Klinik und Poliklinik für Strahlentherapie
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Purpose: A study of real-time adaptive radiotherapy systems was performed to test the hypothesis that, across delivery systems and institutions, the dosimetric accuracy is improved with adaptive treatments over non-adaptive radiotherapy in the presence of patient-measured tumor motion. Methods and materials: Ten institutions with robotic(2), gimbaled(2), MLC(4) or couch tracking(2) used common materials including CT and structure sets, motion traces and planning protocols to create a lung and a prostate plan. For each motion trace, the plan was delivered twice to a moving dosimeter; with and without real-time adaptation. Each measurement was compared to a static measurement and the percentage of failed points for gamma-tests recorded. Results: For all lung traces all measurement sets show improved dose accuracy with a mean 2%/2 mm gamma-fail rate of 1.6% with adaptation and 15.2% without adaptation (p < 0.001). For all prostate the mean 2%/2 mm gamma-fail rate was 1.4% with adaptation and 17.3% without adaptation (p < 0.001). The difference between the four systems was small with an average 2%/2 mm gamma-fail rate of <3% for all systems with adaptation for lung and prostate. Conclusions: The investigated systems all accounted for realistic tumor motion accurately and performed to a similar high standard, with real-time adaptation significantly outperforming non-adaptive delivery methods.
Die Patientenbestrahlung stellt eine wichtige Therapiesäule in der onkologischen Behandlung von Hirntumoren dar. Das Hauptaugenmerk wird dabei auf die Erreichung einer vorgegebenen Zieldosis im Tumorgebiet und die ausreichende Schonung von sensiblen Strukturen gerichtet. Wir verglichen insgesamt 4 Bestrahlungstechniken untereinander, welche in ihrer Segmentierung und Feldzahl variiert werden können: KoPlanar (Komplettbestrahlung in einer Ebene), KoPlanar+1 (Bestrahlung in einer Ebene mit einem Zusatzfeld in einer anderen Ebene), 2-Ebenen (Bestrahlung auf 2 unterschiedliche Ebenen verteilt), Quasi-Isotrop (Bestrahlung mit Zentralstrahlen in mehreren unterschiedlichen Ebenen). Die Feldzahl kann zwischen wenigen Feldern (9F oder 10F) und vielen Feldern (15F oder 16F) gewählt werden. Die Segmentanzahl wird entweder bei 64 oder 120 Segmenten festgelegt, alternativ wurde eine freie Optimierung der Feldfluenz ermöglicht.
Dabei zeigte die Quasi-Isotrope Technik eindeutige und signifikante Vorteile gegenüber allen anderen Techniken sowohl bei niedrigen als auch hohen Feldzahlen. Die koplanare Bestrahlung schnitt bei unserer Auswertung am schlechtesten ab. Die 2-Ebenen Technik und KoPlanar+1 Technik können bei hohen Feldzahlen als gleichwertig betrachtet werden, bei niedrigen Feldzahlen zeigt die KoPlanar+1 Technik Vorteile. Aus unserer Sicht sollten die unentschiedenen Vergleiche in weiteren Studien untersucht werden, die das Patientengut weiter einengen. Weiterhin wäre eine Erweiterung der Untersuchungen auf die schneller applizierbaren nonkoplanaren Volumetric Arc –Techniken (VMAT) wünschenswert.
Purpose:
The model used to calculate dose distributions in a radiotherapy treatment plan relies on the data entered during beam commissioning. The quality of these data heavily depends on the detector choice made, especially in small fields and in the buildup region. Therefore, it is necessary to identify suitable detectors for measurements in the buildup region of small fields. To aid the understanding of a detector's limitations, several factors that influence the detector signal are to be analyzed, for example, the volume effect due to the detector size, the response to electron contamination, the signal dependence on the polarity used, and the effective point of measurement chosen.
