A review of treatment planning for precision image-guided photon beam pre-clinical animal radiation studies

Recently, precision irradiators integrated with a high-resolution CT imaging device became available for pre-clinical studies. These research platforms offer significant advantages over older generations of animal irradiators in terms of precision and accuracy of image-guided radiation targeting. These platforms are expected to play a significant role in defining experiments that will allow translation of research findings to the human clinical setting. In the field of radiotherapy, but also others such as neurology, the platforms create unique opportunities to explore e.g. the synergy between radiation and drugs or other agents.To fully exploit the advantages of this new technology, accurate methods are needed to plan the irradiation and to calculate the three-dimensional radiation dose distribution in the specimen. To this end, dedicated treatment planning systems are needed. In this review we will discuss specific issues for precision irradiation of small animals, we will describe the workflow of animal treatment planning, and we will examine several dose calculation algorithms (factorization, superposition-convolution, Monte Carlo simulation) used for animal irradiation with kilovolt photon beams. Issues such as dose reporting methods, photon scatter, tissue segmentation and motion will also be discussed briefly.

ZusammenfassungSeit Kurzem stehen Präzisions-Bestrahlungsgeräte mit einer integrierten, hoch auflösenden Röntgen-CT-Bildgebung für präklinische Studien zur Verfügung. Diese Forschungsplattformen bieten erhebliche Vorteile gegenüber Tier-Bestrahlungsgeräten der älteren Generationen hinsichtlich der Genauigkeit der bildgeführten, gezielten Strahlentherapie. Diese Plattformen werden wahrscheinlich eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Experimenten spielen, welche die Übertragung von Forschungsergebnissen in klinische Situationen zum Ziel haben. Innerhalb des Fachgebietes Strahlentherapie, aber auch in anderen Bereichen wie zum Beispiel der Neurologie, bieten diese Geräte einzigartige Möglichkeiten, unter anderen Substanzen die Synergie zwischen Bestrahlung und Medikamenten oder anderen Agentien zu erforschen.Um die Vorteile dieser neuen Technologie voll aus-schöpfen zu können, sind genaue Methoden notwendig, um die Bestrahlung planen und die dreidimensionale Dosisverteilung im Organismus berechnen zu können. Spezielle, hierfür entworfene Bestrahlungsplanungssysteme sind hierbei essentiell. In dieser Übersichtsarbeit erörtern wir die spezielle Situation der Präzisionsbestrahlung von Kleintieren, wir beschreiben die Arbeitsweise der Bestrahlungsplanung bei Tieren, und wir untersuchen verschiedene Algorithmen zur Dosisberechnung (Ray Tracing, Superposition-Konvolution, Monte-Carlo-Simulation), die für die Tierbestrahlung mittels Kilovolt-Photonen verwendet werden. Des Weiteren werden Punkte, wie zum Beispiel Methoden der Dosismeldung, Photonenstreuung, Gewebesegmentation und Bewegung kurz angerissen.