Thanks to advances in technology, reirradiation is rapidly becoming apowerful tool for both palliative and curative intent for patients with recurring cancer. Reirradiation, in its current state, is highly unstandardized and varies significantly between clinics, leading to potentially unsafe practices. This is especially evident in the methods used to transfer doses from prior treatmentson a previous image set to the reirradiation plan’s image set for accurate dose accumulation. Dose mapping can use either rigid or deformable image registration, and equieffective dose conversion can be done in different sequences. This thesis evaluated and determined the optimal sequence ofconverting to equieffective dose and dose mapping, both theoretically and on clinical cases, and assessed how the quality of registration impacted these processes. 

A theoretical analysis using the governing equations for equieffective dose conversion quantified the impact of the ordering and was extended to a volumetric analysis to assess dose gradient influence. Validation of this analysis involved an anthropomorphic thoracic phantom, for which a groundtruth displacement vector field and synthetic reirradiation planning image were generated. To simulate realistic registration uncertainty, fifty diffeomorphic perturbations (∼ ±1 mm) were created using velocity field exponentiation. Both dose accumulation workflows — converting to equieffective dose before spatial mapping versus spatial mapping first — were evaluated by extracting near maximum and mean doses for the oesophagus,trachea, and aorta, considering various α/β ratios (curvature parameter in the linear quadratic model of cell survivability which governs tissue sensitivity to fractionation). Three clinical thoracic reirradiation cases with varying dose per fraction were analyzed using both workflows to assess clinical relevance,and registration quality metrics including mean distance to agreement and Hausdorff distance were calculated to quantify registration accuracy.

Theoretical modeling showed that mapping dose before equieffective conversion is the most biologically consistent, especially when different α/β ratios are used for various organs. When a single α/β value is applied across the image set, the conversion order has minimal impact. However, mapping dose first, then converting, remains more biologically consistent, as evaluation is done on the reirradiation image set. Phantom validation and three clinical cases confirmed that converting first and then mapping misestimates cumulative organ doses, emphasizing the need to map dose first,then convert.

Tack vare de teknologiska framstegen inom strålbehandling har återbestrålning etablerats som en flexibel behandlingsstrategi för både palliativa och kurativa syften för patienter med återkommnade cancer.Återbestrålning är dock idag ostandardiserad och varierar betydligt mellan kliniker, vilket kan leda till osäkra behandlingsmetoder. Detta märks särskilt vid överföring av doser från tidigare behandlingars bilddata till återbestrålningens bilddata för korrekt dosackumulering. Dosmappning kan utföras med rigid eller deformabel bildregistrering, och konverteringen till ekvieffektiv dos kan ske i olika sekvenser. Detta arbete utvärderade och fastställde den optimala ordningen mellan konvertering till ekvieffektiv dosoch dosmappning samt bedömde hur registreringskvaliteten påverkade dessa processer.

En teoretisk analys med styrande ekvationer för omvandling till ekvieffektivdos utfördes för att utvärdera ordningens effekt och utökades till en volymetrisk analys för att undersöka dosgradientens påverkan. Valideringen utfördes med en antropomorfisk thoraxfantom, där ett exakt deformationsfält och en syntetisk planeringsbild skapades. För att simulera registreringsosäkerhet genererades femtio diffeomorfa perturbationer (ca ±1mm) av det exakta deformationssfältet. Båda arbetsflödena för dosackumulering — konvertering före spatiella mappning kontra mappningförst — utvärderades genom att extrahera nära max-doser och medeldos för matstrupen, luftstrupen och aortan med olika α/β-värden(kurvaturparametern i den linjär-kvadratiska modellen för cellöverlevnad,vilket styr vävnaders känslighet vid fraktionerad strålbehandling). Tre kliniska fall av återbestrålning i thoraxregionen med varierande dos per fraktion analyserades med avseende på klinisk relevans, och registreringskvalitet kvantifierades med medelavvikelserna mellan konturer och Hausdorff-avstånd.

Den teoretiska modelleringen visade att dosmappning före konvertering till ekvieffektiv dos är biologiskt mest konsekvent, särskilt när organspecifika α/β-värden används. Vid användning av ett enhetlig α/β-värde har konvertingsordningen en ytterst begränsad inverkan. Resultaten från fantomstudien och de kliniska fallen bekräftade att strategin att konvertera före mappning kan leda till felaktiga kumulativa organdoser, vilket tydligt understryker vikten av att först genomföra dosmappning och därefter ekvieffektiv konvertering.