Impact of PET in the Radiation Therapy Planning for Pediatric Cancer

Abstract (Swedish)

I Sverige drabbas omkring 300 barn av cancer varje år och majoriteten av dem är bara fyra-fem år gamla när de får sin diagnos. Omkring två tredjedelar av barncancerdiagnoserna utgörs av leukemier, lymfom och hjärntumörer, medan den sista tredjedelen är olika solida tumörformer som njurtumörer och nervvävnadstumörer i buken. Cancersjukvårdens utveckling under de senaste årtiondena har medfört en avsevärt förbättrad prognos för flertalet cancerdiagnoser. Ungefär tre fjärdedelar av barncancerpatienterna blir idag helt botade. De främsta behandlingsmetoderna är kirurgi, kemoterapi (cellgifter) och strålbehandling och de kan kombineras på olika sätt. I Sverige strålbehandlas ungefär hälften av alla cancerpatienter, och cirka en tredjedel av barncancerpatienterna, någon gång under sin sjukdomstid.
Strålbehandlingen går ut på att en viss stråldos levereras till en specifik målvolym, som oftast utgörs av själva tumören inklusive marginaler. Strålningen som används har tillräckligt hög energi för att orsaka skador på kroppens celler, till exempel genom att jonisera atomer och bryta molekylbindningar. Detta kan bland annat påverka DNA-molekylen i cellkärnan.

Tyvärr är det ofrånkomligt att även friska celler bestrålas, och givetvis kan strålningen orsaka bestående påverkan även inuti dessa. Skadorna motarbetas dock av de reparationsprocesser som ständigt pågår i kroppen och lyckligtvis nog sker reparationen oftast betydligt mer effektivt i de friska cellerna än i tumörceller. För att undvika skador i frisk vävnad är det dock viktigt att inte bestråla en onödigt stor volym. Att skona den friska vävnaden men samtidigt leverera en tillräckligt hög dos till tumören är en av de största utmaningarna inom modern strålbehandling. Detta är ännu viktigare för unga patienter, eftersom barn är extra känsliga för strålning och riskerna för negativa bieffekter är större än hos vuxna. Dessutom har barn fler levnadsår framför sig än vuxna patienter, vilket innebär fler år för komplikationer att hinna utvecklas och ge besvär.

Inom extern strålbehandling har det under de senaste årtiondena utvecklats nya behandlingstekniker. I kombination med CT-baserad (Computed Tomography, datortomografi) dosplanering har dessa förbättrat möjligheterna att mer exakt leverera stråldos till den önskade målvolymen. Denna mer konforma dosfördelning gör det möjligt att öka den absorberade dosen till tumören utan att öka stråldosen till omgivande frisk vävnad. Den gör det också möjligt att minska behandlingsmarginalerna, men detta innebär i sin tur att det blir ännu viktigare säkerställa vilken volym som behöver behandlas. Behovet av att komplettera traditionella undersökningsmetoder som CT med andra informationskällor har ökat.

PET (positronemissionstomografi) är en nuklearmedicinsk bildtagningsmodalitet som blivit ett allt viktigare komplement till CT vid diagnostisering och behandlingsplanering av cancersjukdomar. Precis som vid de flesta nuklearmedicinska undersökningar injiceras ett radioaktivt preparat i patienten. Aktiviteten fördelar sig i patientens kropp och kan avbildas med hjälp av olika detektorer. Genom att fästa den radioaktiva isotopen till en molekyl med känt biologiskt rörelsemönster kan man till viss del styra var i kroppen aktiviteten ska hamna. Vid PET-scanning används ofta den radioaktiva isotopen fluor-18 som fästs vid en glukosliknande molekyl. Glukos (druvsocker) är en viktig energikälla och tas upp av celler i proportion till deras ämnesomsättning. Detta innebär att radioaktiviteten ackumuleras i celler med hög metabolism – något som ofta är fallet med maligna tumörceller. PET-bilden kan därmed vara till stor hjälp vid inritningen av målvolymer. Syftet med denna studie är att studera om – och i så fall hur – målvolymerna ändras av att den kliniska informationen kompletteras med PET-bilder. Strålbehandlingsplaner har gjorts till båda varianter och för ett flertal strålbehandlingstekniker. Målet är att med hjälp av teoretiska modeller baserade på publicerade data försöka upptäcka och kvantifiera skillnader mellan planerna med och utan PET, med avseende på risken för komplikationer. Resultaten visar att användningen av PET kan förändra målvolymerna till såväl storlek som form. Trots detta var det inte möjligt att påvisa någon signifikant förändring av riskerna för komplikationer av själva strålbehandlingen.

