, Volume 189, Issue 4, pp 293-300

Advanced techniques in neoadjuvant radiotherapy allow dose escalation without increased dose to the organs at risk

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Abstract

Purpose

The goal of this work was to investigate the potential of advanced radiation techniques in dose escalation in the radiotherapy (RT) for the treatment of esophageal carcinoma.

Methods

A total of 15 locally advanced esophageal cancer (LAEC) patients were selected for the present study. For all 15 patients, we created a 3D conformal RT plan (3D-45) with 45 Gy in fractions of 1.8 Gy to the planning target volume (PTV1), which we usually use to employ in the neoadjuvant treatment of LAEC. Additionally, a 3D boost (as in the primary RT of LAEC) was calculated with 9 Gy in fractions of 1.8 Gy to the boost volume (PTV2) (Dmean) to a total dose of 54 Gy (3D-54 Gy), which we routinely use for the definitive treatment of LAEC. Three plans with a simultaneous integrated boost (SIB) were then calculated for each patient: sliding window intensity-modulated radiotherapy (IMRT-SIB), volumetric modulated arc therapy (VMAT-SIB), and helical tomotherapy (HT-SIB). For the SIB plans, the requirement was that 95 % of the PTV1 receive ≥ 100 % of the prescription dose (45 Gy in fractions of 1.8 Gy, D95) and the PTV2 was dose escalated to 52.5 Gy in fractions of 2.1 Gy (D95).

Results

The median PTV2 dose for 3D-45, 3D-54, HT-SIB, VMAT-SIB, and IMRT-SIB was 45, 55, 54, 56, and 55 Gy, respectively. Therefore, the dose to PTV2 in the SIB plans was comparable to the 3D-54 plan. The lung dose in the SIB plans was in the range of the standard 3D-45, which is applied for neoadjuvant radiotherapy. The mean lung dose for the same plans was 13, 15, 12, 12, and 13 Gy, respectively. The V5 lung volumes were 71, 74, 79, 75, and 73 %, respectively. The V20 lung volumes were 20, 25, 16, 18, and 19 %, respectively.

Conclusion

New treatment planning techniques enable higher doses to be delivered for neoadjuvant radiotherapy of LAEC without a significant increase in the delivered dose to the organs at risk. Clinical investigations are warranted to study the clinical safety and feasibility of applying higher doses through advanced techniques in the neoadjuvant treatment of LAEC.

Zusammenfassung

Ziel

Untersuchung der Möglichkeiten modernster Bestrahlungstechniken zur Dosiseskalation in der strahlentherapeutischen Behandlung des Ösophaguskarzinoms.

Methoden

Für die Studie wurden 15 Patienten mit lokal fortgeschrittenem Ösophaguskarzinom (LAEC) ausgewählt. Es wurde je ein konformaler 3-D-Plan (3D-45) für eine Dosis von 45 Gy (Dmean) mit 1,8 Gy pro Fraktion im Zielvolumen (PTV1) erstellt. Diese Dosis entspricht unserem klinischen Standard für die neoadjuvante Behandlung des LAEC. Zusätzlich wurde ein 3-D-Plan für das Boostvolumen (PTV2) berechnet mit einer Dosis von 9 Gy (Dmean) bei einer Einzeldosis von 1,8 Gy. Daraus ergibt sich eine Gesamtdosis von 54 Gy (3D-54), welche in unserer klinischen Routine für die definitive Bestrahlung des LAEC appliziert wird. Anschließend wurden für jeden Patienten drei Pläne mit integriertem Boost (SIB) für PTV1 und PTV2 berechnet, unter Verwendung folgender drei Techniken: „sliding window intensity modulated radiotherapy“ (IMRT-SIB), volumetrisch modulierte Bogentherapie („volumetric modulated arc therapy“, VMAT-SIB) und helikale Tomotherapy“ (HT-SIB). Als Vorgaben für die SIB-Pläne wurde gefordert, dass mindestens 95 % des PTV1 100 % der Verschreibungsdosis erhält (45 Gy/1,8 Gy; D95) und die Dosis für PTV2 auf 52,5 Gy (D95) mit 2,1 Gy/Fraktion verschrieben wurde.

Ergebnisse

Die mediane Dosis im PTV2 für die 3D-45-, 3D-54-, HT-SIB-, VMAT-SIB- und IMRT-SIB-Pläne betrug jeweils 45, 55, 54, 56 and 55 Gy. Die Dosis im PTV2 der SIB-Pläne war vergleichbar zum 3D-54-Plan. Die Lungendosis der SIB-Pläne lag in der gleichen Größenordnung wie der 3D-45-Plan für die routinemäßige neoadjuvante Behandlung. Die durchschnittliche Lungendosis betrug 13 Gy (3D-45), 15 Gy (3D-54), 12 Gy (HT-SIB), 12 Gy (VMAT-SIB) und 13 Gy (IMRT-SIB). Für das V5-Lungenvolumen ergaben sich jeweils 71, 74, 79, 75 und 73 %. Für V20 wurden 20, 25, 16, 18 und 19 % ermittelt.

Schlussfolgerung

Mittelst modernster Bestrahlungstechniken ist es möglich, in der neoadjuvanten Strahlentherapie des LAEC eine höhere Dosis im Zielvolumen zu applizieren, ohne die Dosis in den Risikoorganen signifikant zu erhöhen. Es sind jedoch weitere Untersuchungen erforderlich, um die klinische Sicherheit und die Anwendung einer höheren Dosis für die neoadjuvante Behandlung des LAEC mittels modernster Bestrahlungstechniken eingehender zu erforschen.

Author contributions: Dr. Fakhrian had full access to all of the data in the study and takes responsibility for the integrity of the data and the accuracy of the data analysis.