title: Optimization of high precision stereotactic body radiotherapy with photons and ions for non-small-cell-lung cancer
title: Optimierung von Hochpräzisions-Stereotaktischer Strahlentherapie mit Photonen und Ionen für nicht-kleinzellige Lungentumore
Creators: name: Santiago García, Alina
Publisher: name: Philipps-Universität Marburg
Year: 2017
Subjects: particle therapy, carbon ion therapy
proton therapy
medical physics
Nicht-kleinzelliges Bronchialkarzinom , Modellierung
Bestrahlungsplan
Partikeltherapie, Kohlenstoffionentherapie
Protonentherapie, Medizinphysik
Medical sciences, Medicine
Medizin, Gesundheit
Strahlentherapie

description: Die Arbeit untersucht Aspekte, die
      vor einer klinischen Implementierung einer
      Partikelstrahlentherapie mit einem gescannten Strahl zur
      Behandlung von Lungentumoren berücksichtigt werden müssen. Im
      ersten Teil der Arbeit wurde die Reproduzierbarkeit der
      berechneten Dosisverteilung mit einem gescannten
      Partikelstrahl zur Behandlung nicht-kleinzelliger
      Lungentumore (NSCLC) im Stadium I in einem klinischen
      Szenario untersucht. Die Berechnungen basieren auf einem
      Datensatz von Patienten, die unter
      High-Frequency-Jet-Ventilation (HFJV) zur Tumorfixation
      mittels einer Einzeitbestrahlung mit Photonen behandelt
      wurden. Bestrahlungspläne für eine Bestrahlung mit Protonen
      oder Kohlenstoffionen wurden berechnet und bzgl. klinischer
      Planungsparameter optimiert, um die bestmögliche
      Dosisabdeckung im Zielgebiet zu erreichen. Inter-fraktionelle
      anatomische Veränderungen innerhalb einer kurzen Zeitspanne
      wurden simuliert durch Berücksichtigung der anatomischen
      Veränderungen zwischen dem Bestrahlungsplanungs-CT und dem
      Lokalisations-CT vor der Einzeitbestrahlung. Die
      dosimetrischen Auswirkungen dieser anatomischen Veränderungen
      (u.a. durch Änderung der Tumorposition und Lagevarianz des
      Patienten) wurden berechnet. Diese anatomischen Veränderungen
      wurden mittels Berechnung der water equivalent path length
      (WEPL) im Eintrittskanal des Strahls quantifiziert und mit
      der Dosisabdeckung im Zielgebiets korreliert. Zudem wurden
      Strahl- und Planungsparameter identifiziert, die die
      dosimetrischen Auswirkungen solcher anatomischer
      Veränderungen reduzierten, z.B. die Einstrahlrichtung, die
      Anzahl der Einstrahlrichtungen und die Spotgröße des
      gescannten Strahls. Wir konnten eine reproduzierbare
      Tumorfixation durch die HFJV nachweisen. Die Technik
      garantierte bei den meisten Patienten eine exzellente
      Dosisabdeckung des Zielgebiets bei einer Einzeitbestrahlung
      mit Protonen. Bei einer geringen Anzahl von Patienten wurden
      allerdings nicht akzeptable Abweichungen der Dosisverteilung
      zum berechneten Bestrahlungsplan beobachten, was die
      Notwendigkeit einer Kontrolle der Tumorposition und der
      Patientenlagerung vor jeder Bestrahlungsfraktion mittels
      Bildgebung verdeutlicht. Hierbei sollten dezidierte
      Protokolle für die Bildführung einschließlich
      Interventionsschwellen entwickelt werden, die die Auswirkung
      anatomischer Veränderungen auf die Dosisverteilung
      berücksichtigen. Die HFJV scheint Interplayeffekte
      zuverlässig zu vermeiden. Die biologische Bestrahlungsplanung
      für die Behandlung mit Kohlenstoffionen erfordert ein
      biophysikalisches Modell strahlenbiologischer Effekte einer
      Strahlqualität mit hohem linearen Energietransfer (LET). Ein
      Modell, das momentan klinisch Anwendung findet, ist das local
      effect model (LEM). Das Modell beschreibt die
      Strahlensensitivität und den biologischen Effekt der
      Ionenbestrahlung im Vergleich zu einer fraktionierten
      Photonenbestrahlung im Tumor- und Normalgewebe. Das Modell
      benötigt Inputparameter, u.a. das α/β Verhältnis, das
      momentan fast ausschließlich aus in vitro Studien bekannt
      ist. Es besteht daher die Notwendigkeit, tumorspezifische und
      klinisch realistische Werte für das α/β Verhältnis zu
      erforschen. Solche tumorspezifische und klinisch realistische
      Werte für das α/β Verhältnis sind aber auch für eine
      hypofraktionierte Photonestrahlentherapie hoch relevant. Für
      solche Dosierungskonzepte wird zudem seit langem diskutiert,
      ob das Linear-quadratische Modell (LQ) oder das
      Linear-quadratisch-lineare Modell (LQ-L) solche Dosiseffekte
      am besten beschreibt und welches α/β Verhältnis für NSCLC
      adäquat ist, um Fraktionierungseffekte vorherzusagen. Für den
      zweiten Teil dieser Arbeit wurde daher ein Review
      publizierter lokaler Kontrollraten von NSCLC im Stadium I
      nach einer Strahlentherapie erstellt. Die lokalen
      Kontrollraten nach Radiatio mit unterschiedlichen
      Fraktionierungskonzepten wurden mathematisch modelliert,
      wobei Berechnungen mit dem LQ und dem LQ-L Modell
      durchgeführt wurden. Mit beiden Modellen ließen sich
      klinische Kontrollraten nach normo und hypofraktionierter
      Bestrahlung vorhersagen. Das LQ-L Modell ergab einen
      signifikanten Wert für Dt von 11.0 Gy bei Berechnung der
      biologisch effektiven Dosis (BED) im Isozentrum bei einem α/β
      Wert von 10 Gy bei hypofraktionierter Bestrahlung. Dieses
      Modell sagte eine ähnliche Tumorkontrollwahrscheinlichkeit
      voraus (TCP), wie das LQ-Modell. Es bestand eine klare
      Dosis-Effekt-Beziehung, die in der Hochdosisregion allerdings
      etwas schwächer ausgeprägt war, da hier die Daten stärker
      streuten. Die Ergebnisse zeigen keine Verbesserung der
      Vorhersage der lokalen Tumorkontrolle nach einer
      hypofraktionierten Bestrahlung durch das LQ-L Modell im
      Vergleich zum LQ Modell. Eine Analyse, um das optimale α/β
      Verhältnis bei Berechnungen mit dem LQ Modell zu finden,
      ergab keine signifikanten Wert, allerdings einen Trend zu
      einem α/β Verhältnis unter 10Gy.