Abstract

Purpose:
The purpose of this study was to evaluate the impact of including PET (Positron Emission Tomography) in the process of pediatric radiation therapy planning. The aim was to study the effect on target volumes and how this in turn affects the resulting treatment plans. This study also aims to compare the estimated risks of various long-term complications and how the use of PET influences these risks.

Methods:
Eleven pediatric sarcoma, NSCLC (non-small-cell lung cancer) and nasopharyngeal cancer patients, treated at Rigshospitalet in 2005-2011, were included in this study. The target volumes (GTV:s and CTV:s) were delineated by senior clinicians specialized in nuclear medicine, diagnostic radiology and radiation oncology. The delineation was performed without and subsequently with access to the PET scan information, on separate CT-sets. A margin of 6 mm was added to each CTV to render the PTV.
Treatment plans were generated for three different photon therapy modalities and intensity-modulated proton therapy. Dose-effects models based on published studies were derived to evaluate and compare the risks of complications.
Moreover, a rough estimation of the effective dose from the PET/CT scan and the associated risk was made.

Results:
The target volumes were evaluated with respect to volume size as well as shape. For the patients in this study, there was no significant change of the size of the target volumes: the average CTV size was 257 cm3 (range: 71.10-462.40 cm3, median 259.60 cm3) and 254 cm3 (range: 63.43-497.30 cm3, median 211.90 cm3) without and with PET respectively. Using PET did in some cases alter the shape of the treatment volumes, resulting in a mean Dice index of 0.91 (range: 0.86-0.95).
The radiation therapy plans based on PET data were not significantly different from the noPET-plans, in neither the risk of normal tissue complications, nor the risk of secondary cancers. The impact of PET did not differ between the four treatment modalities.

Conclusions:
The main conclusion from this study is that while including PET in the radiation therapy treatment planning process of pediatric cancer patients may change the shape and size of the target volume, it does not significantly impact the risks attributable to the radiation therapy, neither of normal tissue complications nor secondary cancers. The risk of radiation-induced complications from the PET/CT scan is very small.
The target volume may be decreased by including PET, when areas dubious on the CT are FDG-negative. This gives the potential to reduce the irradiated normal tissue volume. The PET-based target volume may be expanded for FDG-positive areas that are undistinguishable on the CT-images. This will likely decrease the risk of leaving malignant tissue untreated.

The results suggest that there will be no significant differences between radiation therapy plans made with or without PET-data. The plans appear to be of comparable quality (provided that the therapeutic efficacy is maintained) and the risk of long-term complications is not changed. A vast amount of published results from more than a decade of research and clinical experience, indicate the usefulness and diagnostic value of including PET-data into the care of cancer patients – adults as well as children. Taking these factors into consideration, along with the very low risks of radiation-induced side effects from the PET/CT scan itself, the conclusion is that PET should be used as a complementary tool in target volume delineation for radiation therapy planning of pediatric patients.

• author: Ståhl Kornerup, Josefine
• supervisor: Patrik Brodin; Charlotte Birk Christensen; Thomas Björk Eriksson; Per Munck af Rosenschöld
• organization: Medical Physics Programme
• year: 2012
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Medicine and Health Sciences
• language: English
• id: 3327108
• date added to LUP: 2012-12-20 19:09:04
• date last changed: 2013-09-05 12:21:32