Published August 1995 | Version v1
Journal article

Radiogenic responses of normal tissue induced by fractionated irradiation -a simulation study. Pt. 1. Acute effects

  • 1. Department of Electrical Engineering and Computer Science, Institute of Control Engineering, University of Siegen (Germany)
  • 2. Max-Planck-Institute of Biophysical Chemistry, Goettingen (Germany)

Description

Based on control theory, the attempt is made in this paper to construct a computer model which describes the time course of fast proliferating normal tissue after irradiation treatment. Subsequently, different clinical irradiation schems are compared in regard to their radiogenic acute effects. A cybernetic model of a cell renewal system consisting of stem-, transit- und functional cells has been developed and transferred into a computer model. The radiation effects are considered by characteristic cell parameters as well a by the linear-quadratic model. Three kinds of tissue (thick epidermis of man, thin epidermis of the mouse and jejunum of the mouse) have been irradiated in the model in accordance with different clinical irradiation schemes (standard-, super-, hyperfractionation and a single high dose per week). The simulation studies demonstrate that the acute reaction of normal tissue to hyperfractionation (3 times 1.5 Gy per day) is particularly severe. Furthermore, the radiation damage of the jejunum and of the thin epidermis of the mouse depends on the specific irradiation scheme and is only partially compensated. A comparison of the simulation results with clinical experience (and practice) demonstrates that the clinical reality can in quality be successfully represented by the model. This opens the door for connecting the side effects of irradiation to normal tissue with the corresponding tumor effectiveness. (orig.)

Abstract (German)

In der vorliegenden Arbeit wird ein regelungstechnisches Modell entwicketl, welches das zeitliche Verhalten von schnellproliferierenden Normalgeweben nach einer Strahlenbehandlung beschreibt. Darauf aufbauend werden unterschiedliche klinische Bestrahlungsschemata hinsichtlich ihrer radiogenen Akutwirkungen verglichen. Das fuer ein Zellerneuerungssystem, besthend aus Stamm-, Transit-und Funktionszllen, entwickelte kybernetische Modell ist in ein Computermodell umgesetzt worden. Die jeweiligen Strahlenwirkungen werden zum einen durch charakteristische Zellparameter und zum anderen durch das linearquadratische Modell beruecksichtigt. Drei Gewebe (dicke Epidermis des Menschen, duenne Epidermis der Maus und Magen-Darm-Schleimhaut der Maus) wurden mit unterschiedlichen klinischen Fraktionierungsschemata (Standard-, Super-, Hyperfraktionierung und hoher woechentlicher Einzeldosis) im Modell bestrahlt. Bei diesen Simulationsstudien hat sich gezeigt, dass die Akutreaktion bei Hyperfraktionierung (3mal 1,5 Gy/Tag) besonders heftig ist. Darueber hinaus wird beim Jejunum und bei der duennen Epidermis der Maus der Strahlenschaden in Abhaengigkeit vom jeweiligen Bestrahlungsschema nur noch partiell kompensiert. Ein Vergleich der Simulationsergebnisse mit der klinischen Erfahrung zeigt, dass das Modell die klinische Realitaet qulitativ wiedergeben kann. Hiermit eroeffnet sich die Moeglichkeit, die Nebenwirkungen von Bestrahlungen auf Normalgewebe mit der entsprechenden Tumorwirksamkeit in Verbindung zu bringen. (orig.)

Additional details

Publishing Information

Journal Title
Strahlentherapie und Onkologie
Journal Volume
171
Journal Issue
8
Journal Page Range
p. 460-467.
ISSN
0179-7158
CODEN
STONE4