Entwicklung einer biologisch adaptierten intensitätsmodulierten Strahlentherapieplanung auf der Basis molekularbiologischer Bildgebungsverfahren

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Rickhey, Mark (2009) Entwicklung einer biologisch adaptierten intensitätsmodulierten Strahlentherapieplanung auf der Basis molekularbiologischer Bildgebungsverfahren. Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg 4, PhD, Universität Regensburg.

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Date of publication of this fulltext: 14 Jan 2010 15:26

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Abstract (German)

Abstract (German)

Der Einsatz biologischer und funktioneller Bildgebung zur Definition des Zielvolumens in der Strahlentherapie ist bereits heute weit verbreitet. Eine Integration derartiger Bildgebung im Sinne von Dosepainting by Numbers in die Strahlentherapieplanung führt zu einer heterogenen Dosisverschreibung innerhalb des Tumors. Sie stellt somit eine neue Herausforderung für Bestrahlungsplanungssysteme und Bestrahlungsmodalitäten dar.
In dieser Arbeit wurde eine biologisch adaptierte Bestrahlungsplanung basierend auf einer 18F-Fluoroethyltyrosin (FET) Positronenemissionstomography (PET) bei Hirntumoren entwickelt und untersucht. In Ermangelung konkreter experimenteller oder klinischer Erkenntnisse wurde als erster Ansatz auf ein lineares Modell zurückgegriffen, welches die Aktivität eines Volumenelements auf die Dosisvorgabe abbildet. Untere und obere Dosis- bzw. Aktivitätsschranken wurden definiert, um eine Unter- bzw. Überdosierung zu verhindern. Die voxelweise Dosisvorgabe wurde in die Zielfunktion des in der Klinik für Strahlentherapie des Universitätsklinikums Regensburg entwickelten inversen Monte Carlo Bestrahlungsplanungssystem IKO implementiert und Bestrahlungspläne für die intensitätsmodulierte Radiotherapie (IMRT) und die intensitätsmodulierte Protonentherapie (IMPT) erstellt. In einer weiteren Planungsstudie wurden die Möglichkeiten einer Dosiseskalation auf die 18F-FET anreichernden Subvolumina innerhalb des Zielvolumens untersucht. Zu diesem Zweck wurde die obere Dosisgrenze des linearen Modells schrittweise angehoben und die Dosisbelastung des umliegenden Gewebes ausgewertet. Als Weiterentwicklung des linearen Modells wurde eine Bestrahlungsplanung auf der Grundlage der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit (tumor control probability, TCP) entwickelt. Die Dosisvorgabe wurde mit Hilfe einer von Y. Yang und L. Xing entwickelten Formel in Abhängigkeit der strahlenbiologischen Parameter alpha und alpha/beta sowie der Zellverdopplungsrate und der klonogenen Zelldichte bestimmt. Eine Analyse der Dosisvorgabe in Abhängigkeit der vier Parameter zeigte, dass eine Variation der Parameter alpha und alpha/beta zur größten Dosisvarianz führte. Aus diesem Grund wurde wiederum ein linearer hypothetischer Ansatz gemacht, um die 18F-FET Anreicherung auf die Parameter alpha und alpha/beta abzubilden. Für die resultierenden Dosisvorgaben wurden IMRT und IMPT Bestrahlungspläne erstellt.
Die Ergebnisse zeigten, dass mit IKO eine Bestrahlungsplanung im Sinne von Dosepainting by Numbers auf der Grundlage einer 18F-FET PET möglich war. Dabei stellte sich heraus, dass mit Protonen, aufgrund ihrer durch den Bragg-Peak charakterisierten Dosisverteilung, eine präzisere Dosismodulation und eine bessere Schonung des gesunden Gewebes erreicht werden konnte. In der Dosiseskalationsstudie war eine deutliche Dosiseskalation auf 18F-FET anreichernde Areale innerhalb des Tumorvolumens ohne zusätzliche Dosisbelastung für das gesunde Gewebe sowohl mit Protonen, als auch mit Photonen möglich. Eine TCP-basierte Bestrahlungsplanung wurde mit Protonen erfolgreich umgesetzt. Die TCP der optimierten Bestrahlungspläne variierte zwischen 74% und 100%. Bei den IMRT-Plänen konnte nur in einem Fall eine TCP von 69% erreicht werden. Die anderen beiden Pläne ergaben eine TCP zwischen 0% und 4%.
Eine Strahlentherapie im Sinne von Dosepainting by Numbers stellt nicht nur eine hohe Anforderung an die Bestrahlungsplanung, sondern auch an die Qualitätssicherung. Aus diesem Grund wurden in dieser Arbeit der Monte Carlo Dosisalgorithmus XVMC mit dem Strahlerkopfmodell dosimetrisch verifiziert und ein Verfahren zur patientenspezifischen Bestrahlungsplanverifikation mit XVMC vorgestellt.

