Optimierung der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit mit Photonen und

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39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
Optimierung der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit mit Photonen und Protonen
Rickhey, Mark1; Alvarez Moret, Judith1; Oliver, Kölbl1; Eilles, Christof2; Bogner, Ludwig1
1) Klinik
2)
und Poliklinik für Strahlentherapie, Universität Regensburg
Klinik für Nuklearmedizin, Universität Regensburg
Einleitung
Mit Hilfe biologischer Bildgebung ist nicht nur eine morphologische Darstellung des Tumors möglich, sondern
auch eine Darstellung seiner heterogenen funktionellen Eigenschaften. In Verbindung mit strahlenbiologischen
Erkenntnissen werde diese zunehmend bei der Strahlentherapieplanung berücksichtigt.
In dieser Arbeit wird ein Modell zur Optimierung der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit vorgestellt. Es basiert
auf der hypothetischen Annahme, dass die Anreicherung von 18F-FET beim Glioblastom mit den Parametern des
Linear-Quadratischen Modells (LQ-Modell) korelliert werden kann. Die resultierende Dosisvorgabe wird mit
den Bestrahlungsmodalitäten Photonen und Spotscanning Protonen optimiert und die Dosisverteilungen verglichen.
Material und Methoden
Grundlage der Arbeit ist ein von Y.Yang and L. Xing [1] hergeleitete Formel zur Bestimmung einer Dosisvorgabe in einem Volumenelement i als Funktion der strahlenbiologischen Parameter des LQ-Modells:
D0 i  
 ' ref
1
 ref   i T  1 ln   'ref  ref
Dref 
 'i
 'i
 'i   'i  i
 ' i ist dabei definiert durch:  '


di

i  i 1
   

   i









(1)
(2)
Neben den Parametern α und α/β hängt das Modell auch von der Zellproliferationsrate γ und der Zelldichte ρ ab.
Wir beschränken uns auf die Variation der ersten beiden Parameter und nehmen γ und ρ als konstant an. Die
hypothetische lineare Abbildung der 18F-FET Anreicherung, gegeben durch den Standard Uptake Value (SUV),
ist in Abb. 1 dargestellt. Obere und untere Schranken für α und α/β sollen den Einfluss von Artefakten in der
PET-Bildgebung vermeiden. Der resultierende nichtlineare Zusammenhang zwischen Dosisvorgabe und SUV
nach Anwendung von Formel 1 ist in Abb. 2 abgebildet.
Die Dosisvorgabe wurde für drei Patienten anhand einer 18F-FET PET unter Anwendung von Formel 1 berechnet und in die Zielfunktion des inversen Monte Carlo Bestrahlungsplanungssystems IKO [2] implementiert. Als
Dosisalgorithmen stehen die Monte Carlo Algorithmen XVMC [3] und VMCpro [4] zur Verfügung. Die Optimierung der Dosisverteilungen erfolgte mit einem Gradientenminimierungs Verfahren.
Für jede Patientenstudie wurde jeweils ein 6MV Photonen und ein Spotscanning Protonen Plan optimiert und
die Tumorkontrollwahrscheinlichkeiten der Dosisverteilungen berechnet und mit der TCP der Dosisvorgabe
verglichen.
Abbildung 1: Lineare Abbildungsvorschrift des SUV auf die
strahlenbiologischen Parameter α und α/β.
Ergebnisse
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Abbildung 2: Nichtlineare Dosisvorgabe in Abhängigkeit des
Standard Uptake Value
39. DGMP Tagung 2008 in Oldenburg
In Abb. 3 ist die 18F-FET PET eines Patienten in einer transversalen Schicht zu sehen. Abb. 4 zeigt die Dosisvorgabe nach Anwendung von Formel 1 auf die PET in Abb. 3. Die Abbildungen 5 und 6 zeigen die mit Photonen bzw. Protonen optimierten Dosisverteilungen. Die bessere Modulationsfähigkeiten von Protonen ist deutlich zu erkennen. In Abb. 7 sind die Abweichungen der optimierten Dosisverteilungen von der Dosisvorgabe für
alle Voxel des Zielvolumens bei einem Patienten in einem Differenzhistogramm aufgetragen. σ beschreibt die
Standardabweichung der Verteilung. In Tabelle 1 sind die TCP Werte von Dosisvorgabe, Photonendosis und
Protonendosis aufgelistet. Die TCP-Werte der Dosisvorgabe liegen zwischen 94% und 97% während sowohl die
Werte der Photonen und der Protonen bis auf eine Ausnahme bei 92% liegen.
Abbildung 3: 18F-FET-PET
in einer transversalen
Schicht
Abbildung 4: Resultierende
Dosisverteilung, dargestellt
in einer transversalen
Schicht.
Abbildung 5: Dosisverteilung
mit Dose Painting by Numbers optimiert mit 6MV Photonen
Abbildung 6: Dosisverteilung
mit Dose Painting by Numbers optimiert mit Spotscanning Protonen
Patient 1
Patient 2
Patient 3
TCPVorgabe
94%
96%
97%
TCPPhoto-
92%
92%
90%
92%
92%
92%
nen
TCPProtonen
Abbildung 7: Vergleich der Dosisdifferenz-Histogramme
nach der Optimierung mit Photonen und Protonen einer
Planstudie. σ beschreibt die Standardabweichung der Verteilungen.
Tabelle 1: Vergleich der Tumorkontrollwahrscheinlichkeiten
von Dosisvorgabe, Dosisverteilung mit Photonen optimiert
und Dosisverteilung mit Protonen optimiert.
Diskussion
Mit dem vorgestellten Modell ist eine einfache Optimierung der TCP unter der Annahme einer heterogenen
Verteilung der strahlenbiologischen Eigenschaften innerhalb eines Tumors möglich. Dabei zeigt sich, dass trotz
der besseren Modulationsfähigkeit von Protonen die TCP Werte von Photonen und Protonen gleich sind.
Die in dieser Arbeit angenommene Verteilung und die strahlenbiologische Interpretation der 18F-FET PET ist
rein hypothetisch. Sobald genauere Erkenntnisse verfügbar sind, können diese problemlos in das Modell integriert werden.
Danksagung
Diese Arbeit wurde vom Bayerischen Staatsministerium für Umwelt, Gesundheit und Verbraucherschutz gefördert. Wir danken Dr. M. Fippel für die Bereitstelllung der Monte Carlo Dosisalgorithmen XVMC und
VMCpro.
Literatur
[1] Y.Yang und L. Xing: Towards biologically conformal radiation therapy (BCRT): selective IMRT dose
escalation under the guidance of spatial biology distribution. Med. Phys. , 2005, 32(6), 1473-1484
[2] Bogner, L.; Hartmann, M.; Rickhey, M. und Moravek, Z. Application of an inverse kernel concept to Monte
Carlo based IMRT Med. Phys., 2006, 33, 4749-4757
[3] Fippel, M.: Fast Monte Carlo dose calculation for photon beams based on the VMC electron algorithm
Med. Phys., 1998, 26, 1446-1475
[4] Fippel, M. und Soukup, M. A Monte Carlo dose calculation algorithm for proton therapy. Med.
Phys.,2004,31, 2263-2273
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