Methods:
We tested the suitability of different small field detectors for measurements of depth dose curves with a special focus on the surface‐near area of dose buildup for fields sized between 10 × 10 and 0.6 × 0.6 cm\(^{2}\). Depth dose curves were measured with 14 different detectors including plane‐parallel chambers, thimble chambers of different types and sizes, shielded and unshielded diodes as well as a diamond detector. Those curves were compared with depth dose curves acquired on Gafchromic film. Additionally, the magnitude of geometric volume corrections was estimated from film profiles in different depths. Furthermore, a lead foil was inserted into the beam to reduce contaminating electrons and to study the resulting changes of the detector response. The role of the effective point of measurement was investigated by quantifying the changes occurring when shifting depth dose curves. Last, measurements for the small ionization chambers taken at opposing biasing voltages were compared to study polarity effects.
Results:
Depth‐dependent correction factors for relative depth dose curves with different detectors were derived. Film, the Farmer chamber FC23, a 0.13 cm\(^{3}\) scanning chamber CC13 and a plane‐parallel chamber PPC05 agree very well in fields sized 4 × 4 and 10 × 10 cm\(^{2}\). For most detectors and in smaller fields, depth dose curves differ from the film. In general, shielded diodes require larger corrections than unshielded diodes. Neither the geometric volume effect nor the electron contamination can account for the detector differences. The biggest uncertainty arises from the positioning of a detector with respect to the water surface and from the choice of the detector's effective point of measurement. Depth dose curves acquired with small ionization chambers differ by over 15% in the buildup region depending on sign of the biasing voltage used.
Conclusions:
A scanning chamber or a PPC40 chamber is suitable for fields larger than 4 × 4 cm\(^{2}\). Below that field size, the microDiamond or small ionization chambers perform best requiring the smallest corrections at depth as well as in the buildup region. Diode response changes considerably between the different types of detectors. The position of the effective point of measurement has a huge effect on the resulting curves, therefore detector specific rather than general shifts of half the inner radius of cylindrical ionization chambers for the effective point of measurement should be used. For small ionization chambers, averaging between both polarities is necessary for data obtained near the surface.
Hintergrund: Die Diagnose einer fortgeschrittenen Tumorerkrankung bedingt den Beginn eines komplexen Entscheidungsfindungsprozesses mit dem Ziel, unter Einbezug des betroffenen Patienten, seinen Angehörigen und dem behandelnden multiprofessionellen Team, realistische gemeinsame Therapieziele zu finden. Das Wissen um die aktuellen Patientenpräferenzen ist dabei unerlässlich. Ziel dieser Studie war es, die Einstellung von Patienten mit fortgeschrittenen Tumorerkrankungen zur Inanspruchnahme von tumorspezifischer Therapie in Abhängigkeit von ihrer individuellen Präferenz für Lebensverlängerung oder Lebensqualität zu untersuchen und Variablen zu identifizieren, die mit dieser Präferenz in Zusammenhang stehen.
Methode: In die prospektive klinische Beobachtungsstudie wurden zwischen 03.08.2015 und 23.03.2016 konsekutiv 92 von 522 gescreenten Patienten mit fortgeschrittenen Tumorerkrankungen eingeschlossen, die durch den palliativmedizinischen Dienst (PMD) am Universitätsklinikum Würzburg mitbetreut wurden. Die Patientenpräferenzen bezüglich Lebensverlängerung und Lebensqualität wurden mittels des Lebensqualität- und Lebenszeitfragebogen (Laryionava et al., 2014) erhoben und die Ergebnisse wurden unter Einsatz nicht-parametrischer Tests auf Assoziation mit diversen patienten- und krankheitsbezogenen Variablen überprüft.
