University of Groningen
Automation and individualization of radiotherapy treatment planning in head and neck cancer
patients
Kierkels, Roel Godefridus Josefina
IMPORTANT NOTE: You are advised to consult the publisher's version (publisher's PDF) if you wish to cite from
it. Please check the document version below.
Document Version
Publisher's PDF, also known as Version of record
Publication date:
2019
Link to publication in University of Groningen/UMCG research database
Citation for published version (APA):
Kierkels, R. G. J. (2019). Automation and individualization of radiotherapy treatment planning in head and
neck cancer patients. Rijksuniversiteit Groningen.
Copyright
Other than for strictly personal use, it is not permitted to download or to forward/distribute the text or part of it without the consent of the author(s) and/or copyright holder(s), unless the work is under an open content license (like Creative Commons).
Take-down policy
If you believe that this document breaches copyright please contact us providing details, and we will remove access to the work immediately and investigate your claim.
Downloaded from the University of Groningen/UMCG research database (Pure): http://www.rug.nl/research/portal. For technical reasons the number of authors shown on this cover page is limited to 10 maximum.
APPENDIX
List of abbreviations
167
A
List of abbreviations
3DCRT 3-dimensional conformal radiotherapy AAPM American assosiation of physicists in medicine CBCT Cone-beam CT
CI Conformity index CT Computed tomography CTV Clinical target volume DDM Distance discordance metric DIR Deformable image registration DMR Dose mimicking and reduce DVH Dose volume histogram DYS Dysphagia
EAGD Estimated actually given dose EIM Esophageal inlet muscle FOV Field-of-view
(g)EUD (generalized) Equivalent uniform dose HE Harmonic energy
HI Homogeneity index HNC Head and neck cancer
ICC Intra-class correlation coefficient ICE Inverse consistency error
IMRT Intensity modulated radiation therapy JAC Jacobian
LKB Lyman-Kutcher-Burman MCO Multicriteria optimization MFO Multi-field optimization MLC Multi-leaf collimator
MRI Magnetic resonance imaging MU Monitor unit
NTCP Normal tissue complication probability OAR Organ at risk
OF Objective function OSS Octahedral shear strain PBS Pencil beam scanning
PCM Pharyngeal constrictor muscle PET Positron emission tomography PF Pareto front
Appendix
168
RBE Relative biological effect RO Radiation oncologist
RO Robust optimization (chapter 7) RTOG Radiation therapy oncology group TCP Tumor control probability
TE Transitivity error
TFD Tube feeding dependence TPS Treatment planning system VMAT Volumetric modulated arc therapy XER Xerostomia
Acknowledgements in Dutch / Dankwoord
Acknowledgements in Dutch / Dankwoord
173
A
Acknowledgements in Dutch / Dankwoord
Het onderzoek gepubliceerd in dit proefschrift is gestart tijdens mijn opleiding tot klinisch fysicus en vervolgd in de jaren erna. Het combineren van het werk als klinisch fysicus en het uitvoeren van het onderzoek was vaak een uitdaging. Het onderzoek heeft daarom met regelmaat veel avonduren opgeslokt. Daarmee wil ik meteen aangeven dat het uitvoeren van onderzoek naast de klinische werkzaamheden samenwerking vereist met velen, niet alleen inhoudelijk en werk gerelateerd, maar ook met mijn geliefde familie. Via dit dankwoord wil ik dan ook iedereen van harte bedanken voor alle hulp, inzet, discussies, uitdagingen, motiverende woorden en ontspanning van de afgelopen jaren. Hierbij wil ik de volgende mensen in het bijzonder bedanken:
Allereerst wil ik mijn co-promotor dr. ir. Erik Korevaar bedanken. Beste Erik, bedankt voor alle kennis die je met me hebt gedeeld over bestralingsplanning en de kritische blik op het onderzoek. Daarnaast wil je bedanken voor de samenwerking, je luisterende oor en de verschillende reizen die we hebben gemaakt, in het bijzonder naar Stockholm en Japan. Dit zal ik niet vergeten. Ik hoop dat we dit nog vaak mogen herhalen en dat we de ontwikkelingen binnen de bestralingsplanning nog lang mogen voortzetten.
