Impact of tissue specific parameters on the prediction of the biological effectiveness for treatment planning in ion beam therapy

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.