A Little to a Lot or a Lot to a Little?

Purpose:

To determine whether a little dose to a large normal lung volume or a high dose to a small lung volume is more critical for induction of clinical pneumonitis. The second question is if dose-volume histogram (DVH) parameters are more reliable, if the lungs are analyzed as separate organs or as a whole organ.

Patients and Methods:

We analyzed the clinical and DVH data from 49 patients treated for a thoracic malignancy using 3-D conformal treatment plans. 18 patients had developed a clinical pneumonitis (CTC II or III). The majority of patients (n = 48) received radiochemotherapy for non-small-cell lung cancer (NSCLC) with a combination of paclitaxel and carboplatin. Patients were generally treated 5 fx/week, single dose 2 Gy, using a two-series approach (shrinking field) up to a total dose of 60–70 Gy. For every individual patient, the overall dose distribution was recalculated in the Helax-TMS by means of adding dose plans according to the total dose applied in each series. The lungs were defined both as separate organs and as a whole organ. Low-dose volume (≤ 10 Gy, V_low), moderate-dose volume (> 10–40 Gy, V_mod) and high-dose volume (> 40 Gy, V_high), as well as V10–V40 and mean lung dose (MLD) were defined from the cumulative DVH. Dose-effect relationships were fitted with a logistic regression model.

Results:

Manifestation of clinical pneumonitis was within 3 months from termination of irradiation in all cases. For the ipsilateral lung, the incidence of pneumonitis was closely correlated to V_high. The pneumonitis rate increased from 13% up to 60%. By contrast, with increasing V_low the pneumonitis rate dropped to < 10%. A similar but less pronounced effect was seen for the total lung. The lung volumes V_low, V_mod and V_high of the ipsilateral, contralateral and whole lung were significantly correlated to the corresponding MLD. The incidence of pneumonitis increased with increasing MLD for the ipsilateral lung with a D₅₀ of 32 Gy and a γ₅₀ of 0.98. For the whole lung, the observed increase was less steep. MLD showed a close correlation to NTCP calculated by the Kutcher model. However, NTCP calculation overestimated the pneumonitis risk for the ipsilateral lung and underestimated the risk for the whole lung due to the steeper gradient. The logistic regression curve for the DVH parameters V10–V40 showed an increase of steepness toward higher doses. From the logistic regression curves, a DVH template indicating critical borders of V10–V40 was generated for the ipsilateral as well as for the total lung.

Conclusion:

Our data indicate that it is reasonable to disperse the dose outside the target volume over large areas in order to reduce the volumes of lung receiving > 40 Gy. Reducing the high-dose volume reduces the pneumonitis rate more than a corresponding reduction in the low-dose regions of the DVH. Landmarks for DVH optimization as defined in this analysis may serve as a basis for DVH constraints in IMRT planning. Separate organ analysis produced more reliable results and should be preferred to whole-organ analysis, if techniques mainly involving one side of the lung are applied. Further validation of these constraints is necessary prior to general recommendation.

Ziel:

Klärung der Frage, ob es bei Bestrahlung im Lungenbereich günstiger ist, ein großes Lungenvolumen mit niedriger Dosis zu belasten oder umgekehrt und welche Dosis-Volumen-Histogramm-(DVH-)Parameter am besten mit dem Auftreten einer klinischen Pneumonitis korrelieren. Die zweite Frage ist, ob die DVH-Parameter verlässlicher sind, wenn beide Lungenhälften als separate Volumina oder als ein gemeinsames Volumen definiert werden.

Patienten und Methodik:

Wir analysierten die klinischen und DVH-Daten von 49 Patienten, die wegen eines Bronchialkarzinoms eine thorakale Bestrahlung erhielten. 18 Patienten (37%) hatten eine klinische Pneumonitis (CTC-Grad II/III). Der größte Teil (n = 48) erhielt wegen eines nichtkleinzelligen Bronchialkarzinoms eine Radiochemotherapie mit Paclitaxel und Carboplatin. Alle Patienten wurden von Beginn an nach 3-D-konformaler Bestrahlungsplanung (Helax-TMS) normfraktioniert mit Gesamtdosen zwischen 60 und 70 Gy (50 Gy mit anschließendem Boost) bestrahlt. Für jeden Patienten wurde im Planungssystem anhand der individuellen Gesamtdosen der einzelnen Serien eine Gesamtdosisverteilung errechnet. Die Lungenhälften wurden als individuelle Organe und als Gesamtorgan definiert. Am kumulativen DVH der Gesamtverteilung wurden V10, V20, V30, V40, die mittlere Lungendosis (MLD), das Niedrigdosisvolumen (≤ 10 Gy, V_low), Mitteldosisvolumen (> 10–40 Gy, V_mod) und das Hochdosisvolumen (> 40 Gy, V_high) definiert. Die Dosis-Wirkungs-Beziehung wurde unter Verwendung eines logistischen Regressionsmodells errechnet.

Ergebnisse:

Alle Pneumonitisfälle manifestierten sich innerhalb von 3 Monaten nach Abschluss der Radiatio. Bei Analyse der ipsilateralen Lunge zeigte sich eine enge Korrelation der Pneumonitisrate zum V_high mit einer Zunahme von 13% auf bis zu 60%, wohingegen mit zunehmendem V_low die Rate auf < 10% fiel. Für die Gesamtlunge war ein ähnlicher Effekt, allerdings weniger deutlich, nachzuweisen. Die Lungenvolumina V_low, V_mod und V_high der ipsilateralen, kontralateralen und Gesamtlunge zeigten eine signifikante Korrelation zu der jeweiligen MLD. Die Pneumonitisrate stieg mit zunehmender MLD (D₅₀ = 32 Gy,γ₅₀ = 0,98). Die Steigung der Dosis-Wirkungs-Kurve war für die Gesamtlunge flacher. Die MLD zeigte eine enge Korrelation zum NTCP-Modell nach Kutcher, jedoch überschätzte die NTCP-Berechnung das Pneumonitisrisiko für die ipsilaterale Lunge und unterschätzte das Risiko für die Gesamtlunge. Die logistische Kurve der Pneumonitisrate für V10–V40 zeigte eine Zunahme der Steilheit mit zunehmender Dosis. Aus den errechneten Kurven wurde eine „DVH-Schablone“ errechnet mit kritischen Werten für die Pneumonitisentstehung, sowohl für die ipsilaterale als auch für die Gesamtlunge.

Schlussfolgerung:

Unsere Daten legen nahe, dass eine Verteilung der Niedrigdosisareale außerhalb des Zielvolumens über ein möglichst großes Lungenvolumen sinnvoll ist, wenn damit das Volumen der Lunge, das > 40 Gy erhält, reduziert werden kann. Eine Volumenreduktion im Hochdosisbereich reduziert das Pneumonitisrisiko mehr als eine identische Reduktion im Niedrigdosisbereich der DVH. Vor diesem Hintergrund erscheint eine Diskussion der Ausdehnung der „traditionellen“ Zielvolumina im Hinblick auf eine anzustrebende Dosiserhöhung im Tumor zur Verbesserung der lokalen Kontrollraten notwendig. Die in dieser Arbeit präsentierten Grenzmarken für die DVH können als Basis für die Dosisgrenzwerte bei IMRT-Plänen verwendet werden, sollten jedoch noch prospektiv validiert werden. Die DVH-Analyse der separaten Lungenflügel zeigte verlässlichere Ergebnisse und sollte bevorzugt werden, wenn Techniken, die vornehmlich eine Lunge belasten, zum Einsatz kommen.