Co-promotor dr. ir. Marianna Sijtsema. Beste Marianna, ik wil je graag bedanken voor de mogelijkheid om aan niet-rigide beeldregistratie te werken. Er is heel wat water door de rivier gestroomd voordat we het manuscript hebben kunnen opstellen zoals is terug te lezen in hoofdstuk 6 van dit proefschrift. Ik wil je bedanken voor het vertrouwen en de motiverende woorden die soms nodig waren om tot dit proefschrift te komen. Ik hoop dat we snel weer samen kunnen werken in een geïntegreerde protonen-fotonen kliniek. Via deze weg wil ik ook graag mijn promotor prof. dr. Hans Langendijk bedanken. Beste Hans, bedankt voor het vertrouwen en de positie die je me hebt gegeven om het onderzoek te kunnen combineren met mijn functie als klinisch fysicus. Daarnaast wil ik je bedanken voor de mogelijkheid om te werken aan de klinische implementatie van de eerste protonentherapiefaciliteit van Nederland. Het is een inspiratie om te zien met hoeveel energie je hieraan werkt.
Naast de (co-)promotoren wil ik dr. ir.Arjen van der Schaaf bedanken. Beste Arjen, jouw onuitputtelijke bron van ideeën en discussies hebben een belangrijke bijdrage geleverd aan dit werk. Eén van de vele ideeën is echter nog steeds niet gerealiseerd. Laten we de cocktail shaker daarom maar snel uit de kast trekken!
Appendix
174
De beoordelingscommissie wil ik bedanken voor de tijd die ze hebben gespendeerd aan het lezen en beoordelen van dit proefschrift alsook de bijwoning van de verdediging in het academiegebouw.
Beste KeeS, jij was in de beginfase betrokken bij dit onderzoek. Bedankt voor jouw ideeën, de kritische blik op het eerste manuscript (hoofdstuk 3) en prettige samenwerking in het UMCG en later tijdens mijn stage in het Radiotherapeutisch Instituut Friesland. We blijven elkaar hopelijk nog vaak tegenkomen tijdens congressen en andere bijeenkomsten. Beste Aart, ik wil je bedanken voor het co-auteurschap en co-opleiderschap tijdens mijn periode als klinisch fysicus in opleiding. Bedankt dat je mij de upgrade naar de thin-clients voor Pinnacle hebt laten uitvoeren. Dit was mijn eerste, maar zeker niet mijn laatste, project gerelateerd aan bestralingsplanning. Bedankt dat ik na mijn opleiding als fulltime klinisch fysicus het aandachtsgebied bestralingsplanning in mijn portefeuille heb gekregen. Beste Charlotte, bedankt voor de samenwerking vanaf de eerste dag dat ik in het UMCG in opleiding was. Jij hebt voor mij bewezen dat promoveren na je opleiding naast een baan als klinisch fysicus mogelijk is. Bedankt voor de gezamenlijke projecten, alle uitjes en gezelligheid.
Beste Ruurd, bedankt voor je bijdrage aan dit proefschrift en die keren dat je mij Friesland op de schaats hebt laten zien. Dat was fantastisch! Ook jij hebt voor mij aangetoond dat promoveren mogelijk is naast ander werk. We gaan snel weer eens afspreken!
