Titelaufnahme

Aderhautmelanome zählen zu den häufigsten Augentumoren mit einer Inzidenzrate von 1/100.000 pro Jahr. Die meisten Aderhautmelanompatienten profitieren von den verbesserten Strahlentherapietechniken, sodass eine Enukleation nur noch für sehr weit fortgeschrittene Tumorstadien notwendig wird. Hinsichtlich Tumorkontrolle und Nebenwirkungen erzielt die Brachytherapie mit 106Ru Augenapplikatoren exzellente Resultate in gleicher Weise wie Teletherapie mittels Photonen oder Protonen. Vergleicht man den Entwicklungsstand der Augenapplikator-basierten Brachytherapie mit der bildgesteuerten 3-dimensionalen Teletherapie liegt erstere allerdings hinsichtlich Bestrahlungsplanung und Qualitätssicherung hinter Teletherapie.

Derzeit basiert die Bestrahlungsplanung vorwiegend auf simplen 1-dimensionalen Dosisvorschreibungstabellen oder auf überholter Software, die den steigenden Anforderungen bezüglich verbesserter Planungsgenauigkeit, Planungsoptimierung, einer genauen 3D Abbildung von Tumor- und Risikostrukturgeometrie und Postimplantations-Qualitätssicherung nicht mehr genügt. Für die Verbesserung klinischer Ergebnisse sind derartige Weiterentwicklungen hinsichtlich einer Verbesserung der Nebenwirkungen essentiell.

Volumetrische Beschreibungen des Tumors und der Risikostrukturen, sowie die applizierte Dosis sind wesentliche Parameter, um die Abhängigkeit zwischen Dosis und Dosiswirkung zu verstehen. Ein erweitertes Verständnis dieser Beziehung wird somit eine individuellere Behandlung mit 106Ru Augenapplikatoren ermöglichen.

Im Zuge dieser Doktorarbeit wurde eine Forschungsversion eines Behandlungsplanungssystems für die 106Ru basierte Brachytherapie von Aderhautmelanomen entwickelt.

Um Dosis-Volumen Parameter basierend auf tatsächlich applizierten Dosen und einem volumetrischen Augenmodell für jeden Patienten ableiten zu können, wurden 3D Dosisverteilungen für die verschiedenen 106Ru Augenapplikatormodelle berechnet. Die im Monte Carlo Code MCNP6 generierten Nachschlagetabellen wurden mit Daten aus Messungen verglichen. Die Resultate zeigten eine gute Übereinstimmung zwischen errechneten und experimentellen Daten, sowie zu den Referenzwerten. Die resultierende statistische Unsicherheit lag deutlich unter den Angaben des Herstellers. Zusätzlich erlaubten die Filmmessungen eine genauere Beschreibung der 2D Dosisverteilungen über den gesamten Applikator. Die Informationen hieraus wurden genutzt, um Konzepte für Sicherheitssäume zu entwickeln, die auf realistischen dosimetrischen Messunsicherheiten beruhen.

Nach der Validierung der Dosisberechnung des neuen Behandlungsplanungssystems, wurden unterschiedliche Szenarien für Tumorgröße und -position untersucht. Applikatorfehlplatzierungen wurden ebenfalls berücksichtigt, um somit Unsicherheiten durch die chirurgische Platzierung der Plaques zu simulieren. Basierend auf den volumetrischen Dosisverteilungen in diesen unterschiedlichen Szenarien, wurde die Robustheit der Behandlungspläne untersucht. Zudem wurde die Empfindlichkeit von Risikostrukturen in Bezug auf eine ungenaue Positionierung des Applikators und der dosimetrischen Unsicherheit analysiert. Infolgedessen konnten Optimierungsstrategien der Behandlungsplanung entwickelt werden, um das Normalgewebe besser zu schonen.

Im letzten Schritt wurden Patientendaten der Behandlung der vergangenen 20 Jahre mit Brachytherapie gesammelt und hinsichtlich der Dosis-Wirkungs-Beziehung ausgewertet. Die wissenschaftliche Arbeit, die im Rahmen dieser Doktorarbeit durchgeführt wurde, hat einen neuartigen Software-basierten Ansatz für die brachytherapeutische Behandlung von Aderhautmelanomen geschaffen, der sowohl für die klinische Routine, als auch für pro- und retrospektive Studien genutzt werden kann.

Uveal melanoma is the most prominent intraocular malignant tumor with an occurrence of 1 per 100,000 people per year. Nowadays, most patients with uveal melanoma benefit from advancements in conservative radiotherapy techniques and the necessity of enucleation is given only for very late stage patients. Among the different modalities utilized in the treatment, such as external beam photon and particle therapy, a long tradition of brachytherapy using 106Ru eye plaques achieves excellent tumor control and low toxicity rates. However, especially when compared to the recent advancements in image-guided three-dimensional external photon beam therapy on linear accelerators, the level of sophistication in aspects of treatment planning and quality assurance is very basic in eye plaque brachytherapy.

So far, treatment planning relies either on simplistic one-dimensional dose prescription tools or on software that appears outdated and does not live up to the requirements for improving the planning accuracy, treatment plan optimization, tumor and critical structure geometry, and post-implantation quality assurance. Such improvements, however, are necessary if the clinical outcome should be amended, especially with respect to side effects. The low radiation sensitivity of uveal melanomas requires the application of very high doses which in turn pose a threat to the functionality of the radiosensitive structures. This frail balance between tumor control and normal tissue complication probabilities (NTCP) demands an accurate dose delivery and provides room for optimization.

Volumetric descriptions of the tumor and critical structures and the dose deposited within these volumes are crucial parameters in order to understand the relationship between dose and response. By expanding the knowledge on this relationship, a more individual application of 106Ru eye plaques will become possible.

The work carried out for this thesis was aimed to tackle these deficiencies in the current treatment methodology. A research version of a treatment planning system for brachytherapy of uveal melanomas was developed, within the scope of this thesis.

In order to derive dose volume metrics based on actual delivered doses and a volumetric eye model for each patient, full three-dimensional dose distributions were calculated for different 106Ru plaque models. In a first step, these lookup tables, generated by the Monte Carlo code MCNP6, were compared to experimental data obtained from measurements using radiochromic films, diodes and µDiamond detectors. The resulting data showed good agreement among the calculational, experimental and reference absolute and relative doses well within the uncertainties specified by the manufacturer. Additionally, the film measurements gave a better understanding of 2D dose distributions across the plaque. The information gained was used to establish margin concepts based on realistic dosimetric uncertainties.

Once the dose calculation of the novel TPS was validated, different scenarios of tumor location and size including plaque misplacements to simulate uncertainties after surgery were generated. Based on the calculated volumetric dose distributions in these scenarios, treatment plan robustness and sensitivities of critical structures to an inaccurate plaque positioning and dosimetric uncertainties were analyzed. This step helped to develop treatment plan optimization strategies to improve the sparing of normal tissue.

In a last step, patient data from the last 20 years of brachytherapy treatments at the Medical University of Vienna was collected and evaluated with respect to dose response relationships. The work carried out for the thesis allowed to establish a novel software based approach for treatment planning of ophthalmic plaque brachytherapy of uveal melanoma which can be used for clinical practice as well as a tool for pro- and retrospective studies, respectively.