Application of the Inverse Monte Carlo Treatment Planning System IKO for an Inhomogeneous Dose Prescription in the Sense of Dose Painting*

Biological imaging (PET, SPECT, fMRI, MRS, etc.) is able to provide tri-dimensional biological information, i.e. proliferation, cell density, hypoxia or choline/citrate ratio. The implementation of this information in a treatment plan can be utilised to escalate the dose in target subvolumes. For this purpose, a treatment planning system has to be able to realise an inhomogeneous dose prescription with sufficient spatial resolution. The present study investigated to which extent the inverse Monte Carlo treatment planning system IKO (inverse kernel optimization), developed at our department, can modulate an inhomogeneous dose prescription. As a qualifier to describe this ability, we defined in analogy to imaging a modulation transfer function for treatment planning systems. In addition two clinical cases, a prostate case and a head-and-neck case, were set up with different dose prescriptions in different subtargets. The modulation transfer function revealed that IKO is able to modulate structures larger than 1.3 cm with sharp dose gradients. Also, IKO is able to modulate several subtargets inside a prostate with different escalated doses. The dose-volume histograms of the head-and-neck case showed a good dose coverage of the target volumes, as well as a good protection of the organs at risk according to the dose constraints. As a result, IKO is able to realise a heterogeneous dose prescription in the sense of “dose painting”.

ZusammenfassungMit Hilfe biologischer Bildgebung (PET, SPECT, fMRI, MRS etc.) ist es möglich, biologische Informationen wie z.B. Proliferation, Zelldichte, Hypoxie oder Cholin/Citrat-Verhältnis dreidimensional darzustellen. Die Einbindung dieser Information in die Bestrahlungsplanung kann zu dem Wunsch nach einer gezielten Dosiseskalation in einzelnen Subvolumina führen. Ein Bestrahlungsplanungssystem muss dazu eine inhomogene Dosisvorgabe mit genügend hoher räumlicher Auflösung realisieren können. In dieser Arbeit wurde untersucht, inwiefern das in unserer Abteilung entwickelte inverse Monte-Carlo-Bestrahlungsplanungssystem IKO (Inverse-Kernel-Optimierung) eine inhomogene Dosisvorgabe modulieren kann. Dafür wurde, in Analogie zur Bildverarbeitung, eine Modulationsübertragungsfunktion für ein Bestrahlungsplanungssystem definiert. Zusätzlich wurden zwei klinische Beispiele, ein Prostata- und ein HNO-Fall, mit verschiedenen Dosisvorgaben in den einzelnen Subvolumina untersucht. Die Modulationsübertragungsfunktion zeigt, dass IKO in der Lage ist, Strukturen, die größer als 1,3 cm sind, mit scharfen Dosisgradienten zu modulieren. Des Weiteren können mit IKO in mehreren Zielvolumina innerhalb der Prostata unterschiedliche Dosiseskalationen erreicht werden. Die Dosis-Volumen-Histogramme des HNO-Falls zeigen eine gute Dosisseparation in den einzelnen Teilvolumina sowie eine gute Schonung der Risikoorgane bezüglich der Dosisbeschränkungen. Als Ergebnis kann mit IKO eine inhomogene Dosisverteilung im Sinne von “dose painting” realisiert werden.