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Multi-modality imaging in planning patients with head and neck squamous cell carcinomas : myths and reality

by Daisne, Jean-François

Abstract (Summary)
BACKGROUND : Radiation oncology was these 20 last years revolutionized by the 3-dimensional conformal radiotherapy (3D-CRT) and its technical evolution, the intensity modulated radiotherapy (IMRT). Thanks to steep dose gradient dose distribution, these techniques allow to conform the prescribed dose to the Planning Target Volume (PTV) while significantly decreasing the dose delivered to the Organs at Risk (OAR). One critical step remains the accurate definition of the Gross Tumor Volume (GTV). If the GTV is underestimated, there is a risk of missing part of the target. If the GTV is overestimated, the risk is to overirradiate normal tissues. Today's gold standard for GTV definition is the Computed Tomography (CT) scanner. We though know that its poor soft tissues contrast is a factor of variability for target definition purpose. AIMS : It can be hypothesized that, for Head and Neck Squamous Cell Carcinomas located in the oropharynx or the laryngo-hypopharynx, the use of other anatomical (like Magnetic Resonance Imaging – MRI) or functional (like positron emission tomography with either 11C-methionine – MET-PET- or 18F-fluorol-deoxy-glucose – FDG-PET) imaging modalities could complement CT for GTV delineation, and have an impact on subsequent CTV and PTV delineation and dose distribution to the non target tissues outside the PTV. RESULTS : We could demonstrate that, providing an adequate and controlled methodology concerning image coregistration and tumor volume delineation on functional images, differences were observed for the delineation of primary tumor volume or GTV according to the modality used. Moreover, the trends were the same for both locations studied (oropharyngeal and laryngo-hypopharyngeal) : CT, MRI and MET-PET volumes were not significantly different in absolute volumes, but there was no total overlap, each imaging modality having the tendency to visualize different types and relatively specific pathways of tumor extension (e.g. : cartilages in MRI). What was very interesting was the significantly smaller FDG-PET volume which could have a real impact on radiation oncology practice by (1) allowing to reduce dose distribution and (2) providing fast and reproducible GTV delineation based on its functional characteristic. Furthermore, we could demonstrate on the subset of operated patients that these smaller FDG-PET volumes were not the fact of a volume underestimating delineation algorithm but well the reflection of true tumor extension. But one must keep in mind that because of spatial resolution limitations, there was still a significant overestimate of this true GTV. Also, none of the imaging modalities was able to visualize very small tumor extensions. This last fact put in the light the need for strict guidelines for CTV prediction based on GTV extension. This is what was done with the help of both anatomical and histo-pathological literature data. These guidelines were used to delineate CTVs on our images, allowing to perform comparative planning on primary tumor. It could be concluded that differences in GTV had not only an impact on CTV and subsequent PTV, but also on dose distribution, either on total irradiated volume or -perhaps more important- on mean dose to parotid glands. No significant effect could be observed on maximal dose to spinal cord. Compared to planning performed on macroscopy-based volumes, no significant difference could be found with what was done on PET-derived planning. CONCLUSION : This research paves the way for the use of FDG-PET for GTV delineation in planning the patients with oropharyngeal and laryngo-hypopharyngeal squamous cell carcinomas. / INTRODUCTION : La radiothérapie moderne a terriblement évolué ces 20 dernières années grâce au développement de la radiothérapie conformationnelle tridimensionnelle (3D-CRT) et de son évolution technique, la radiothérapie par modulation d'intensité (IMRT). Grâce à la création de gradients de dose très raides, ces techniques permettent de conformer au mieux la distribution de la dose au “Planning Target Volume” (PTV) tout en diminuant de manière significative la dose délivrée aux Organes à Risque (OAR). La précision de la définition du “Gross Tumor Volume” (GTV) ou volume tumoral macroscopique reste une étape cruciale dans le sens où une sous-estimation du volume augmente le risque de sous-doser la dose délivrée à la tumeur. Dans l'autre sens, la surestimation du volume tumoral conduit immanquablement à une surirradiation des tissus sains. La tomographie computée par scanner (CT) est l'imagerie de référence pour la définition du GTV. Cependant, le manque de constraste entre tissus mous – à fortiori entre la tumeur et les tissus environnants- constitue un facteur de variabilité reconnu quant à la précision de délimitation du GTV. BUTS : Pour les cancers de la sphère cervico-maxillo-faciale, en particulier pour les tumeurs épithéliales oropharyngées et laryngo-hypopharyngées, démontrer que l'usage complémentaire d'une autre imagerie anatomique comme la résonance magnétique (IRM) ou fonctionnelle comme la tomographie par émission de positrons utilisant soit la méthionine marquée au carbone 11 (MET-TEP), soit le fluoro-déoxy-glucose marqué au fluor 18 (FDG-TEP) peut améliorer la précision de la délimitation GTV. Dans ce cas, démontrer également que cela a un impact sur la délimitation des CTV et PTV sous-jacents et, in fine, sur la distribution de la dose aux tissus sains extérieurs au PTV. RESULTATS : Moyennant l'utilisation adéquate et contrôlée de méthodes de corégistration des images et de délimitation automatique des volumes en imagerie fonctionnelle, nous avons pu démontrer des différences en terme de GTV délimité selon les différentes modalités d'imagerie, avec une tendance identique que l'on se situe au niveau oropharyngé ou laryngo-hypopharyngé. Les GTV délimités sur CT, IRM et MET-TEP n'étaient pas significativement différents en valeurs absolues, mais chaque modalité avait tendance, au-delà d'une zone de congruence s'élevant en moyenne à 50% du volume total, à visualiser des extensions vers des zones anatomiques lui étant propre (ex. : les cartilages en IRM). Les volumes délimités en FDG-TEP étaient significativement plus petits que ceux délimités sur les autres modalités d'imagerie. Nous pûmes de plus démontrer sur un ensemble de patients opérés par laryngectomie totale que le FDG-TEP était aussi la plus précise des modalités d'imagerie. Cependant, par manque de résolution spatiale, aucune des modalités d'imagerie ne fut en mesure de couvrir totalement le GTV. Ce fait met en lumière le besoin de recommendations claires pour la prédiction du CTV sur base de l'extension du GTV. Ce travail fut réalisé sur base des données de la littérature anatomique (normale et pathologique). Ces recommendations furent utilisées pour délimiter les CTV sur les images CT, FDG-TEP et du spécimen chirurgical (les imageries IRM et MET-TEP ne furent pas analysées puisque n'apportant rien en regard du CT). Les PTV furent ensuite générés et une planification tridimensionnelle réalisée. Tant les CTV que les PTV délimités sur le FDG-TEP restaient significativement plus petits que leurs homologues délimités sur CT. Cette réduction permettait une réduction de la dose délivrée aux glandes parotides en particulier, aux tissus hors PTV de manière plus générale. CONCLUSION : Cette recherche ouvre la voie à l'utilisation du FDG-TEP pour la délimitation du GTV chez les patients atteints de tumeurs épithéliales des sphères oropharyngée et laryngo-hypopharyngée.
Bibliographical Information:

Advisor:

School:Université catholique de Louvain

School Location:Belgium

Source Type:Master's Thesis

Keywords:gold standard coregistration imaging conformal radiotherapy cancer head and neck

ISBN:

Date of Publication:02/25/2005

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