Normal tissue dose-effect models in biological dose optimisation

Sophisticated radiotherapy techniques like intensity modulated radiotherapy with photons and protons rely on numerical dose optimisation. The evaluation of normal tissue dose distributions that deviate significantly from the common clinical routine and also the mathematical expression of desirable properties of a dose distribution is difficult. In essence, a dose evaluation model for normal tissues has to express the tissue specific volume effect. A formalism of local dose effect measures is presented, which can be applied to serial and parallel responding tissues as well as target volumes and physical dose penalties. These models allow a transparent description of the volume effect and an efficient control over the optimum dose distribution. They can be linked to normal tissue complication probability models and the equivalent uniform dose concept. In clinical applications, they provide a means to standardize normal tissue doses in the face of inevitable anatomical differences between patients and a vastly increased freedom to shape the dose, without being overly limiting like sets of dose-volume constraints.

ZusammenfassungModerne Strahlentherapietechniken wie die intensitätsmodulierte Strahlentherapie mit Photonen oder Protonen sind abhängig von numerischen Dosisoptimierungsalgorithmen. Sowohl die Bewertung von Dosisverteilungen in Normalgeweben, welche stark von der üblichen klinischen Routine abweichen, als auch die mathematische Beschreibung der wünschenswerten Eigenschaften einer Dosisverteilung ist schwierig. Im Wesentlichen muss ein Dosisevaluationsmodell für Normalgewebe den spezifischen Volumeneffekt erfassen. Es wird ein Formalismus für lokale Dosis-Effekt-Maße vorgestellt, welcher sowohl auf seriell als auch auf parallel reagierende Normalgewebe sowie auch auf Zielvolumina und physikalische Penaltyfunktionen angewendet werden kann. Diese Modelle erlauben eine transparente Beschreibung des Volumeneffektes und eine effiziente Kontrolle über die Optimierung der Dosisverteilung. Die Modelle stehen in Zusammenhang mit Normalgewebe-Komplikationswahrscheinlichkeiten und dem Equivalent Uniform Dose-Konzept. In der klinischen Anwendung bieten die Modelle eine Möglichkeit, die Normalgewebedosen zu standardisieren trotz der unvermeidlichen anatomischen Unterschiede zwischen Patienten und der großen Freiheit, die Dosisverteilung zu gestalten, ohne diese jedoch zu sehr einzuschränken.