Beste Jeffrey en Dirk. Jullie enthousiasme is onmiskenbaar. Wat een geluk dat jullie tijdens de opleiding samen met Erik en mij aan de ontwikkeling van bestralingsplanning hebben mogen werken. Jullie bijdrage heeft geresulteerd in hoofdstuk 7 van dit proefschrift. Bedankt daarvoor! Jeffrey, ook bedankt voor de vrije tijd die we samen delen. Na het afronden van dit proefschrift heb ik weer tijd om in de race simulator te stappen! Beste Dan, jouw komst had niet beter getimed kunnen worden. Bedankt voor alle samenwerking en inbreng van jouw ervaringen uit het buitenland. Bedankt voor de gezamenlijke bijdrage aan de implementatie van RayStation binnen de afdeling, de klinische implementatie van protonentherapie voor hoofd-halskanker, het corrigeren van mijn Engelse teksten, de gedeelde ervaringen over ons beginnende vaderschap en de barbecues die we samen hadden. Ik hoop dat je Groningen voorlopig nog niet verruild voor Sydney.
Acknowledgements in Dutch / Dankwoord
175
A
Dear Albin, it is a great pleasure to meet every month by phone and so now and then in Stockholm to discuss current and future work related to treatment planning. So far, our collaboration was very fruitful and resulted not only in Chapter 4 of this dissertation but many other projects. Thank you!
De collega’s van het hoofd-hals cluster wil ik bedanken voor de samenwerking en met name dr. Roel Steenbakkers en dr. Henk Bijl. Bedankt dat ik altijd bij jullie terecht kon voor een praatje, met name in de tijd dat we nog samen in het flatje zaten. Henk, leuk dat we samen de eerste stappen hebben gezet in de richting van adaptieve radiotherapie voor hoofd-hals radiotherapie!
Beste Antje, bedankt voor je tijd gespendeerd aan het lezen van de introductie en discussie van dit proefschrift. Ik zie jouw komst naar Groningen als grote toegevoegde waarde, niet alleen vanwege het onderzoek, maar ook vanwege de lunches en borrels die je regelmatig organiseert. De volgende keer ben ik er weer bij!
Verder wil ik alle co-auteurs en laboranten bedanken voor de bijdrage aan het onderzoek wat uiteindelijk heeft geresulteerd in dit boekje. Bedankt Kim, Thomas, Lydia, Martijn,
Herman en Patrick.
Uiteraard wil ook de andere (ex) collega klinisch fysici (i.o.) bedanken voor alle samenwerken, gezamenlijke lunchpauzes, koffie momenten, en uitjes. Bedankt Arnout, Arturs, Estelle,
Georgiana, Heidi, Heleen, Jérémy, Peter, René, Sander, Stefan,Tara,Vincent, en
Witold. Daarnaast ookde rest van de klinische fysica en instrumentatie groep die ik nog niet heb genoemd: bedankt voor alles!
Beste paranimfen, Stein en Twan. Het avontuur begon langgeleden op de Biesterweg in Eindhoven. Wie had toen kunnen denken dat jullie mijn paranimfen zouden worden. Telkens wanneer we weer afspreken merk je niks van de lange tijd die er vaak tussen zit. Twan hoe leuk was het dat we elkaar samen in Japan tegenkwamen en dat jij een tijdje in ons huis in Groningen woonde toen Marieke en ik rond de wereld reisde. Stein, wat we samen in Nijmegen, Eindhoven, Maastricht en met name Toronto hebben beleefd zal ik nooit vergeten. Wat een toeval dat we na zoveel jaren allebei ons proefschrift afronden in 2019! Ondanks de afstand zien we elkaar gelukkig nog regelmatig, met ESNS als één van de nieuwe tradities! Mijn vrienden wil ik graag bedanken voor de ontspannende momenten die nodig zijn naast een drukke baan en het promoveren. Ik hecht veel waarde aan de jaarlijkse reünie op het formule 1 circuit, de volleybal trainingen en wedstrijden, de weekendjes weg en de avonden in de kroeg.
Appendix
176
Bij een succesvolle afronding van een promotie is familie onontbeerlijk. Hierbij wil ik dan ook graag mijn lieve familie bedanken voor het vertrouwen dat jullie mij hebben gegeven om te komen tot deze mijlpaal. Toon, Elly, Marly en Paul: het is fijn om te weten dat na de verhuizing naar het hoge noorden zo nu en dan terugkeren naar Limburg mij nog steeds het gevoel geeft van thuiskomen.
