissa vitala funktioner av strålbehandling planer skapad av automatiserade processer kan tilldelas till personalen med begränsad strålbehandling erfarenhet, vilket gör att behovet av korrigerande åtgärder identifieras innan läkare från gästerna. Dessa Personalen kommer dock inte, hitta alla fel och ytterligare kontroller av kvalificerad personal (strålterapeuter och fysiker) är fortfarande en viktig del av radiotherapyen planering arbetsflöde.

Figur 1 . Schematisk bild av automatiserad behandling planeringsprocessen. Mänskliga ikonerna visar punkterna i arbetsflödet där mänskligt ingripande är nödvändigt. Alla andra steg är automatiserade. Varje automatiserat steg i planeringsprocessen har en primär algoritm, som används för att skapa den riktiga planen, och en sekundär algoritm som används för att verifiera resultatet av den primära algoritmen. Om någon av kontrollerna misslyckas (dvs falla utanför en förutbestämda kriterier), eller om strålterapeuten inte godkänner planen, sedan en manuell planeringsprocessen blir nödvändigt. Ytterligare förfaranden som är viktiga för behandlingen planeringsprocessen, specifikt rutinkontroller av en kvalificerad medicinsk fysiker, visas inte här. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 2 . Schematisk av RPA ur användarnas synvinkel. Strålterapeuten ansvarar för att slutföra och godkänna läkarens planera ordning. Efter att simulering bilden av patienten, godkänns detta av röntgenskötare eller annan lämplig personal närvarande. RPA sedan automatiskt startar och skapar strålbehandling behandlingsplan. Målet med detta arbete är att skapa varje strålbehandling plan, inklusive dokumentation, inom 30 minuter. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 3 Ett exempel behandling Plan för en plan för huvud och hals VMAT. Planera ordningen visar de patientidentifiering (namn, MRN, etc.), lite allmän information om patienten och behandling viss information. Detta inkluderar dos recept, target täckning och normal vävnad begränsningar.

Figur 4 . Ett exempel genereras automatiskt huvud och hals VMAT plan. Regionkommittén skuggade Visa planering mål volymer - röd, blå och gul motsvarar PTV1 PTV2, PTV3, respektive. Raderna visar isodose fördelningen av planen genereras automatiskt.

Figur 5 . Ett exempel på automatiskt genererade öppningar för en 4-fältet box livmoderhalscancer behandling. AP, PA, vänster laterala och högra laterala fält visas.

Figur 6 . Exempel på illustrerade anvisningarna utformat för att underlätta internationell granskning för strålbehandling planer genereras automatiskt med hjälp av RPA. Exempelsidan är för översynen av automatiskt genererade kroppens kontur. Den innehåller resultaten av den primära algoritmen, några frågor för användaren, och ett bibliotek fall för användaren att granska

Discussion

Ett protokoll som beskriver stegen i skapa en automatiserad behandlingsplan med hjälp av strålning planering assistent (RPA) systemet beskrevs. De avgörande stegen, ur användarens synvinkel, är (1) CT godkännande (2) Plan för godkännande (3) Contour granskning/redigering för huvud och hals fall, och (4) behandling planera granskning. Ordningen på de två första stegen är utbytbara. Av strålning planering assistenten skapar för närvarande automatiskt strålbehandling planer för huvud och hals (VMAT) och livmoderhalscancer (4-fältet box), och vi arbetar för närvarande på planer för bröstcancer cancerbehandlingar. Det slutliga målet är att helt automatisera dosplanering för alla platser/modaliteter, att skapa ett verktyg som genererar säker och effektiv strålbehandling behandlingsplaner.

Det nuvarande systemet har flera begränsningar. Först, det går inte att skapa behandlingsplaner för alla behandling platser och metoder, även om vi förväntar oss dess kapacitet att förbättras med tiden, vi är något sätt från full automatisering för alla behandling platser. Det finns också en risk för över beroendet av användarna automation - detta är en risk som vi har försökt att minska genom att inkludera många oberoende kontroller (figur 1). Det visades att utnyttja vårt syfte utvecklade plan-dokumentationen för att kontrollera behandlingsplaner att vissa potentiella fel identifieras av relativt oerfaren personal, men granskning av strålning onkolog, och planen kontroller av andra kvalificerade Personalen är viktiga.

Vi förväntar oss att förbättra RPA gränssnitten över tid, i svar på feedback. De allmänna arbetsflödet och uppgifter bör dock vara liknande dem som beskrivs i detta dokument. Detta dokument bör därför fortsätta att vara användbar. Ytterligare dokumentation kommer också att finnas, som beskriver några ändringar, utbildning för plan kontroller, etc.

Det finns befintliga exempel på automatisering av specifika steg av strålbehandling behandling planera. Vår kunskap är det första systemet som hela arbetsflödet är helt automatiserad, kräver nästan ingen inmatning från användaren. Det här protokollet beskriver, ur användarens synvinkel, viktigt steg som behövs för att driva den strålning planering assistenten och generera en strålbehandling behandlingsplan.

Materials

Name	Company	Catalog Number	Comments
Eclipse	Varian Medical Systems	na	Treatment planning system
Mobius 3D	Mobius Medical Systems	na	Dose calculation verification system