Ergebnisse: Die Patienten unterscheiden sich in ihrer grundlegenden Präferenz für Lebensverlängerung oder Lebensqualität: Ein gutes Drittel (37.0 %) sprach sich ungeachtet einer möglichen Beeinträchtigung der Lebensqualität für den Einsatz tumorspezifischer Therapien mit dem Ziel der Lebensverlängerung aus, während ein weiteres Drittel (37.0 %) der Patienten angab, Lebensqualität zu präferieren und ein best-supportive-care-Konzept auch bei mutmaßlicher Einschränkung der Lebenszeit zu bevorzugen. Das verbleibende knappe Drittel (26.0 %) der Patienten verblieb in Abwägung von Lebensverlängerung und Lebensqualität ambivalent, präferierte also entweder sowohl Lebensverlängerung als auch Lebensqualität (12.0 %) oder zeigte für keines der beiden angebotenen Therapieziele eine Präferenz (14.0 %). Die Präferenz für Lebensverlängerung war statistisch signifikant mit der Krankheitsselbsteinschätzung als heilbar (X2 (4, N = 92) = 8.20; p = .001), dem Leben in Gemeinschaft (X2 (2, N = 92) = 6.97; p = .031) und der Bereitschaft zur Berücksichtigung von Angehörigenwünschen bei der Therapiezielfindung (rs (90) = .44; p < .001) assoziiert. Patienten, die nach Lebensqualität strebten, hielten ihre Krankheit für lebensbedrohlich (X2 (2, N = 92) = 6.07; p = .048) bzw. nicht-heilbar (X2 (4, N = 92) = 8.20; p = .001), zeigten eine Präferenz für Therapiezielfindung ohne Einbezug von Angehörigenwünschen (rs (90) = - .33; p = .001) und berichteten Hoffnungsverlust im Kampf gegen die Krankheit (p = .013). Patienten, die das Gefühl hatten, ihre Angehörigen hätten ihre Erkrankung nicht akzeptiert (X2 (2, N = 92) = 7.01; p = .030) und Patienten, die alleine lebten (X2 (2, N = 92) = 6.97; p = .031) blieben signifikant häufiger ambivalent. 41.3 % der im Rahmen dieser Studie befragten Patienten mit fortgeschrittenen Tumorerkrankungen und objektiv infauster Prognose (medianes Überleben nach Studieneinschluss: 42 Tage), stuften ihre Krankheit als nicht lebensbedrohlich ein. 34.8 % der Befragten gingen von der Heilbarkeit ihrer Erkrankung aus.
Schlussfolgerung: Die Einstellung zu Lebensverlängerung und Lebensqualität ist individuell, verändert sich dynamisch im Krankheitsverlauf und unterliegt zudem dem Einfluss diverser Variablen. Insbesondere eine realistische Krankheitsselbsteinschätzung durch die Patienten erscheint relevant, um beiderseits zufriedenstellende, sinnvolle Therapiekonzepte entwickeln zu können. Sinnvoll erscheint ein früh im Krankheitsverlauf implementierter, kontinuierlich aufrechterhaltener Gesprächsprozess, mit dem Ziel, bereits kurz nach Diagnose einer Erkrankung deren schlechtesten oder bestmöglichen Verlauf zu thematisieren und regelmäßig die aktuelle Situation zu reevaluieren, um in der Folge möglichst realitätsbasierte und aktuelle Patientenpräferenzen erheben zu können. Der Lebensqualität- und Lebenszeitfragebogen eignet sich aufgrund des hohen Zeitaufwandes und der psychischen Belastung der Patienten eher für eine initiale, einmalige Präferenzerhebung. Tägliche Erhebungen, beispielsweise im Rahmen der Arztvisite, könnten mittels einfacher visueller Analogskalen (vgl. Douglas et al. 2018) erfolgen und als Grundlage für die Therapiekonzeptdiskussion in wöchentlichen interdisziplinären Visiten dienen. Dieser Ansatz sollte weiter auf Umsetzbarkeit und Wirksamkeit untersucht werden.
Den aktuellen Forschungsgegenstand dieser Arbeit bildet der in Glioblastomen häufig überaktivierte PI3K/AKT/mTOR-Signalweg. Eine entscheidende Rolle bei der Aktivierung des Signalwegs spielt das Tumorsuppressorprotein PTEN. Ein mutiertes PTEN sorgt für die zuvor genannte Überaktivierung des PI3K/AKT/mTOR-Signalwegs und korreliert mit einer Radioresistenz. In der vorliegenden Arbeit wurde die strahlensensibilisierende Wirkung des neuartigen dualen PI3K/mTOR-Inhibitors NVP-BEZ235 an zwei humanen Glioblastomzelllinien mit unterschiedlichem PTEN-Status (GaMG: PTEN wt und U373-MG: PTEN mut) analysiert. Vergleichend dazu erfolgten Untersuchungen mit dem mTOR-Inhibitor Rapamycin und dem PI3K-Inhibitor LY294002.
