Introduction: In large brain metastases (BM) with a diameter of more than 2 cm there is an increased risk of radionecrosis (RN) with standard stereotactic radiosurgery (SRS) dose prescription, while the normal tissue constraint is exceeded. The tumor control probability (TCP) with a single dose of 15 Gy is only 42%. This in silico study tests the hypothesis that isotoxic dose prescription (IDP) can increase the therapeutic ratio (TCP/Risk of RN) of SRS in large BM.
Materials and methods: A treatment-planning study with 8 perfectly spherical and 46 clinically realistic gross tumor volumes (GTV) was conducted. The effects of GTV size (0.5-4 cm diameter), set-up margins (0, 1, and 2 mm), and beam arrangements (coplanar vs non-coplanar) on the predicted TCP using IDP were assessed. For single-, three-, and five-fraction IDP dose-volume constraints of V12Gy = 10 cm3, V19.2 Gy = 10 cm3, and a V20Gy = 20 cm3, respectively, were used to maintain a low risk of radionecrosis.
Results: In BM of 4 cm in diameter, the maximum achievable single-fraction IDP dose was 14 Gy compared to 15 Gy for standard SRS dose prescription, with respective TCPs of 32 and 42%. Fractionated SRS with IDP was needed to improve the TCP. For three- and five-fraction IDP, a maximum predicted TCP of 55 and 68% was achieved respectively (non-coplanar beams and a 1 mm GTV-PTV margin).
Conclusions: Using three-fraction or five-fraction IDP the predicted TCP can be increased safely to 55 and 68%, respectively, in large BM with a diameter of 4 cm with a low risk of RN. Using IDP, the therapeutic ratio of SRS in large BM can be increased compared to current SRS dose prescription.
Einleitung: Bei einer Standarddosisverschreibung für eine stereotaktische Radiochirurgie (SRS) von großen Hirnmetastasen (BM) mit einem Durchmesser von ≥2 cm ist das Risiko für eine Strahlennekrose (RN) erhöht, da die Toleranzdosis des Hirngewebes überschritten wird. Die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit (TCP) ist bei 15 Gy lediglich 42 %. Diese In-silico-Studie testet die Hypothese, dass eine isotoxische Dosisverschreibung (IDP) das Potenzial hat, das therapeutische Fenster (TCP/RN-Risiko) von SRS bei großen BM zu vergrößern.
Material und Methoden: Eine Planungsstudie mit 8 perfekt sphärischen und 46 klinisch realistischen Tumorvolumen (GTV) wurde durchgeführt. Die Effekte der GTV-Größe (Durchmesser 0,5–4,0 cm), des Set-up-Saums (0, 1, 2 mm) und der Strahlanordnung (koplanar vs. nichtkoplanar) auf die erwartete TCP bei Anwendung der IDP wurden untersucht. Für IDP in 1, 3 oder 5 Fraktionen wurden die entsprechenden Dosis-Volumen-Einschränkungen V12Gy = 10 cm3, V19,2 Gy = 10 cm3 und V20Gy = 20 cm3 verwendet, um das RN-Risiko gering zu halten.
Ergebnisse: Für BM mit einem Durchmesser von 4 cm war die maximal erreichbare IDP-Dosis in einer Bestrahlung 14 Gy im Vergleich zu 15 Gy bei der Standarddosisverschreibung, mit entsprechender TCP von 32 % bzw. 42 %. Fraktionierte SRS mit IDP war notwendig, um die TCP zu erhöhen. Für IDP in 3 und 5 Fraktionen wurde eine maximal vorhergesagte TCP von 55 und 68 % erreicht (nichtkoplanare Strahlenbündel und GTV-PTV-Saum von 1 mm).
Schlussfolgerung: Mit einer IDP in 3 oder 5 Fraktionen kann die vorhergesagte TCP bei BM mit einem Durchmesser von 4 cm jeweils auf 55 bzw. 68 % erhöht werden, mit gleichzeitig geringem Risiko auf RN. Mit IDP kann das therapeutische Fenster einer SRS großer BM im Vergleich zur Standarddosisverschreibung erhöht werden.
Keywords: Dose prescription; Large brain metastases; Normal tissue tolerance; Radiotherapy; Stereotactic.