Lieve Marieke, bedankt dat je mij al die avonden aan mijn proefschrift hebt laten werken. Je hebt mij gemotiveerd om het proefschrift af te ronden zodat wij dit kunnen vieren samen met de afronding van je opleiding tot neuroloog, echt een topprestatie! Ik kijk uit naar de tijd die komen gaat. Met jouw nieuwe baan in Leeuwarden en de afronding van dit proefschrift gaan wij een nieuw avontuur aan, samen met onze lieve meisjes Rosalie
en Lara Louise. Ik ben trots op wat wij samen hebben bereikt! - Roel
Resume / Curriculum vitae
Resume / Curriculum vitae
181
A
Resume / Curriculum vitae
The author of this thesis, Roel Kierkels, was born on October 14th, 1982 in Herten, the Netherlands. He was active in sports and music and graduated high school at the Bisschoppelijk College Schöndeln Roermond, in the year 2000. In the same year, he started the bachelor of Electronical Engineering at the Fontys University in Eindhoven. His interest in medical physics started in the final year of his bachelor program, which was performed at the medical physics laboratories of the st Radboud University in Nijmegen. He obtained his bachelor’s degree in 2005 and started studying Biomedical Engineering at the Technical University in Eindhoven. He followed the master of Medical Engineering with an internship at the medical physics department of the Princess Margaret Hospital in Toronto, Canada, where he worked on a project related to interstitial fluid pressure measurements in cervical cancer. The last year of his master’s program was performed within the medical physics group of the Maastro Clinic, the Netherlands. He worked on dynamic contrast-enhanced MRI and CT imaging for rectum cancer patients and obtained his master’s degree in 2008. Thereafter, he continued his project in the Princess Margaret Hospital and worked for Pie Medical Imaging for a short period of time. In 2009, he started his residency in Medical Physics within the department of radiation oncology of the University Medical Center Groningen. During the following 4 years he performed a 9 month internship at the Radiotherapeutisch Institute Friesland. During his research project, he implemented NTCP-guided treatment planning optimization. This work resulted in the first paper as presented in this PhD thesis. In 2013, he obtained his registration as Medical Physicist in the field of radiotherapy. In the following years, he worked on the clinical introduction of the RayStation treatment planning system within the department of radiation oncology of the UMCG. Moreover, he worked on the clinical introduction of proton therapy in Groningen, with main contributions to developments of protocols for head and neck, neurological, and pediatric indications. During the same period he worked on this PhD thesis. At present, Roel is working as a medical physicist at the department of radiation oncology of the UMCG. Not surprisingly, his main interests are related to photon and proton therapy treatment planning.
APPENDIX
List of publications
185
A
List of publications
Publications in peer-review journals
[1] R. G. J. Kierkels, W. H. Backes, M. H. M. Janssen, J. Buijsen, R. G. H. Beets-Tan, P. Lambin, G. Lammering, M. C. Oellers, and H. J. W. L. Aerts, “Comparison between perfusion computed tomography and dynamic
contrast-enhanced magnetic resonance imaging in rectal cancer.,” Int. J. Radiat. Oncol. Biol. Phys., vol. 77, no. 2, pp. 400–8,
Jun. 2010.
[2] M. H. M. Janssen, H. J. W. L. Aerts, R. G. J. Kierkels, W. H. Backes, M. C. Ollers, J. Buijsen, P. Lambin, and G. Lammering, “Tumor perfusion increases during hypofractionated short-course radiotherapy in rectal cancer:
sequential perfusion-CT findings.,” Radiother. Oncol., vol. 94, no. 2, pp. 156–160, 2010.
[3] C. L. Brouwer, R. G. J. Kierkels, A. A. van T Veld, N. M. Sijtsema, and H. Meertens, “The effects of computed
tomography image characteristics and knot spacing on the spatial accuracy of B-spline deformable image registration in the head and neck geometry.,” Radiat. Oncol., vol. 9, no. 1, p. 169, Jul. 2014.
