Steep dose gradients for simultaneous integrated boost IMRT

Steep dose gradients between two planning target volumes (PTVs) as may be required for simultaneous integrated boosts (SIB) should be an option provided by IMRT algorithms. The aim was to analyse the geometry of the SIB problem and to implement the results in an algorithm for IMRT segment generation denoted two-step intensity modulated radiotherapy (2-Step IMRT). It was hypothesized that a gap between segments directed to the inner and the outer PTV would steepen the dose gradient. The mathematical relationships were derived from the individual dose levels and the geometry (diameters) of the PTVs. The results generated by means of 2-Step IMRT segments were equivalent or better than the segment generation using a commercial IMRT planning system. The dose to both the inner and the outer PTV was clearly more homogeneous and the composite objective value was the lowest. The segment numbers were lower or equal – with better sparing of the surrounding tissue. In summary, it was demonstrated that 2-Step IMRT was able to achieve steep dose gradients for SIB constellations.

ZusammenfassungIMRT-Algorithmen sollten in der Lage sein, steile Dosisgradienten zwischen zwei Zielvolumina zur Verfügung zu stellen, wie sie bei mancher simultan integrierter Boostbestrahlung (SIB) gefordert werden könnten. Im Rahmen dieser Arbeit war zunächst eine Analyse des SIB-Problems auf der Basis geometrischer Betrachtungen durchzuführen. Die Ergebnisse sollten dann in einen Algorithmus zur Segmenterzeugung integriert werden, der unter dem Namen “two-step intensity modulated radiotherapy” (2-Step-IMRT) eingeführt wurde. Es wurde eine Hypothese entwickelt, der gemäß eine Lücke in der Fluenzverteilung an der Nahtstelle zwischen dem inneren und dem äußeren Zielvolumen entstehen sollte. Diese Lücke sollte zu einem steileren Dosisgradienten führen. Es wurden mathematische Beziehungen aufgestellt, die deren Abhängigkeit von der Höhe der jeweils geforderten Dosis und den geometrischen Daten (Durchmessern) der Zielvolumina beschreiben. Bei den Anwendungen wurden die Ergebnisse der Segmentgenerierung mit Hilfe von 2-Step-IMRT mit denen eines kommerziellen Planungssystems verglichen. 2-Step-IMRT erwies sich als den anderen Methoden gleichwertig, wenn nicht überlegen. Die Dosis im zentralen und im äußeren Zielvolumen zeigte sich homogener, die Zielfunktion erreichte niedrigere Werte. Die Segmentzahlen waren vergleichbar oder geringer bei besserer Schonung des umliegenden Gewebes. Es konnte demonstriert werden, dass 2-Step-IMRT in der Lage ist, für simultan integrierten Boost steile Dosisgradienten zu erzeugen.