title: Impact of tissue specific parameters on the prediction of the biological effectiveness for treatment planning in ion beam therapy
title: Impact of tissue specific parameters on the prediction of the biological effectiveness for treatment planning in ion beam therapy
title: Der Einfluss gewebespezifischer Parameter auf die Beschreibung der biologischen Wirksamkeit für die Bestrahlungsplanung in der Ionenstrahltherapie
Creators: name: Grün, Rebecca Antonia
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2014
Subjects: biological based treatment planning
Local Effect Model
Biophysik
ion beam therapy
Modellierung
relative biological effectiveness
relative biologische Wirksamkeit
Ionenstrahltherapie
Bestrahlungsplan
Strahlentherapie
Medizin, Gesundheit
Ion
biologische Bestrahlungsplanung
Strahlenbiologie
LEM

description: Treatment planning in ion beam
      therapy requires a reliable estimation of the relative
      biological effectiveness (RBE) of the irradiated tissue. For
      the pilot project at GSI Helmholtzzentrum für
      Schwerionenforschung GmbH and at other European ion beam
      therapy centers RBE prediction is based on a biophysical
      model, the Local Effect Model (LEM). The model version in
      use, LEM I, is optimized to give a reliable estimation of RBE
      in the target volume for carbon ion irradiation. However,
      systematic deviations are observed for the entrance channel
      of carbon ions and in general for lighter ions. Thus, the LEM
      has been continuously developed to improve accuracy. The
      recent version LEM IV has proven to better describe in-vitro
      cell experiments. Thus, for the clinical application of LEM
      IV it is of interest to analyze potential differences
      compared to LEM I under treatment-like conditions. The
      systematic analysis presented in this work is aiming at the
      comparison of RBE-weighted doses resulting from different
      approaches and model versions for protons and carbon ions.
      This will facilitate the assessment of consequences for
      clinical application and the interpretation of clinical
      results from different institutions. In the course of this
      thesis it has been shown that the RBE-weighted doses
      predicted on the basis of LEM IV for typical situations
      representing chordoma treatments differ on average by less
      than 10 % to those based on LEM I and thus also allow a
      consistent interpretation of the clinical results. At
      Japanese ion beam therapy centers the RBE is estimated using
      their clinical experience from neutron therapy in combination
      with in-vitro measurements for carbon ions (HIMAC approach).
      The methods presented in this work allow direct comparison of
      the HIMAC approach and the LEM and thus of the clinical
      results obtained at Japanese and European ion beam therapy
      centers. Furthermore, the sensitivity of the RBE on the model
      parameters was evaluated. Among all parameters the
      characterization of the photon dose-response curve has been
      found to be of particular importance for the determination of
      RBE. The application of the LEM IV for proton beams more
      correctly represents the experimentally observed increase of
      RBE towards the distal end of the irradiation field compared
      to the clinically considered constant value of 1.1. It
      further allowed a better systematic characterization of the
      increased effective range of proton beams that is a
      consequence of the RBE enhancement at the distal edge of the
      treatment field. The results of this work underline the
      importance of detailed RBE modeling for a long-term
      improvement of treatment planning in particle therapy and the
      better exploitation of advantages inherent to this radiation
      modality.
description: Die biologische
      Bestrahlungsplanung in der Partikeltherapie erfordert eine
      zuverlässige Abschätzung der relativen biologischen
      Wirksamkeit (RBW) im bestrahlten Gewebe. Für das Pilotprojekt
      an der GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung GmbH in
      Darmstadt und in den bisherigen europäischen
      Partikeltherapiezentren basiert die RBW-Vorhersage auf einem
      biophysikalischen Modell, dem Local Effect Model (LEM). Die
      derzeit verwendete erste Version des Modells (LEM I) ist auf
      die Beschreibung der Wirkung von Kohlenstoffstrahlen im
      Zielvolumen optimiert. Es zeigt jedoch für den
      Eintrittsbereich der Kohlenstoffionen als auch generell für
      leichtere Ionen systematische Abweichungen der RBW. Aus
      diesem Grunde wurde das LEM kontinuierlich weiterentwickelt.
      Die aktuelle Version (LEM IV) zeigt eine bessere
      Übereinstimmung der Modellrechnung mit den Ergebnissen aus
      in-vitro Zellexperimenten. Für die Anwendung des LEM IV in
      der Bestrahlungsplanung ist daher die Untersuchung der
      möglichen Unterschiede zu LEM I unter klinisch relevanten
      Bestrahlungsbedingungen von Interesse. Die in dieser Arbeit
      präsentierten Analysen haben das Ziel, die aus verschiedenen
      Verfahren und Modellvarianten resultierenden RBW-gewichteten
      Dosen für Protonen und Kohlenstoffionen zu vergleichen.
      Dadurch sollen mögliche Auswirkungen von Unterschieden auf
      die klinische Anwendung herausgestellt und die Interpretation
      von klinischen Ergebnissen verschiedener Institute ermöglicht
      werden. In der vorliegenden Arbeit konnte gezeigt werden,
      dass sich für typische Bestrahlungssituationen mit
      Kohlenstoffstrahlen von Chordomen der Schädelbasis die aus
      Anwendung des LEM I und LEM IV resultierenden RBW-gewichteten
      Dosen im Mittel um weniger als 10 % unterscheiden und damit
      die Anwendung des LEM IV ebenfalls eine konsistente
      Interpretation der klinischen Daten erlaubt. In den
      japanischen Zentren wird die RBW aus der klinischen Erfahrung
      mit Neutronenstrahlung und in-vitro Zellexperimenten mit
      Kohlenstoffionen abgeschätzt (HIMAC Ansatz). Die in der
      Arbeit vorgestellten Methoden ermöglichen einen direkten
      Vergleich des HIMAC Ansatzes mit dem LEM und damit auch der
      erzielten klinischen Ergebnisse. Eine Sensitivitätsanalyse
      der RBW bezüglich der Modellparameter stellte die
      Charakterisierung der Photonen-Dosiseffektkurve als eine
      besonders relevante Kenngröße heraus. Die Anwendung des LEM
      IV für Protonenstrahlen gibt die experimentell beobachtete
      Erhöhung der RBW im Vergleich zu dem klinisch verwendeten
      Wert von 1.1 am distalen Ende des Bestrahlungsfeldes genauer
      wieder. Sie erlaubt darüber hinaus eine bessere systematische
      Charakterisierung der Erhöhung der effektiven Reichweite von
      Protonenstrahlen, die eine Folge der RBW-Erhöhung am distalen
      Ende des Bestrahlungsfeldes ist. Die Ergebnisse dieser Arbeit
      unterstreichen damit den Stellenwert der RBW Modellierung für
      eine langfristige Verbesserung der Bestrahlungsplanung in der
      Partikeltherapie und die damit verbundene bessere Ausnutzung
      der Vorteile dieser Bestrahlungsmodalität.