High-Precision Radiation Therapy with Integrated Biological Imaging and Tumor Monitoring

Purpose:

To describe an emerging concept of high-precision radiotherapy, a modality characterized by adaptation to patient and organ movements, which might occur between fractions or even during radiation delivery.

Methods and Results:

Today’s unprecedented technical capabilities to visualize the target volume and create conformal dose distributions allow for avoidance of critical structures or targeted treatment intensification within a conventionally imaged, anatomically defined tumor. The success of selective dose escalation depends on (1) correct staging and target volume identification, which can be improved by biological imaging, and (2) identification of biologically relevant subvolumes, which determine tumor control. Current efforts are directed at different methods, such as positron emission tomography and magnetic resonance spectroscopy, and integrating them into treatment planning.

Conclusion:

Early clinical trials assessing the safety and efficacy of image- and biology-guided radiotherapy are ongoing. The same modalities might be used to determine the individual tumor response during treatment and to adapt therapy. Temporal changes in tumor biology, which might represent both a challenge and a chance with regard to adaptation of treatment, need to be addressed in greater detail.

Ziel:

Beschreibung eines in der Entwicklung befindlichen Konzepts zur Hochpräzisionsbestrahlung, einer Behandlungsmodalität, welche die Lagevariabilität des Patienten und die Organbeweglichkeit zwischen den einzelnen Fraktionen und während einer Einzelfraktion berücksichtigt.

Methodik und Ergebnisse:

Die aktuellen Techniken zur Darstellung des Zielvolumens und zur Berechnung konformaler Dosisverteilungen ermöglichen die Schonung kritischer Strukturen oder die gezielte Intensivierung der Behandlung innerhalb eines konventionell anatomisch definierten Zielvolumens. Der Erfolg einer selektiven Dosiseskalation hängt 1. vom korrekten Staging und von der Festlegung des Zielvolumens, die durch biologische Bildgebung verbessert werden, und 2. von der tatsächliche Darstellung biologisch relevanter Tumorsubvolumina, welche die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit bestimmen, ab (Abbildung 1). Gegenwärtig werden verschiedene Methoden in die Bestrahlungsplanung einbezogen, z. B. Positronenemissionstomographie und Magnetresonanzspektroskopie.

Schlussfolgerung:

Klinische Pilotstudien zur Bewertung der Sicherheit und Effektivität dieser Therapie haben begonnen. Außerdem können dieselben Methoden das individuelle Ansprechen von Tumoren im Verlauf der Behandlung erfassen und dadurch Änderungen begründen. Die zeitlichen Veränderungen der Tumorbiologie (Abbildung 2) müssen aber noch detaillierter untersucht werden, da sie sowohl eine Herausforderung als auch eine Chance bezüglich der Behandlungsanpassung sein können (Abbildung 3).