Untersucht wurden die Auswirkungen auf die Zellproliferation, die Strahlensensibilität, das Proteinexpressionsmuster, die Zellzyklusverteilung, die Induktion und Reparaturfähigkeit des DNS-Schadens sowie die Einleitung des programmierten Zelltods.
U373-MG stellte sich im Vergleich zu GaMG als die strahlensensiblere Zelllinie heraus. Des Weiteren konnte gezeigt werden, dass die mTOR-Inhibition durch NVP-BEZ235, unabhängig vom PTEN-Status, für die Einflussnahme auf Proliferation und Proteintranslation vordergründig ist. Es kam zu keinen radiosensibilisierenden Effekten durch Zugabe von NVP-BEZ235, Rapamycin und LY294002 24 Stunden vor Bestrahlung, was auf das Ausbleiben eines erhöhten DNA-Schadens und einer verzögerten DNA-Reparatur, einen G1-Arrest und der Aktivierung des PI3K-Signalwegs zum Zeitpunkt der Bestrahlung sowie der Unterdrückung der Apoptose zurückzuführen ist. Trotz Ausbleiben radiosensibilisierender Effekt, konnte durch die Testsubstanzen eine starke zytostatische Wirkung gezeigt werden.
Mangelernährung und Appetitlosigkeit werden trotz zunehmender Forschung noch in ihren Auswirkungen auf Patienten und Gesundheitssystem unterschätzt. Um dem entgegenzuwirken, sind zusätzliche Informationen zu Risikofaktoren, Auswirkungen und zu einem adäquaten Screening beider Symptome vonnöten.
Diese Untersuchung geht der Frage nach, ob die Erfassung der Appetitlosigkeit auch ein geeignetes Verfahren zur Einschätzung des Mangelernährungsrisikos darstellt. Zusätzlich wurden die Patienten auf Risikofaktoren und Auswirkungen von Mangelernährung und Appetitlosigkeit hin untersucht. Dazu wurden bei den Patienten unter anderem soziodemographische Daten, ein NRS-2002 Vorscreening und die per ESAS erfasste Symptomlast statistisch ausgewertet. Diese waren zuvor im Rahmen des BUKA Projekts an der Universität Würzburg ermittelt worden.
Von den 486 geeigneten Patienten konnten 477 in die Untersuchung eingeschlossen werden. Davon zeigten 65.6% ein erhöhtes Mangelernährungsrisiko und 31.2% eine manifeste Appetitlosigkeit.
Der Allgemeinzustand und die Lebensqualität beider Gruppen waren signifikant eingeschränkt. Zusätzlich wiesen sie eine deutlich erhöhte Symptombelastung im ESAS auf. Als unabhängige Risikofaktoren für Mangelernährung konnten der BMI, der Allgemeinzustand (ECOG Status), die Tumorlokalisation und der Appetitstatus eruiert werden. Bei der Appetitlosigkeit traf dies auf den ECOG Status, das Alter und das NRS Vorscreening zu.
Die Bestimmung der Appetitlosigkeit erwies sich als nicht ausreichend präzise, um auch das Mangelernährungsrisiko zu erfassen. Insgesamt wurden 61.4% der Patienten übereinstimmend getestet. Die Wahrscheinlichkeit bei erhöhtem Mangelernährungsrisiko (NRS Vorscreening positiv) auch eine manifeste Appetitlosigkeit (ESAS Appetitverlust>3) aufzuweisen betrug nur 44%. Andererseits aber zeigten Patienten mit manifester Appetitlosigkeit in 94% auch ein erhöhtes Mangelernährungsrisiko. Der Einfluss von BMI, Tumorlokalisation und Appetitverlust zeigte sich hierbei signifikant auf die Chance übereinstimmend getestet zu werden.
