Feasibility of TCP-based dose painting by numbers applied to a prostate case with 18F-Choline PET imaging

IntroductionA biologically adaptive radiation treatment method to maximize the TCP is shown. Functional imaging is used to acquire a heterogeneous dose prescription in terms of Dose Painting by Numbers and to create a patient-specific IMRT plan.Method and MaterialsAdapted from a method for selective dose escalation under the guidance of spatial biology distribution, a model, which translates heterogeneously distributed radiobiological parameters into voxelwise dose prescriptions, was developed. At the example of a prostate case with 18F-choline PET imaging, different sets of reported values for the parameters were examined concerning their resulting range of dose values. Furthermore, the influence of each parameter of the linear-quadratic model was investigated. A correlation between PET signal and proliferation as well as cell density was assumed. Using our in-house treatment planning software Direct Monte Carlo Optimization (DMCO), a treatment plan based on the obtained dose prescription was generated. Gafchromic EBT films were irradiated for evaluation.ResultsWhen a TCP of 95% was aimed at, the maximal dose in a voxel of the prescription exceeded 100 Gy for most considered parameter sets. One of the parameter sets resulted in a dose range of 87.1 Gy to 99.3 Gy, yielding a TCP of 94.7%, and was investigated more closely. The TCP of the plan decreased to 73.5% after optimization based on that prescription. The dose difference histogram of optimized and prescribed dose revealed a mean of -1.64 Gy and a standard deviation of 4.02 Gy. Film verification showed a reasonable agreement of planned and delivered dose.ConclusionIf the distribution of radiobiological parameters within a tumor is known, this model can be used to create a dose-painting by numbers plan which maximizes the TCP. It could be shown, that such a heterogeneous dose distribution is technically feasible.

ZusammenfassungEinleitungEine biologisch adaptive Strahlentherapie-Methode, welche die TCP maximiert, wird vorgestellt. Mittels funktioneller Bildgebung werden eine heterogene Dosisverschreibung im Sinne von Dose Painting by Numbers und ein patientenspezifischer IMRT-Plan erstellt.Material und MethodeAusgehend von einer Methode zur selektiven Dosiseskalation, basierend auf einer räumlichen Verteilung von biologischen Parametern, wurde ein Modell entwickelt, welches eine heterogene Verteilung strahlenbiologischer Parameter in eine voxelweise Dosisvorgabe übersetzt. Am Beispiel eines Prostatakarzinoms mit 18F-Cholin-PET-Bildgebung wurden unterschiedliche Sätze von publizierten Parametern im Hinblick auf die resultierenden Dosiswerte untersucht. Darüber hinaus wurde der Einfluss der Parameter des linear-quadratischen Modells untersucht. Es wurde angenommen, dass sich das PET-Signal sowohl mit der Proliferationsrate als auch mit der Zelldichte korrelieren lässt. Mittels unserer hauseigenen Bestrahlungsplanungssoftware Direct Monte Carlo Optimization (DMCO) wurde ein Bestrahlungsplan auf Basis der berechneten Dosisvorgabe erstellt. Zur dosimetrischen Verifikation wurden Gafchromic EBT Filme verwendet.ErgebnisseWenn eine TCP von 95% angestrebt wurde, waren bei den meisten betrachteten Parametersätzen Voxeldosen über 100 Gy notwendig. Einer der Parametersätze hatte eine Dosis im Bereich von 87,1 Gy bis 99,3 Gy zur Folge, womit eine TCP von 94,7% erreicht wurde. Nach einer Optimierung auf Basis dieser Verschreibung sank die TCP des Plans auf 73,5%. Eine Auswertung des Dosisdifferenzhistogramms von optimierter und vorgegebener Dosis ergibt einen Mittelwert von -1,64 Gy sowie eine Standardabweichung von 4,02 Gy. Die Filmverifikation zeigte eine Übereinstimmung von geplanter und verabreichter Dosis.SchlussfolgerungBei bekannter Verteilung der strahlenbiologischen Parameter im Tumor kann mit diesem Modell ein Dose Painting by Numbers-Plan erstellt werden, welcher maximale TCP erreicht. Es konnte gezeigt werden, dass eine solche heterogene Dosisverteilung planbar und technisch umsetzbar ist.