[4] R. G. J. Kierkels, E. W. Korevaar, R. J. H. M. Steenbakkers, T. Janssen, A. A. Van’t Veld, J.A. Langendijk, C. Schilstra, and A. van der Schaaf, “Direct use of multivariable normal tissue complication probability models in treatment plan
optimisation for individualised head and neck cancer radiotherapy produces clinically acceptable treatment plans.,”
Radiother. Oncol., vol. 112, no. 3, pp. 430–436, Sep. 2014.
[5] R. G. J. Kierkels, R. Visser, H. P. Bijl, J.A. Langendijk, A. A. van ‘t Veld, R. J. Steenbakkers, and E. W. Korevaar, “Multicriteria optimization enables less experienced planners to efficiently produce high quality treatment plans in
head and neck cancer radiotherapy.,” Radiat. Oncol., vol. 10, no. 1, 2015.
[6] P. Van Luijk, S. Pringle, J. O. Deasy, V. V Moiseenko, H. Faber, A. Hovan, M. Baanstra, H. P. Van Der Laan, R. G. J. Kierkels, A. Van Der Schaaf, M. J. Witjes, J. M. Schippers, S. Brandenburg, J. A. Langendijk, J. Wu, and R. P. Coppes, “Sparing the region of the salivary gland containing stem cells preserves saliva production after radiotherapy
for head and neck cancer.,” Sci. Transl. Med., vol. 7, no. 305, pp. 1–8, 2015.
[7] C. L. Brouwer, R. J. H. M. Steenbakkers, A. van der Schaaf, C. T. C. Sopacua, L. V. van Dijk, R. G. J. Kierkels, H. P. Bijl, J. G. M. Burgerhof, J. A. Langendijk, and N. M. Sijtsema, “Selection of head and neck cancer patients for
adaptive radiotherapy to decrease xerostomia.,” Radiother. Oncol., vol. 120, no. 1, pp. 36–40, 2016.
[8] R. G. J. Kierkels, K. Wopken, R. Visser, E. W. Korevaar, A. van der Schaaf, H. P. Bijl, and J. A. Langendijk, “Multivariable normal tissue complication probability model-based treatment plan optimization for grade 2–4
dysphagia and tube feeding dependence in head and neck radiotherapy.,” Radiother. Oncol., vol. 121, no. 3, pp.
374–380, 2016.
[9] R. G. J. Kierkels, L. A. den Otter, E. W. Korevaar, J. A. Langendijk, A. van der Schaaf, A.-C. Knopf, and N. M. Sijtsema, “An automated, quantitative, and case-specific evaluation of deformable image registration in computed
tomography images.,” Phys Med Biol, pp. 0–26, 2017.
[10] R. G. J. Kierkels, A. Fredriksson, S. Both, J. A. Langendijk, D. Scandurra, and E. W. Korevaar, “Automated robust
proton planning using dose-volume histogram-based mimicking of the photon reference dose and reducing organ at risk dose optimization.,” Int. J. Radiat. Oncol., 2018.
[11] L. A. Den Otter, E. Kaza, R. G. J. Kierkels, A. Meijers, F. J. F. Ubbels, M. O. Leach, D. J. Collins, J. A. Langendijk, and A.-C. Knopf, “Reproducibility of the lung anatomy under active breathing coordinator control : Dosimetric
consequences for scanned proton treatments.,” Med Phys, 2018.
[12] N. Kanayama, R. G. J. Kierkels, A. Van Der Schaaf, R. J. H. M. Steenbakkers, Y. Yoshioka, K. Nishiyama, T. Fujii, K. Ogawa, and J. A. Langendijk, “External validation of a multifactorial normal tissue complication probability model
for tube feeding dependence at 6 months after definitive radiotherapy for head and neck cancer.,” Radiother. Oncol.,
Appendix
186
[13] R. G. J. Kierkels, D. Wagenaar, J. Free, J.A. Langendijk, S. Both, E. W. Korevaar, “Minimax robust optimization
of VMAT improves target coverage and reduces non-target dose in head and neck cancer patients.,” Submitted to
Radiother. Oncol., 2018.
