A Biologically Adapted Dose-Escalation Approach, Demonstrated for ¹⁸F-FET-PET in Brain Tumors

Purpose:

To demonstrate the feasibility of a biologically adapted dose-escalation approach to brain tumors.

Material and Methods:

Due to the specific accumulation of fluoroethyltyrosine (FET) in brain tumors, ¹⁸F-FET-PET imaging is used to derive a voxel-by-voxel dose distribution. Although the kinetics of ¹⁸F-FET are not completely understood, the authors regard regions with high tracer uptake as vital and aggressive tumor and use a linear dose-escalation function between SUV (standard uptake value) 3 and SUV 5. The resulting dose distribution is then planned using the inverse Monte Carlo treatment- planning system IKO. In a theoretical study, the dose range is clinically adapted from 1.8 Gy to 2.68 Gy per fraction (with a total of 30 fractions). In a second study, the maximum dose of the model is increased step by step from 2.5 Gy to 3.4 Gy to investigate whether a significant dose escalation to tracer-accumulating subvolumes is possible without affecting the shell-shaped organ at risk (OAR). For all dose-escalation levels the dose difference ΔD of each voxel inside the target volume is calculated and the mean dose difference $\overline{{\Delta D}}$ and their standard deviation σ_ΔD are determined. The dose to the OAR is evaluated by the dose values $D^{{OAR}}_{{50\% }}$ and $D^{{OAR}}_{{5\% }}$ , which are the dose values not exceeded by 50% and 5% of the volume, respectively.

Results:

The inhomogeneous dose prescription is achieved with high accuracy (ΔD < 0.03 ± 0.3 Gy/fraction). The maximum dose can be increased remarkably, without increasing the dose to the OAR (standard deviation of $D^{{OAR}}_{{50\% }}$ < 0.02 Gy/fraction and of $D^{{OAR}}_{{5\% }}$ < 0.05 Gy/fraction).

Conclusion:

Assuming that regions with high tracer uptake can be interpreted as target for radiotherapy, ¹⁸F-FET-PET-based “dose painting by numbers” applied to brain tumors is a feasible approach. The dose, and therefore potentially the chance of tumor control, can be enhanced. The proposed model can easily be transferred to other tracers and tumor entities.

Ziel:

Demonstration eines biologisch adaptierten Dosiseskalationsansatzes bei Hirntumoren.

Material und Methodik:

Aufgrund der spezifischen Anreicherung von Fluoroethyltyrosin (FET) in Hirntumoren wird ¹⁸F-FET-PET-Bildgebung verwendet, um eine voxelweise Dosisvorgabe zu bestimmen. Obwohl die Kinetik von ¹⁸F-FET noch nicht vollständig verstanden ist, betrachten die Autoren Regionen mit hoher Traceranreicherung als vitalen und aggressiven Tumor und verwenden einen linearen Dosiseskalationsansatz zwischen SUV („standard uptake value“) 3 und SUV 5. Die resultierende Dosisverteilung wird mit Hilfe des inversen Monte-Carlo-Bestrahlungsplanungssystems IKO geplant. In einer theoretischen Studie wird der Dosisbereich anhand klinischer Erfahrungswerte auf den Bereich zwischen 1,8 Gy und 2,68 Gy pro Fraktion (bei einer Gesamtzahl von 30 Fraktionen) begrenzt. In einer zweiten Studie wird die Maximaldosis schrittweise von 2,5 Gy auf 3,4 Gy erhöht. Damit wird untersucht, ob eine deutliche Eskalation der Dosis in Bereichen hoher Traceranreicherung möglich ist, ohne dass das angrenzende Risikoorgan (OAR) betroffen wird. Für alle Eskalationsstufen werden die Dosisdifferenz ΔD für jedes Voxel innerhalb des Zielvolumens berechnet und die mittlere Dosisdifferenz $\overline{{\Delta D}}$ sowie die zugehörige Standardabweichung σ_ΔD bestimmt. Die Dosis im OAR wird durch die Dosiswerte $D^{{OAR}}_{{50\% }}$ und $D^{{OAR}}_{{5\% }}$ beschrieben, welche diejenigen Dosiswerte sind, die von 50% bzw. 5% des Volumens nicht überschritten werden.

Ergebnisse:

Die inhomogene Dosisvorgabe wird mit einer hohen Genauigkeit realisiert (ΔD < 0,03 ± 0,3 Gy/Fraktion). Die Maximaldosis kann deutlich erhöht werden, ohne dass das OAR durch eine höhere Dosis belastet wird (Standardabweichung von $D^{{OAR}}_{{50\% }}$ < 0,02 Gy/Fraktion und von $D^{{OAR}}_{{5\% }}$ < 0,05 Gy/Fraktion).

Schlussfolgerung:

Unter der Annahme, dass Bereiche mit hoher Traceranreicherung als Ziel für die Strahlentherapie betrachtet werden können, ist ein ¹⁸F-FET-PET-basierter „dose painting by numbers“-Ansatz bei Hirntumoren ein praktikabler Ansatz. Die Dosis, und damit die potentielle Möglichkeit einer erhöhten Tumorkontrolle, kann deutlich erhöht werden. Das vorgeschlagene Modell lässt sich problemlos auf andere Tumorentitäten und Radiopharmaka übertragen.