Influence of Treatment Technique on Dose-Volume Histogram and Normal Tissue Complication Probability for Small Bowel and Bladder A Prospective Study Using a 3-D Planning System and a Radiobiological Model in Patients Receiving Postoperative Pelvic Irradiation

Purpose:

A prospective study was undertaken to evaluate the influence of pelvic irradiation techniques on the dose-volume histograms of organs at risk and to analyze its possible clinical relevance using radiobiological models.

Patients and Methods: For 20 patients receiving postoperative pelvic irradiation because of rectal cancer a 3-field technique (3-FT), a 4-field technique (4-FT) and an opposing field technique (OFT) were designed by a 3-D planning system (Helax, TMS). Dose-volume histograms (DVH) of small bowel, urinary bladder and planning target volume (PTV) were analyzed. The normal tissue complication probability (NTCP) was determined by the radiobiological model of Lyman and Kutcher using the tolerance data of Emami.

Results: Median dose to the PTV did not differ between the 3 techniques (3-FT/4-FT/OFT: 99.2%/98.6%/98.1% of the prescribed dose; p > 0.05). Although the median dose to the urinary bladder was lower for the 3-FT than for the 4-FT (44.7% vs 60.3%; p < 0.001), there was no difference in the calculated NTCP (0.0% vs 0.0%; p > 0.05). Using multiple field techniques both the dose to and the treated volume of the urinary bladder were significantly lower than using the OFT. As a consequence of this the late NTCP of the bladder was higher for the OFT (5.46%). Although the median dose of the small bowel was lower for the 3-FT than for the 4-FT (30.8% vs 54.4%; p < 0.005), the fractional part of small bowel within the high-dose region (90% isodose) was higher for the 3-FT (10.6% vs 8.2%; p > 0.05). Thus the calculated NTCP was higher for the 3-FT (0.79 vs 0.44) than for 4-FT. For the OFT the median dose to small bowel was 69.9% and the small bowel volume within the high-dose region was 57.8% resulting in a late NTCP of 9.36% (OFT vs 3-FT/4-FT; p < 0.05).

Conclusion: Using multiple field techniques both the dose to the organs of risk and the fractional part of risk organs within the high-dose region can be reduced significantly. As a consequence of this a lower NTCP was calculated for the 3-FT and the 4-FT than for the OFT. Using the biological model a small, but significant difference between a 3-FT and a 4-FT was demonstrated in favor to the 4-FT.

Hintergrund:

In einer prospektiven Analyse wurde der Einfluß unterschiedlicher pelviner Bestrahlungstechniken auf die Dosis- und Volumenbelastung der Risikoorgane Dünndarm und Blase untersucht und dessen klinische Relevanz mittels strahlenbiologischer Modelle überprüft.

Patienten und Methode: Bei 20 Patienten, die einer adjuvanten Bestrahlung des kleinen Beckens nach Operation eines Rektumkarzinoms zugeführt wurden, wurden eine Drei-Felder-Technik (3-FT), eine Vier-Felder-Technik (4-FT) und eine Gegenfeldtechnik (GFT) unter Verwendung eines 3D-Bestrahlungsplanungssystems geplant. Die Dosis-Volumen-Histogramme (DVH) des Dünndarms, der Harnblase sowie des Planungszielvolumens (PTV) wurden analysiert. Die zu erwartende Komplikationsrate (NTCP) des Dünndarms und der Harnblase wurde errechnet nach dem Model von Lyman und Kutcher unter Verwendung der Daten von Emami.

Ergebnisse: Die mediane Dosis im Bereich des PTV war für alle untersuchten Techniken gleich (3-FT/4-FT/GFT: 99,2%/98,6%/98,1% bezogen auf die Dosis im Normierungspunkt; p > 0,05). Obwohl die mediane Dosis im Bereich der Harnblase für die 3-FT niedriger war als für die 4-FT (44,7% vs. 60,3%; p < 0,001), hatte dies keinen Einfluß auf die für beide Techniken errechneten NTCP-Werte. Die GFT zeigte im Vergleich mit den Mehrfeldtechniken eine signifikant höhere Dosis- und Volumenbelastung der Harnblase, was sich in einer signifikant höheren NTCP wiederspiegelte (5,46%). Die mediane Dosis im Bereich des Dünndarms war zwar kleiner für die 3-FT als für die 4-FT (30,8% vs. 54,5%; p < 0,005), der Dünndarmanteil innerhalb des Hochdosisbereichs (90%-Isodose) war bei der 3-FT jedoch tendenziell größer als bei der 4-FT (10,6% vs. 8,2%; p > 0,05). Während dieser Unterschied noch keine Signifikanz aufwies, zeigte sich für die errechnete NTCP des Dünndarms ein signifikanter Vorteil der 4-FT gegenüber der 3-FT (0,44 vs. 0,79; p < 0,05). Für die GFT fand sich eine mediane Dosisbelastung des Dünndarms von 69,9%; 57,8% des Organs befanden sich dabei innerhalb der 90%-Isodose. Dies führte zu einer verglichen mit den Mehrfeldtechniken signifikant höheren NTCP (OFT vs. 3-FT/4-FT: p < 0,05).

Schlußfolgerung: Die Verwendung von Mehrfeldtechniken bei der Beckenbestrahlung nach operiertem Rektumkarzinom reduziert sowohl die Bestrahlungsdosis im Bereich der Risikoorgane als auch die im Hochdosisbereich (90% Isodose) gelegenen Volumenanteile der Risikoorgane. Diese Unterschiede spiegeln sich auch in den mittels strahlenbiologischer Modelle errechneten NTCP wider. Zwischen 3-FT und 4-FT bestand lediglich ein sehr kleiner Unterschied zugunsten der 4-FT.