[14] V.A.B. van den Bogaard, P. van Luijk, Y.M. Hummel, P. van der Meer, L.M. Boerman, S.W.M.C. Maass, J.F. Nauta, L.C. Steggink, J. A. Gietema, G.H. de Bock, A.J. Berendsen, W.G.J.M. Smit, N.M. Sijtsema, R.G.J. Kierkels, J.A. Langendijk, A.P.G. Crijns, and J.H. Maduro, “Cardiac function after radiotherapy for breast cancer.,” Submitted to Int. J. Radiat. Oncol., 2018
[15] R. G. J. Kierkels, A. Fredriksson, E. Hynning, S. v.d. Neut, D. Scandurra, C. L. Brouwer, J.A. Langendijk, B. Vanhauten, S. At-Uwini, and E. W. Korevaar, “Automated treatment planning of prostate cancer radiotherapy using
prioritized clinical-goal based optimization.,” To be submitted
[16] E. W. Korevaar, S. J. M. Habraken, D. Scandurra, R. G. J. Kierkels, M. Unipan, M. G. Eenink, M. Hoogeman, J. A. Langendijk “Practical robustness evaluation in radiotherapy – A proton-proof alternative for PTV-based plan
List of publications
187
A
International conference abstracts and presentations (first author only)
ESTRO 2019 Automated treatment planning of prostate cancer radiotherapy using prioritized clinical-goal based optimization R.G.J. Kierkels, A. Fredriksson, E. Hynning, S.Both, J.A.
Langendijk, B. Vanhauten, S. Al-Uwini, E.W. Korevaar.
ESTRO 2018 (Poster presentation)
Automated robust proton planning using dose-volume histogram based mimicking of the photon reference dose and reduce organ at risk dose optimization R.G.J. Kierkels,
A. Fredriksson, S. Both, J.A. Langendijk, D. Scandurra, E.W. Korevaar.
ESTRO 2016 (oral)
An automated patient specific and quantitative approach for deformable image registration evaluation R.G.J. Kierkels, C.L. Brouwer, R.J.H.M. Steenbakkers, H.P. Bijl, J.A.
Langendijk, N.M. Sijtsema.
ASTRO 2014 (oral)
Rigid dose calculation as a surrogate for dose recalculation when assessing the need for adaptive replanning in head and neck cancer patients R.G.J. Kierkels, L. Pickup, M.
Gooding, J. Free, J.A. Langendijk, C.L. Brouwer, N.M. Sijtsema.
ESTRO 2014 (oral)
Decision support for re-planning in head and neck cancer adaptive radiotherapy R.G.J.
Kierkels, L. Pickup, M. Gooding, J. Free, J.A. Langendijk, C.L. Brouwer, N.M. Sijtsema.
ASTRO 2013 (poster)
Automated treatment planning optimization with multivariable NTCP models R.G.J.
Kierkels, E.W. Korevaar, C. Schilstra, R.J.H.M. Steenbakkers, J.A. Langendijk, A.A. van’t Veld, A. van der Schaaf.
ESTRO 2012 (poster discussion)
IMRT optimization using multivariable NTCP models for head and neck cancer patients
R.G.J. Kierkels, A. van der Schaaf, C. Schilstra, M. Bal, J.A. Langendijk,A.A. van ’t Veld.
ESTRO 2011 (oral)
Automatic tumour contouring using Fuzzy C-Means clustering and SUV Thresholds in PET/CT in esophageal cancer R.G.J. Kierkels, C.T. Muijs, R. Wierts, J. Beukema,
J.A.Langendijk.
ESTRO 2009 (oral)
Comparison between perfusion CT and Dynamic contrast enhanced MRI in rectal cancer R.G.J. Kierkels, W.H. Backus, M.H.M. Janssen, J. Buijssen, R.G.H. Beets-Tan, P. Lambin,
