Retrospektive Planungsstudie zur Strahlenbehandlung von Hirntumoren: Einfluss von nTMS-basierten Motorkortex und Hippocampus auf die Planqualität - Vergleichsplanung zweier Bestrahlungsprogramme für die Planung multipler Hirnmetastasen

Abstract

Die hier vorgestellten Studien zu motor-eloquenten Metastasen und Glioblastomen legen nahe, dass eine simultane Reduktion der Dosis im motorischen Kortex und im Hippocampus möglich ist, während die Planungszielvolumen-Abdeckung, die Planqualität und die Schonung anderer Risikoorgane beibehalten oder verbessert werden können. Bei den motoreloquenten Metastasen ermöglicht die Einbeziehung der navigierte transkranielle Magnetstimulation-basierten Informationen über den motorischen Kortex in die Planoptimierung eine Dosisreduzierung um etwa 30% (ca. 5 Gy bei der mittleren Dosis). Die singuläre Optimierung des motorischen Kortex führt jedoch zu einer Erhöhung der Dosis für die Hippocampi, den Thalamus und dem Hirnstamm. Diese Erhöhung kann durch die Einbeziehung der Hippocampusdosis als zusätzliches Planungsziel verhindert werden. In den vorliegenden Plänen kann eine zusätzliche Dosisreduktion des Hippocampus zusammen mit dem motorischen Kortex erreicht werden, was zu einem verstärkten Schutz dieser funktionellen kortikalen Bereiche führt. Die Pläne für die Bestrahlung der Glioblastome zeigen eine mittlere Gesamtdosisreduktion für den navigierte transkranielle Magnetstimulation-definierten motorischen Kortex von bis zu 10% (ca. 6 Gy), während die mittlere Dosis für den ipsilateralen Hippocampus um mehr als 20% (ca. 6 Gy) und die kontralaterale Dosis um mehr als 40% (ca. 4 Gy) reduziert wurde. Die manuelle Optimierung und die Auto-Planung erzielten einen beträchtlichen Dosisschutz, wobei die etwas bessere Leistung der Auto-Planungsalgorithmen für die meisten Risikoorgane auf Kosten einer erheblich höheren Dosismodulation ging. Es wurden keine offensichtlichen Nachteile durch die Schonung des navigierte transkranielle Magnetstimulation-definierten motorischen Kortex und des Hippocampus festgestellt. Folglich kann die standardisierte Schonung dieser Strukturen für die klinische Routine sowohl für Glioblastome als auch einzelner motor-eloquenter Metastasen empfohlen werden, während die Auswirkungen auf die Lebensqualität, die motorische Funktion und die kognitive Leistung in künftigen Studien ermittelt werden müssen. Im Rahmen der Bestrahlungsplanung von multiplen Metastasen sind in beiden Planungssystemen für weniger als 10 Metastasen klinisch akzeptable Pläne berechnet worden, die eine ähnliche Komplexität und Planqualität aufweisen. Bei einer Anzahl von mehr als 10 Metastasen zeigen die mit den hier verwendeten Optimierungsparametern erstellten Pläne eine geringere Anzahl klinisch akzeptabler Pläne. Dennoch ist es möglich mit dieser Standardschema relativ gute Pläne zu erzeugen, die eine deutliche Verbesserung zur Ganzhirn-Bestrahlung sein sollte, da die gezielte applizierte Dosis in den Tumoren eine Bestrahlung von gesundem Gewebe vermindert. Die manuelle Weiteroptimierung würde einen optimalen individuellen Bestrahlungsplan ermöglichen, der für die spezifischen Bedürfnisse des Patienten angepasst werden kann. Es ist anzumerken, dass jedes Planungssystem dabei eigene Vor- und Nachteile aufweist. So sind HyperArc-Pläne besser bezüglich der Planqualität und haben weniger Dosisbrücken bei hohen Isodosen, während MBM SRS-Pläne das Normalgewebe und die Risikoorgane, welche nicht mit den Tumoren überlappen, besser schützen. Die technischen Verbesserungen, die während der drei Studien implementiert, entwickelt und optimiert wurden, demonstrieren eine signifikante Weiterentwicklung der Strahlentherapie bei verschiedenen Hirntumoren.

The studies presented here on motor-eloquent metastases and glioblastomas suggest that simultaneous dose reduction in the motor cortex and hippocampus is possible while maintaining or improving planning target volume coverage, plan quality, and sparing of other organs at risk. In motor-eloquent metastases, the inclusion of navigated transcranial magnetic stimulation based information about the motor cortex in plan optimization allows a dose reduction of approximately 30% (approx. 5 Gy at the mean dose). However, optimizing the motor cortex alone leads to an increase in the dose to the hippocampus, thalamus, and brain stem. This increase can be prevented by including the hippocampus dose as an additional planning target. In the present plans, an additional dose reduction of the hippocampus can be achieved together with the motor cortex, resulting in enhanced protection of these functional cortical areas. The plans for the irradiation of glioblastomas show a mean total dose reduction for the navigated transcranial magnetic stimulation-defined motor cortex of up to 10 %, (approx. 6 Gy), while the mean dose to the ipsilateral hippocampus was reduced by more than 20% (approx. 6 Gy) and the contralateral dose by more than 40% (approx. 4 Gy). Manual optimization and auto-planning achieved considerable dose sparing, with the slightly better performance of the auto-planning algorithms for most organs at risk coming at the expense of significantly higher dose modulation. No obvious disadvantages were observed from sparing the navigated transcranial magnetic stimulation-defined motor cortex and hippocampus. Consequently, standardized sparing of these structures can be recommended for clinical routine for both glioblastomas and single motor-eloquent metastases, while the impact on quality of life, motor function, and cognitive performance must be determined in future studies. In the context of radiation planning for multiple metastases, clinically acceptable plans with similar complexity and plan quality were calculated in both planning systems for fewer than 10 metastases. For more than 10 metastases, the plans created with the optimization parameters used here show a lower number of clinically acceptable plans. Nevertheless, it is possible to generate relatively good plans with this standard scheme, which should represent a significant improvement over whole brain radiation, as the targeted dose applied to the tumors reduces radiation to healthy tissue. Manual further optimization would enable an optimal individual radiation plan that can be adapted to the specific needs of the patient. It should be noted that each planning system has its own advantages and disadvantages. For example, HyperArc-plans are better in terms of plan quality and dose bridges at high isodoses, while MBM SRS-plans better protect normal tissue and organs at risk that are not overlapped with the tumors. The technical improvements implemented, developed, and optimized during the three studies demonstrate significant advances in radiation therapy for various brain tumors. Radiation techniques are becoming more precise, so that only through planning studies such as these can define the new limits and possibilities of the new techniques.