Translation of the abstract (English)

The use of biological and functional imaging for target volume definition in radiotherapy is already widely spread. An integration into radiotherapeutical treatment planning in the sense of dose painting by numbers inevitably leads to an inhomogeneous dose prescription inside the tumor. It therefore constitutes a new challenge for treatment planning systems and irradiation modalities.
In this work, a biological adapted treatment planning based on 18F-Fluoroethyltyrosin (FET) positron emission tomography (PET) of brain tumors was developed and investigated. For lack of concrete experimental or clinical cognitions a linear model was used as a first approach to derive a dose prescription from the activity inside a voxel. Upper and lower dose, respectively activity limits were defined to avoid under- or overdosing. The voxel by voxel dose prescription was implemented into the objective function of the inverse Monte Carlo treatment planning system IKO, developed at the department for radiotherapy of the university hospital Regensburg, and treatment plans for intensity modulated radiotherapy (IMRT) and intensity modulated protontherapy (IMPT) were created. In a further planning study the potentials of a dose escalation to 18F-FET accumulating subvolumes within the target volume were investigated. For this purpose, the upper dose limit of the linear model was stepwise increased and the dose burden to the healthy tissue was evaluated. As an enhancement of the linear model, a treatment planning basing on the tumor control probability (TCP) was developed. The dose prescription was derived by using a formula, developed by Y. Yang and L. Xing, which depends on the radiobiological parameters alpha and alpha/beta as well as on the cell doubling rate and clonogenic cell density. An analysis of the dose prescription in dependency of the four parameters showed, that a variation of the parameters alpha and alpha/beta lead to the largest dose variance. Due to this, again a hypothetical linear approach was made to map the 18F-FET accumulation to the parameters alpha and alpha/beta. IMRT and IMPT treatment plans were were generated for the resulting dose prescriptions.
The results showed, that a treatment planning in the sense of dose painting using IKO was possible. It came out, that with protons, due to their local dose deposition, characterized by the Bragg peak, a more precise dose modulation and a better was healthy tissue protection could be achieved. The dose escalation study demonstrated, that a remarkable dose escalation to 18F-FET accumulating regions within the tumor volume without additional dose to the healthy tissue was possible with protons as well as with photons. A TCP based treatment planning was realized successfully with protons. The TCP of the optimized treatment plans varied between 74% and 100%. Using IMRT, only in one case a TCP of 69% could be achieve, while the other two plans had a TCP between 0% and 4%.
A radiotherpeutical treatment planning in the sense of dose painting by numbers does not only require high demands to the treatment planning process, but also to the quality assurance. Due to this reason, the Monte Carlo dose calculation algorithm XVMC was verified dosimetrically and a method for patient specific treatment plan verification were presented.

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Series of the University of Regensburg:	Dissertationsreihe der Fakultät für Physik der Universität Regensburg
Date:	8 December 2009
Referee:	Ludwig (Prof. Dr.) Bogner
Date of exam:	9 December 2008
Institutions:	Medicine > Lehrstuhl für Strahlentherapie
Keywords:	Strahlentherapie , Protonentherapie , Bestrahlungsplan , Dosis-Wirkungs-Beziehung , Monte-Carlo-Simulation , Positronen-Emissions-Tomographie , Dosepainting by Numbers , Strahlentherapie , IMRT , IMPT , Monte Carlo , dose painting by numbers , Fluoroethyltyrosine PET , radiotherapy , treatment planning , direct aperture optimization
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	12141

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