Validation of organ at risk dose constraints in carbon ion radiotherapy at MedAustron based on different radiobiological models

Abstract

Die Kohlenstoffionentherapie (CIRT) bietet neben einer vorteilhaften Dosisverteilung auch eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBE) als Photonen oder Protonen. Die RBE von Kohlenstoffionen variiert je nach Position innerhalb der Teilchenspur erheblich, sodass komplexe mathematische Modelle für die Bestrahlungsplanung benötigt werden, um eine gleichmäßige biologische Wirkung im Zielvolumen zu erzielen. Aus historischen Grünnden werden in CIRT-Zentren weltweit zwei verschiedene Modelle, MKM und LEM, verwendet.Während japanische Einrichtungen einen Großteil der klinischen Erfahrungen für die CIRT mit MKM eingebracht haben, ist LEM das fuhrende RBE-Modell in Europa und China.Um von den japanischen Erfahrungen zu proftieren, wenden viele europäische Zentren japanische Behandlungsschemata an, obwohl deren Bestrahlungsplanung auf LEM basiert.Dies erfordert Anpassungen der geplanten Dosiswerte für das Tumorvolumen sowie der maximalen Grenzwerte für die Risikoorgane (OAR). Da davon ausgegangen wird, dass LEM eine höhere RBE liefert als MKM, würde die direkte Anwendung von MKM-Werten in Kombination mit dem LEM-Modell zu einer Unterdosierung im Zielbereich und einer Überdosierung in den Risikoorganen führen.Ziel dieser Arbeit war es, die bei MedAustron angewandten OAR-Dosisbeschränkungen für die Kopf- und Halsregion bzw. die OARs Hirnparenchym, Hirnstamm und optisches System zu validieren, indem Vergleiche zwischen LEM und MKM erstellt wurden.31 bereits mit japanischen Behandlungsschemata bei MedAustron therapierte Patienten wurden für diese Studie selektiert. Die klinischen, LEM-basierten Pläne wurden im Bestrahlungsplanungssystem RayStation v9A mit MKM neu berechnet. Basierend auf extrahierten Dosispunkten für einzelne OARs wurden Translationskurven generiert und für den Vergleich der jeweiligen Dosisgrenzwerte herangezogen. Anhand einfacher Zielstrukturenwurden beide Modelle im Bestrahlungsplanungssystem einander gegenübergestellt. Diese Vorgehensweise führte zu einem tieferen Verständnis der Modelle und lässt Rückschlüsse auf ihre Anwendung zu.Die aktuell verwendeten LEM-Grenzwerte konnten erfolgreich validiert werden, da sie mit den empfohlenen MKM-Werten übereinstimmen. Es konnte gezeigt werden, dass die Anwendbarkeit nicht in jedem Fall automatisch gegeben ist. Verschiedene Bestrahlungsplanungsparameter, z.B. Variationen in der Dosis pro Fraktion oder in den verwendeten Einstrahlwinkeln, führen dazu, dass das Verhältnis der beiden Modelle variiert. Diese generierten Abweichungen sind unter klinischen Bedingungen zu berücksichtigen und sorgfältig zu bewerten.

Carbon ion radiotherapy (CIRT) others, besides benefcial dose distribution, an increased relative biological effectiveness (RBE) compared to photons or protons. However, RBE of carbon ions varies significantly depending on the position within the particle track, creating the necessity for application of sophisticated mathematical models in treatment planning to achieve homogeneous biological effects within target volumes. Due to historical reasons, two different models, namely MKM and LEM, are in use in CIRT-centres around the world. While Japanese facilities created the largest amount of clinical evidence for CIRT applying MKM, LEM is the prominent RBE model in Europe and China. To benefit from Japanese experience, many European centres apply Japanese treatment schemes, though actual planning is performed in LEM. This requires modifcations of nominal doses for target prescriptions as well as constraints to organs at risk (OARs) as LEM is assumed to estimate higher RBE than MKM, i.e. application of MKM numerical values would cause underdosage of targets and increased dose to healthy tissues. The aim of this thesis was tovalidate dose constraints applied at MedAustron for the head and neck region, by creating translations between RBE models and comparing achieved translations with recommended values. Emphasis was placed on the OARs brain parenchyma, brainstem and optic system.31 patients treated with Japanese treatment schedules at MedAustron were selected retrospectively and clinical LEM-based plans were recalculated with MKM in the treatment planning system RayStation v9A. Based on extracted dose statistics for individual OARs, translation curves were generated and applied to translate respective constraints. Additionally, several investigations on simple target structures in articial plans were created to properly understand dependences of both models. Currently applied LEM constraints were successfully validated as they correspond to recommended MKM values according to the derived translations. However, translated constraintshave been shown to have limited applicability. For specific treatment planning parameters, including dose per fraction and applied beam angles, the relation between models varies from the expected translation profile, creating outlier cases for which an application of the presented constraints in LEM does not automatically imply a fulfilment of the corresponding MKM values. Such cases need to be considered and carefully evaluated in clinical routine of CIRT.