Positron Emission Tomography for Radiation Treatment Planning

Purpose:

To evaluate the impact of positron emission tomography (PET) on target volume delineation for radiation treatment planning.

Material and Methods:

The data of the literature concerning the use of PET in target volume delineation are summarized. The following points are discussed for each tumor entity: biological background for the PET investigation, sensitivity and specificity of PET (with different tracers) in comparison to computed tomography (CT) and magnetic resonance imaging (MRI) and impact of PET on target volume definition. New PET tracers, which could visualize biological pathways, such as hypoxia, proliferation, angiogenesis, apoptosis and gene expression patterns, will also be discussed.

Results:

The results of clinical studies on the integration of PET in target volume definition for lung, head-and-neck, genitourinary and brain tumors were analyzed. Fluorodeoxyglucose-(FDG-)PET has a significant impact on GTV (gross tumor volume) and PTV (planning target volume) delineation in lung cancer and can detect lymph node involvement and differentiate malignant tissue from atelectasis. In head-and-neck cancer, the value of FDG-PET for radiation treatment planning is still under investigation. For example, FDG-PET could be superior to CT and MRI in the detection of lymph node metastases and unknown primary cancer and in the differentiation of viable tumor tissue after treatment. Therefore, it might play an important role in GTV definition and sparing of normal tissue. Choline PET and acetate PET are promising tracers in the diagnosis of prostate cancer, but their validity in local tumor demarcation, lymph node diagnosis and detection of recurrence has to be defined in future clinical trials. FDG-PET seems to be particularly valuable in lymph node status definition in cervical cancer. In high-grade gliomas and meningiomas, methionine PET helps to define the GTV and differentiate tumor from normal tissue. For other entities like gastrointestinal cancer, lymphomas, sarcomas, etc., the data of the literature are yet insufficient. The imaging of hypoxia, cell proliferation, angiogenesis, apoptosis and gene expression leads to the identification of different areas of a biologically heterogeneous tumor mass that can individually be targeted using intensity modulated radiotherapy (IMRT). In addition, a biological dose distribution can be generated, the socalled dose painting. However, systematic experimental and clinical trials are necessary to validate this hypothesis.

Conclusion:

Regarding treatment planning in radiotherapy, PET offers advantages in terms of tumor delineation and the description of biological processes. To define the real impact of this investigation in radiation treatment planning, subsequent experimental, clinical and cost-benefit analyses are required.

Ziel:

Untersuchung der Wertigkeit der Positronenemissionstomographie (PET) für die Strahlentherapieplanung.

Material und Methodik:

Die Arbeit fasst die Daten aus der Literatur zur Integration der PET in die Zielvolumendefinition für die Entitäten Lungen-, Kopf-Hals , Becken- und Hirntumoren zusammen. Für jede Tumorentität werden folgende Punkte diskutiert: der biologische Hintergrund der PET-Untersuchung, die Sensitivität und Spezifität (mit verschiedenen Tracern) im Vergleich zur Computertomographie (CT) und Magnetresonanztomographie (MRT) und der Einfluss auf die Zielvolumendefinition. Neue Tracer, die für die Strahlentherapie wichtige biologische Vorgänge abbilden, werden diskutiert: Hypoxie, Proliferation, Angiogenese, Apoptose, Genexpression.

Ergebnisse:

Die Fluorodesoxyglucose-(FDG-)PET hat einen signifikanten Einfluss auf die Zielvolumendefinition bei Lungentumoren, insbesondere in der Diagnose pathologischer Lymphknoten und in der Abgrenzung des Tumors von einer Atelektase. Bei Kopf-Hals-Tumoren ist der Stellenwert der PET noch offen: Die FDG-PET könnte der CT und MRT in der Diagnose von Lymphknotenmetastasen, der Suche des Primärtumors bei CUP und der differentialdiagnostischen Abgrenzung des Primär- oder Rezidivtumors von einer Nekrose nach Therapie überlegen sein. Hierdurch könnten die Definition des Zielvolumens und die Schonung des Normalgewebes maßgeblich beeinflusst werden. In der Diagnostik des Prostatakarzinoms finden sich erste, vielversprechende Daten zur Cholin- bzw. Acetat-PET. Die Präzision bei der Bestimmung der Ausdehnung von Primärtumor und Lymphknotenmetastasen sowie der Diagnostik eines Tumorrezidivs muss noch in weiteren klinischen Studien bestimmt werden. Die FDG-PET ist vor allem in der Detektion von Lymphknotenmetastasen des Zervixkarzinoms nützlich. Bei „High-grade“-Gliomen und Meningeomen hat die Methionin-PET eine große Bedeutung für die Definition des Zielvolumens durch die präzise Unterscheidung von Tumor- und Normalgewebe. Für andere Tumorentitäten (gastrointestinale Tumoren, Lymphome, Sarkome etc.) sind die Daten aus der Literatur noch unzureichend. Die Darstellung von Tumorhypoxie, Proliferation, Angiogenese, Apoptose oder Genexpression kann zur Identifikation strahlenbiologisch unterschiedlicher Areale eines inhomogenen Tumors führen. Die biologische Bildgebung könnte so der intensitätsmodulierten Radiotherapie (IMRT) die Informationen für eine gezielt inhomogene Dosisverteilung liefern, um im Rahmen des sog. Dose-Painting Gebiete vermeintlich höherer Strahlenresistenz gezielt mit höheren Dosen zu behandeln. Diese Hypothese wurde allerdings bislang nicht in klinischen Studien untersucht.

Schlussfolgerung:

Die Integration der PET in die Strahlentherapieplanung beeinflusst die Zielvolumendefinition bei der Strahlentherapie vieler solider Tumoren. In Zukunft könnte sie vor allem durch eine präzise Definition der Tumorgrenzen und die Darstellung wichtiger biologischer Vorgänge weitere Bedeutung gewinnen. Experimentelle und klinische Untersuchungen sowie Kosten-Nutzen-Analysen sind allerdings notwendig, um den Stellenwert dieser Untersuchung für die Strahlentherapieplanung genauer zu definieren.