Dosimetric characteristics of a low-kV intra-operative x-ray source: Implications for use in a clinical trial for treatment of low-risk breast cancer

2429
M. A. Ebert and B. Carruthers: Dosimetric characteristics of a low-kV x-ray
2429
Medical Physics, Vol. 30, No. 9, September 2003

---

B. Implications for clinical trial
The accuracy for dose calculation in a trial using the In-
trabeam should be considered in light of general geometric
and dosimetric inaccuracies associated with practical use of
the device. Absolute dose delivery use in any specific treat-
ment situation is variable due to the combination of uncer-
tainty in the distribution of target cells, variations in output
due to emission anisotropy and the steepness of the dose
fall-off curve. Uncertainty in dose delivery at the time of
treatment is yet to be quantified by a multi-center dosimetry
study, with the results of this to be convolved with recorded
dose delivery to provide a more realistic estimate of actual
dose deposition throughout the trial.
The utility of the considered dose calculation models lies
in their ability to verify measured dose distributions,
5
deter-
mine the effects of inhomogeneities and indicate feasible
variations in dose across ‘‘target’’ volumes. Variations in
dose deposition in breast tissues relative to water were inves-
tigated for their effect on dose–volume histograms
共DVHs兲
for the ‘‘target’’ about each applicator. The effect on the
shape of the DVH is insignificant though there is a small
shifting of actual delivered doses to lower doses. This effect
can also be accounted for via a systematic shift of recorded
doses.
The significance of the dose enhancement in bone should
be considered in light of factors such as bone dose in this
example compared with bone dose in external beam treat-
ments; irradiation with a single fraction; the possible depth
of ribs relative to the Intrabeam source; other dose-limiting
normal tissue reactions.
Conventional external beam radiotherapy for localized
breast cancer can limit rib doses significantly resulting in
minimal late effects in ribs.
20
External beam irradiation post-
mastectomy leads to higher rib doses and it has indeed been
found that in such a case, a reduction in fraction number
leads to a greater incidence of rib fracture
共Overgaard,
1988
兲.
21
Using the data from Overgaard,
21
the estimated
single fraction dose required for 6% risk of rib fracture is
between approximately 13 Gy and 16 Gy
共for
␣
/
␤
between
1.8 Gy and 2.8 Gy
兲. In the situation modeled for Fig. 7, dose
to the bone surface when 15 mm from the applicator was 13
Gy, indicating considerable risk at this distance. Fall-off in
this value to 2 Gy occurs very rapidly, however, and it is
suggested that risk to bone for these treatments would be
minimal for all but deep-seated tumors or small-breasted,
low-weight women.
Other dose limiting normal tissue reactions
共breast tissue
fibrosis and necrosis
兲 have been considered in detail, with
the conclusion that dose delivery with the Intrabeam poses
minimal threat to radiation induced damage, except for nor-
mal breast tissue in the immediate location of the treatment
site.
22
For consistency in dose prescription, it is convenient to
refer the prescription point to the outside surface of the ap-
plicator used. Unfortunately, as Fig. 9 indicates, this leads to
substantial variations in dose–volume relationships across
the range of applicator sizes. This is coupled with a large
variation in effective target volume and a potential number of
target cells with applicator size. For example, if the ‘‘target’’
is considered as a spherical shell extending 10 mm from the
applicator outer surface, then there is a variation in target
volume from 2.1
⫻10
4
mm
3
to 1.1
⫻10
5
mm
3
for applicators
15 mm to 50 mm in diameter. Due to the potential influence
of these two effects on trial outcomes, the selection of an
applicator at the time of treatment
共i.e., the size of the resec-
tion volume
兲 will need to be recorded throughout the trial.
The selection of the prescription point will also affect trial
outcomes. An important consideration is the potential distri-
bution of residual clonogenic cells following a lumpectomy.
Trial design will require a surgical margin about the tumor of
at least 10 mm
共limited by a desire for a good cosmetic
outcome
兲. Previous pathologic studies of resection have
shown that a margin of greater than 1 mm is acceptable
provided adjuvant radiotherapy is applied.
19
Even without
‘‘boost’’ radiotherapy, the incidence of local recurrence in
low-risk breast cancer patients following surgical resection is
approximately 9%,
6
indicating a relatively low proportion of
viable cells remaining after resection. As such, the actual
distribution of viable cells from the resection site is un-
known, though it will be very sparse. The current guidelines
of the protocol are to maintain doses to 5 Gy within 10 mm
of the applicator surface.
The selection of a prescription point can significantly alter
the range of applied doses because of the steep dose fall-off
from the Intrabeam source. As seen in Fig. 9, prescription at
the surface of the applicator, although leading to mainte-
nance of maximum doses, leads to variations in minimum
doses that would have to be considered. A prescription at 10
mm or 20 mm from the surface maintains minimum doses at
the expense of larger variations in maximum doses. The ben-
efit of moving the prescription point away from the applica-
tor surface is a reduction in the range of doses
共minimum to
maximum
兲 across the range of applicator sizes, though the
difference in this range between the prescription at 10 mm
and 20 mm is minimal. A disadvantage to shifting the pre-
scription point farther from the source is an increase in the
normal breast tissue dose. The resulting increasing risk of
breast necrosis, particularly when larger applicators are used,
is substantial.
22
In practicality, the method selected for dose
prescription has been based on maintaining the prescription
dose as the minimum dose delivered to the irradiation
‘‘target’’—a spherical shell extending to 10 mm from the
applicator surface. The recommendation would therefore be
to prescribe the dose at a distance of at least 10 mm from the
applicator surface
共or at the outer radius of the hypothesized
target
兲.