Published December 18, 2014 | Version v1
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Study and development of physical models to evaluate biological effects of ion therapy: the study of local control of prostate cancer

Description

External beam radiotherapy (EBRT) is a therapy technique aiming at treating locoregional tumors with high efficiency. However, many tumors remain uncontrolled. Newest EBRT techniques always aim at increasing the dose to the tumor while sparing the surrounding healthy tissues. Carbon-ion beam therapy is one of these promising techniques. The number of clinical centres offering carbon-ion beam radiotherapy has been increasing over the world for the last decade. This keen interest spread after very promising results from pilot projects at Berkeley (USA), Chiba (Japan) and Darmstadt (Germany). The theoretical advantages of carbon-ions are better spatial selectivity in dose deposition and better efficiency in cell killing. They have thus the potential to increase the control of tumors, particularly for unresectable radioresistant tumors. In high linear-energy-transfer (LET) radiations, such as carbon-ion beams, biological effects vary along the ion track, hence, to quantify them, specific radiobiological models are needed. There exist several radiobiological models based on very different theoretical approaches and approximations. They were created and improved in each of the pilot institutions. At the current state of knowledge, no convergence between the model results seems to be possible in the very near future. Clinically employed radiobiological models are the Local Effect Model (LEM) developed in Germany and implemented in CE-certified treatment planning systems, the National Institute of Radiological Science (NIRS) model employed in Japanese centres with passive beam delivery systems and the microdosimetric kinetic model (MKM) in Japanese centres with active scanning beam delivery systems. Mathematical models can be used to predict, for instance, Tumor Control Probability (TCP) and then evaluate treatment outcomes. For a given radiation dose delivered in a defined schedule, TCP models calculate the level of tumor control. In the first step, this work studies the influence of the LEM (first version) input parameters on the TCP predictions in the specific case of prostate cancer. Several published input parameters and their combination were tested. Their influence on the dose distribution calculated in a water phantom and in a patient geometry was evaluated. Changing input parameters induced clinically significant modifications of mean dose, spatial dose distribution, and TCP predictions. TCP predictions were found more sensitive to the parameter threshold dose (Dt) than to the biological parameters α and β. In the second step, methods for evaluation, comparison and optimization of clinical protocols are presented. For defined boundary conditions, 'optimized' Dt are proposed for the treatment of prostate cancer. The theoretical methodologies developed in this thesis can only be validated when they will be challenged with clinical results from on-going trials. More generally, the improvement of radiobiological models and the comparison of clinical results from different institutions will be only achieved when more patient outcome data with well-defined patient groups, fractionation schemes, well-defined end-points and harmonized reporting will be available. (author)

Abstract (French)

La radiotherapie externe est un traitement anticancereux locoregional efficace et curatif. Neanmoins, il y a toujours des malades qui meurent de tumeurs locales non-controlees. Les nouvelles techniques en radiotherapie visent toujours a trouver un moyen d'augmenter la dose a la tumeur tout en reduisant au minimum la dose aux tissus sains adjacents. Une des dernieres techniques innovantes est l'hadrontherapie par ions carbone. Ces dix dernieres annees ont vu augmenter le nombre de nouveaux centres d'hadrontherapie dans le monde avec des faisceaux d'ions carbone, forts des resultats promettant des projets pilotes Berkeley (USA), Chiba (Japon) et Darmstadt (Allemagne). Les avantages theoriques des ions carbone sont: une meilleure balistique et une meilleure efficacite dans la destruction des cellules tumorales. Ainsi cette technique a le potentiel d'augmenter le controle des tumeurs, particulierement pour celles inoperables et radioresistantes. Les effets biologiques varient le long de la trajectoire des ions de haut TEL (Transfert d'Energie Lineique) comme les ions carbone. Ainsi des modeles radiobiologiques sont necessaires pour quantifier les effets biologiques. Il existe plusieurs modeles radiobiologiques qui reposent sur des approches et des approximations theoriques differentes. Ces modeles ont ete developpes au sein de chacune des institutions ou se deroulaient les projets pilotes. Au stade actuel des connaissances, il semble peu probable d'atteindre une rapide convergence des resultats produits par ces differents modeles. Parmi les modeles radiobiologiques utilises en clinique, il y a le Local Effect Model (LEM), developpe en Allemagne et implemente dans les systemes de planification de traitement certifies CE, le modele de la National Institute of Radiological Science (NIRS), employe dans les centres japonais d'hadrontherapie possedant un systeme d'irradiation passif, et le Microdosimetric Kinetic Model (MKM) employe dans les centres japonais d'hadrontherapie possedant un systeme d'irradiation actif en mode pencil beam scanning. Les modeles mathematiques peuvent etre utilises, par exemple, pour la prediction de la Probabilite de Controle Tumoral (PCT) permettant ainsi d'evaluer les resultats cliniques d'un traitement. Pour une dose delivree, avec un fractionnement et un etalement defini, les modeles de PCT calculent le niveau de controle tumoral. Dans un premier temps, ce travail etudie l'influence des parametres d'entree du LEM (version I) sur les predictions de PCT pour le cas specifique d'une tumeur de la prostate. Plusieurs publications ont propose des valeurs pour les parametres d'entree du LEM I et la combinaison de ces parametres est testee. Ainsi leur influence sur la distribution de dose calculee dans un fantome d'eau et dans une geometrie patient a ete evaluee. Le changement des parametres d'entree a permis de mettre en evidence des modifications significatives sur les distributions de dose en termes de dose moyennes mais egalement de PCT. De plus, les predictions de PCT sont apparues plus sensibles au parametre dose seuil (Dt) qu'aux parametres biologiques α et β. Dans un second temps, des methodes pour l'evaluation, la comparaison et l'optimisation des protocoles cliniques sont presentes. Dans des conditions bien definies, des valeurs 'optimisees' de Dt sont proposees pour le traitement du cancer de la prostate. Les methodes theoriques developpees dans cette these pourront etre validees ou non lorsqu'elles seront confrontees aux futurs resultats cliniques. Plus generalement, l'amelioration des modeles radiobiologiques et des methodes de comparaison des resultats cliniques entre les institutions necessite plus des resultats cliniques avec des cohortes bien definies de patients, des plans de traitements identiques, des endpoints bien definis et enfin des rapports de traitement harmonises. (auteur)

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Original title (English)
Etude et developpement de modeles physiques pour evaluer les effets biologiques de l'hadrontherapie: cas de l'etude du controle tumoral local du cancer de la prostate

Publishing Information

Imprint Pagination
134 p.
Report number
FRNC-TH--12853

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Notes
162 refs.; Available from the INIS Liaison Officer for France, see the INIS website for current contact and E-mail addresses