description: This work presents a contribution
      in two different aspects required for the implementation of
      scanned-beam particle therapy for lung tumors. The first part
      of this work investigates the reproducibility of the
      calculated particle therapy dose distribution for early stage
      non-small cell lung cancer (NSCLC) tumors in a clinical
      scenario. These calculations were carried out based on data
      sets of patients treated with single dose photon stereotactic
      body radiotherapy (SBRT) under high frequency jet ventilation
      (HFJV) in order to achieve near-total tumor fixation. A
      dosimetric evaluation of calculated proton and carbon ion
      plans was performed, to fulfill clinical plan acceptance
      criteria with emphasis on target coverage. By simulating the
      inter-fractional anatomical changes in a short time scale
      between planning and delivery-time anatomies as imaged by the
      planning and localization computed tomography (CT) data sets,
      we carried out an investigation of the deterioration in
      target coverage. The anatomical changes (e.g. tumor position,
      patient setup) were quantified through water equivalent path
      length (WEPL) calculations within the beam entrance channels
      and correlated with the loss in dosimetric coverage. In
      addition, we identified beam and planning settings, which
      also help to reduce dosimetric deterioration, such as best
      choice of beam angle, higher number of beams, larger spot
      sizes and larger allowances for beam spots outside the
      target. We demonstrated reproducible tumor fixations through
      HFJV. Such technique warranted excellent target coverage in
      proton SBRT in the majority of the investigated patients.
      However, for a minor number of cases, unacceptable dosimetric
      deviations were observed, illustrating the need for imaging
      prior to each dose delivery with dedicated protocols,
      together with the development of intervention thresholds in
      case of anatomical discrepancies based on their potential
      impact on the dose distribution. HFJV seems a suitable
      technique to reduce interplay effects. Newer assisted
      ventilation techniques which do not require use of anesthesia
      might be more suitable for fractionated radiotherapy.
      Biological treatment planning for carbon ion therapy requires
      a model of the radiobiological effects of high linear energy
      transfer (LET) radiation. One approach in the context of
      scanned beam ion therapy is built upon the local effect model
      (LEM). Within this approach, the description of the
      radiosensitivity and the behavior versus fractionated photon
      radiotherapy of both tumor and normal tissue requires input
      of α/β ratios, usually obtained from in vitro studies.
      Obtaining tumor-specific, realistic, clinical α/β values is
      urgently required. This topic is also relevant in
      hypofractionated photon radiotherapy, where there is an
      ongoing discussion, if the linear-quadratic (LQ) model
      represents adequately dose responses at high doses per
      fraction or if the linear-quadratic-linear (LQ-L) correction
      is necessary, and which α/β ratio describes better the
      fractionation effect for NSCLC tumors. The second part of
      this work presents a review of local control data of early
      stage NSCLC and models of these dose response data using the
      LQ and LQ-L approaches. Both, the LQ and LQ-L models can be
      fitted to clinical normo- and hypofractionated NSCLC outcome
      data. The LQ-L model yielded a significant value for the Dt
      of 11.0 Gy for the model based on biologically effective dose
      (BED) at the isocenter with α/β equal to 10 Gy for the full
      hypofractionation range; it produced a comparable tumor
      control probability (TCP) fit to the LQ model. We found a
      clear dose-effect relationship, which in the high BED region
      was weaker due to considerable dispersion in the data. For
      the application of BED (α/β=10 Gy) in the range of 100–150 Gy
      in three fractions or more, the differences in isoeffects
      predicted by both models can be neglected. Our findings
      therefore do not allow us to suggest use of the LQ-L model
      for an improved fitting compared to the LQ model of local
      control data in case of hypofractionation. A tentative
      analysis to establish the optimal α/β ratio in the frame of
      the LQ model for the full fractionation range did not produce
      significant estimates, although it showed a trend for α/β
      values lower than 10 Gy.