Dosimetric comparison of photon, proton and carbon ion therapy for meningioma patients

Abstract

Bei 10 Patienten wurden jeweils zwei Zielvolumina (PTVinitial und PTVBoost) eingezeichnet. Intensitätsmodulierte Bestrahlungspläne mit einer vorgeschriebenen Dosis von 50 Gy(RBE) beziehungsweise 18 Gy(RBE) wurden für Photonen (IMXT), Protonen (IMPT) und Kohlenstoffionen (12C) mit Hilfe unterschiedlicher Bestrahlungsplanungsprogramme erstellt. Für die Protonen und Kohlenstoffionen wurde ausschließlich eine horizontale Strahlaustrittsrichtung ohne Gantry angenommen. Es wurden folgende Kombinationen aus den unterschiedlichen Modalitäten erstellt: - IMXT (initial) + IMXT/IMPT/12C (Boost), - IMPT (initial) + IMPT/12C (Boost), - 12C (initial) + 12C (Boost). Die Qualität der Pläne wurde anhand dosimetrischer Parameter wie des Konformitätsindex, des Homogenitätsindex und diverser Dosis-Volumen Parameter wie der maximalen und der mittleren Dosisbelastung analysiert und verglichen. Resultate: Als Ergebnis dieser Studie lässt sich zusammenfassen, dass eine Bestrahlung mit ausschließlich Leichtionen der Photonentherapie hinsichtlich der reduzierten integralen Dosis, der höheren Homogenität sowie der höheren Konformität überlegen war. IMPT und 12C wiesen ähnliche Charakteristika auf, wobei mit 12C ein steilerer Dosisgradient um das Zielvolumen und eine reduzierte integrale Dosis erreicht wurde. Hinsichtlich der Risikoorgane zeigten die Leichtionentherapien eine bessere Schonung durch einen reduzierten Hochdosisbereich. Besonders bei beiden Augen, dem Hirnstamm und dem Kleinhirn fiel die Dosisbelastung im Vergleich zur Photonentherapie in Niedrigdosisbereiche ab und die Dosisparameter unterschieden sich signifikant. Konklusion: Verglichen mit IMXT konnten trotz der Verwendung eines horizontalen Strahles mit Protonen und Kohlenstoffionen Verbesserungen hinsichtlich der Konformität und der Homogenität der Zielvolumen und eine bessere Schonung der Risikoorgane erreicht werden.

The delineation of two target volumes (PTVinitial and PTVBoost) was done for ten patients. Intensity-modulated radiation treatment plans with prescribed doses of 50 Gy(RBE) and 18 Gy(RBE) were generated for photons (IMXT), protons (IMPT) and carbon ions (12C), respectively. For light ion beam treatments, a horizontal fixed beam line without gantry was assumed. The following treatment modality combinations were compared: - IMXT (initial) + IMXT/IMPT/12C (Boost), - IMPT (initial) + IMPT/12C (Boost), - 12C (initial) + 12C (Boost). Treatment plan quality was analyzed and compared on the basis of dosimetric parameters, such as conformity index, homogeneity index, and various dose-volume parameters. Results: Results revealed that sole light ion modalities are the better alternative, considering the reduced integral dose and the higher degrees of homogeneity and conformity, when compared to photon therapy. IMPT and 12C exhibited similar characteristics, with 12C leading to a sharper penumbra around the target volume and reduced integral dose. The light ion treatment modalities demonstrated better sparing of the organs at risk, due to the reduced high-dose areas. Particularly with respect to brainstem, eyes and cerebellum, the dose burden was reduced to a minimum and the dose parameters differed significantly from those of the photon therapy. Conclusion: Even though a fixed horizontal beam with protons and carbon ions was used, various improvements were achieved as compared to the IMXT: higher levels of conformity and homogeneity of the target volumes, and a better sparing of the organs at risk.