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 Fußzeile TimesNewRoman 10 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 Fußzeile TimesNewRoman 10
