Optimization of high precision stereotactic body radiotherapy with photons and ions for non-small-cell-lung cancer

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.