Radiobiological effect based treatment plan optimization with the linear quadratic model

As an approach towards more biology-oriented treatment planning for external beam radiation therapy, we present the incorporation of local radiation damage models into three dimensional treatment planning. This allows effect based instead of dose based plan optimization which could potentially better match the biologically relevant tradeoff between target and normal tissues. In particular, our approach facilitates an effective comparison of different fractionation schemes. It is based on the linear quadratic model to describe the biological radiation effect. Effect based optimization was integrated into our inverse treatment planning software KonRad, and we demonstrate the resulting differences between conventional and biological treatment planning. Radiation damage can be analyzed both qualitatively and quantitatively in dependence of the fractionation scheme and tissue specific parameters in a three dimensional voxel based system. As an example the potential advantages as well as the associated risks of hypofractionation for prostate cancer are analyzed and visualized with the help of effective dose volume histograms. Our results suggest a very conservative view regarding alternative fractionation schemes since uncertainties in biological parameters are still too big to make reliable clinical predictions.

ZusammenfassungAls ein Ansatz zur biologisch orientierten Therapieplanung für die perkutane Strahlentherapie präsentieren wir ein Verfahren zur Einbeziehung von lokalen Strahlenschadensmodellen in die dreidimensionale Therapieplanung. Es erlaubt effektbasierte statt dosisbasierter Optimierung, um den biologisch relevanten Kompromiss zwischen Tumor- und Normalgewebe besser finden zu können. Basierend auf dem linear-quadratischen Modell zur Beschreibung des biologischen Effekts ermöglicht der Ansatz auch den effektiven Vergleich von verschiedenen Fraktionierungsschemata. Die effektbasierte Optimierung wurde in das Bestrahlungsplanungssystem KonRad integriert, so dass wir die resultierenden Unterschiede zwischen konventioneller und biologischer Therapieplanung nachweisen können. Der Strahlenschaden kann sowohl qualitativ als auch quantitativ in Abhängigkeit vom Fraktionierungsschema und von gewebespezifischen Parametern in einem dreidimensionalen voxelbasierten System analysiert werden. Beispielhaft wurden die möglichen Vorteile und die damit verbundenen Risiken von Hypofraktionierung für Prostatakarzinome untersucht und mithilfe effektiver Dosis-Volumen-Histogramme visualisiert. Die Resultate legen eine sehr konservative Herangehensweise für alternative Fraktionierungsschemata nahe, da die Unsicherheiten in den biologischen Parametern immer noch zu groß sind um verlässliche klinische Aussagen machen zu können.