In der Zusammenschau betonen die Ergebnisse unserer Untersuchung die Wichtigkeit einer präzisen Erfassung von Appetitlosigkeit und Mangelernährung bei Tumorpatienten, auch in der Palliativmedizin. Besonders vor dem Hintergrund einer alternden Gesellschaft mit wahrscheinlich zunehmender Inzidenz und Prävalenz von Tumorerkrankungen gewinnen Erkennung und Therapie von Mangelernährung und Appetitlosigkeit zusätzlich an Bedeutung.
Purpose: The effective point of measurement (EPOM) of cylindrical ionization chambers differs from their geometric center. The exact shift depends on chamber construction details, above all the chamber size, and to some degree on the field-size and beam quality. It generally decreases as the chamber dimensions get smaller. In this work, effective points of measurement in small photon fields of a range of cylindrical chambers of different sizes are investigated, including small chambers that have not been studied previously.
Methods: In this investigation, effective points of measurement for different ionization chambers (Farmer type, scanning chambers, micro-ionization chambers) and solid state detectors were determined by measuring depth-ionization curves in a 6 MV beam in field sizes between 2 9 2 cm2 and 10 9 10 cm2 and comparing those curves with curves measured with plane-parallel chambers.
Results: It was possible to average the results to one shift per detector, as the results were sufficiently independent of the studied field sizes. For cylindrical ion chambers, shifts of the EPOM were determined to be between 0.49 and 0.30 times the inner chamber radius from the reference point.
Conclusions: We experimentally confirmed the previously reported decrease of the EPOM shift with decreasing detector size. Highly accurate data for a large range of detectors, including new very small ones, were determined. Thus, small chambers noticeably differ from the 0.5-times to 0.6-times the inner chamber radius recommendations in current dosimetry protocols. The detector-individual EPOMs need to be considered for measurements of depth-dose curves.
Anisotropy of dose contributions-an instrument to upgrade real time IMRT and VMAT adaptation?
(2016)
Purpose:
To suggest a definition of dose deposition anisotropy for the purpose of ad hoc adaptation of intensity modulated arc therapy (IMRT) and volumetric arc therapy (VMAT), particularly in the vicinity of important organs at risk (OAR), also for large deformations.
Methods:
Beam's-eye-view (BEV) based fluence warping is a standard adaptation method with disadvantages for strongly varying OAR shapes. 2-Step-adaptation overcomes these difficulties by a deeper analysis of the 3D properties of adaptation processes, but requires separate arcs for every OAR to spare, which makes it impractical for cases with multiple OARs. The authors aim to extend the 2-Step method to arbitrary intensity modulated plan by analyzing the anisotropy of dose contributions. Anisotropy was defined as a second term of Fourier transformation of gantry angle dependent dose contributions. For a cylindrical planning target volume (PTV) surrounding an OAR of varying diameter, the anisotropy and the dose-normalized anisotropy were analyzed for several scenarios of optimized fluence distributions. 2-Step adaptation to decreasing and increasing OAR diameter was performed, and compared to a usual fluence based adaptation method. For two clinical cases, prostate and neck, the VMAT was generated and the behavior of anisotropy was qualitatively explored for deformed organs at risk. #
Results:
Dose contribution anisotropy in the PTV peaks around nearby OARs. The thickness of the "anisotropy wall" around OAR increases for increasing OAR radius, as also does the width of 2-Step dose saturating fluence peak adjacent to the OAR K. Bratengeier et al., "A comparison between 2-Step IMRT and conventional IMRT planning," Radiother. Oncol. 84, 298-306 (2007)]. Different optimized beam fluence profiles resulted in comparable radial dependence of normalized anisotropy. As predicted, even for patient cases, anisotropy was inflated even more than increasing diameters of OAR.
Conclusions:
For cylindrically symmetric cases, the dose distribution anisotropy defined in the present work implicitly contains adaptation-relevant information about 3D relationships between PTV and OAR and degree of OAR sparing. For more complex realistic cases, it shows the predicted behavior qualitatively. The authors claim to have found a first component for advancing a 2-Step adaptation to a universal adaptation algorithm based on the BEV projection of the dose anisotropy. Further planning studies to explore the potential of anisotropy for adaptation algorithms using phantoms and clinical cases of differing complexity will follow.
Background
Current standard of treatment for newly diagnosed patients with glioblastoma (GBM) is surgical resection with adjuvant normofractionated radiotherapy (NFRT) combined with temozolomide (TMZ) chemotherapy. Hyperfractionated accelerated radiotherapy (HFRT) which was known as an option from randomized controlled trials before the temozolomide era has not been compared to the standard therapy in a randomized setting combined with TMZ.
Methods
Data of 152 patients with newly diagnosed GBM treated from 10/2004 until 7/2018 at a single tertiary care institution were extracted from a clinical database and retrospectively analyzed. Thirty-eight patients treated with NFRT of 60 Gy in 30 fractions (34 with simultaneous and 2 with sequential TMZ) were compared to 114 patients treated with HFRT of 54.0 Gy in 30 fraction of 1.8 Gy twice daily (109 with simultaneous and 3 with sequential TMZ). The association between treatment protocol and other variables with overall survival (OS) was assessed using univariable and multivariable Cox regression analysis; the latter was performed using variables selected by the LASSO method.
Results
Median overall survival (OS) was 20.3 month for the entire cohort. For patients treated with NFRT median OS was 24.4 months compared to 18.5 months in patients treated with HFRT (p = 0.131). In univariable regression analysis the use of dexamethasone during radiotherapy had a significant negative impact on OS in both patient groups, HR 2.21 (95% CI 1.47–3.31, p = 0.0001). In multivariable analysis adjusted for O6-methylguanine-DNA methyl-transferase (MGMT) promotor methylation status, salvage treatment and secondary GBM, the use of dexamethasone was still a negative prognostic factor, HR 1.95 (95% CI 1.21–3.13, p = 0.006). Positive MGMT-methylation status and salvage treatment were highly significant positive prognostic factors. There was no strong association between treatment protocol and OS (p = 0.504).
Conclusions
Our retrospective analysis supports the hypothesis of equivalence between HFRT and the standard protocol of treatment for GBM. For those patients who are willing to obtain the benefit of shortening the course of radiochemotherapy, HFRT may be an alternative with comparable efficacy although it was not yet tested in a large prospective randomized study against the current standard. The positive influence of salvage therapy and negative impact of concomitant use of corticosteroids should be addressed in future prospective trials. To confirm our results, we plan to perform a pooled analysis with other tertiary clinics in order to achieve better statistical reliability.
Background
The purpose of this study was to compare automatically generated VMAT plans to find the superior beam configurations for Pinnacle3 Auto-Planning and share “best practices”.
Methods
VMAT plans for 20 patients with head and neck cancer were generated using Pinnacle3 Auto-Planning Module (Pinnacle3 Version 9.10) with different beam setup parameters. VMAT plans for single (V1) or double arc (V2) and partial or full gantry rotation were optimized. Beam configurations with different collimator positions were defined. Target coverage and sparing of organs at risk were evaluated based on scoring of an evaluation parameter set. Furthermore, dosimetric evaluation was performed based on the composite objective value (COV) and a new cross comparison method was applied using the COVs.
Results
The evaluation showed a superior plan quality for double arcs compared to one single arc or two single arcs for all cases. Plan quality was superior if a full gantry rotation was allowed during optimization for unilateral target volumes. A double arc technique with collimator setting of 15° was superior to a double arc with collimator 60° and a two single arcs with collimator setting of 15° and 345°.
Conclusion
The evaluation showed that double and full arcs are superior to single and partial arcs in terms of organs at risk sparing even for unilateral target volumes. The collimator position was found as an additional setup parameter, which can further improve the target coverage and sparing of organs at risk.