Ανάπτυξη και εφαρμογή ραδιοβιολογικών μοντέλων σε σύγχρονες ακτινοθεραπευτικές τεχνικές

Abstract

This thesis presents a generalisation of a methodology which quantifies the radiobiologicalconsequences of dose gradient effects in brachytherapy applications. The methodology uses the linear-quadratic (LQ) formulation to identify an equivalent Biologically Effective Dose (BEDeq) which, if applied uniformly to a specified tissue volume, would produce the same net cell survival as that achieved by a given non-uniform brachytherapy application. Multiplying Factors (MFs), which enable the equivalent BED for an enclosed volume to be estimated from the BED calculated at the dose reference surface, have been calculated and tabulated for both spherical and cylindrical geometry. The main types of brachytherapy [high dose-rate (HDR), low dose-rate (LDR) and pulsed (PB)] have been examined for a range of radiobiological parameters/dimensions. Equivalent BEDs are consistently higher than the BEDs calculated at the reference surface by an amount which depends on the treatment prescription (magnitude of the prescribed dose) at the reference point. MFs are closelyrelated to the numerical BED values, irrespective of how the original BED was attained (e.g. via HDR, LDR or PB). Thus, an average MF can be used for a given prescribed BED as it will be largely independent of the assumed radiobiological parameters (radiosensitivity and α/β) and standardised look-up tables may be applicable to all types of brachytherapy treatment. This analysis opens the way to more systematic approaches for correlating physical and biological effect in several types of brachytherapy and for the improved quantitative assessment and ranking of clinical treatments which involve a brachytherapy component.

Σκοπός της διατριβής είναι η προτυποποίηση μεθοδολογίας για τον υπολογισμό του βιολογικού αποτελέσματος ακτινοβόλησης στη βραχυθεραπεία λαμβάνοντας υπ’ όψη τις ραδιοβιολογικές συνέπειες του φαινομένου της βάθμωσης της δόσης. Η μεθοδολογία βασίζεται στη χρήση του γραμμικού τετραγωνικού (LQ) προτύπου. Προσδιορίζεται η ισοδύναμη βιολογικά δραστική δόση (equivalent biologically effective dose - BEDeq) που αν εφαρμοστεί ομοιόμορφα σε ένα διευκρινισμένο όγκο θα δώσει το ίδιο βιολογικό αποτέλεσμα με αυτό που επιτυγχάνεται σε μια δεδομένη (ανομοιόμορφη) εφαρμογή βραχυθεραπείας. Η τιμή της βιολογικά δραστικής δόσης υπολογισμένης σε ένα σημείο αναφοράς μπορεί να πολλαπλασιαστεί με ένα διορθωτικό παράγοντα (Μultiplying Factor) ώστε να προκύψει η ισοδύναμη BED για τον όγκο ιστού που περιβάλλεται από την επιφάνεια η οποία περιέχει το σημείο αναφοράς. H μέθοδος αναπτύσσεται για γεωμετρίασφαιρικής/κυλινδρικής πηγής καθώς και για βραχυθεραπεία χαμηλού ρυθμού δόσης (LDR), βραχυθεραπεία υψηλού ρυθμού δόσης (HDR) και για βραχυθεραπεία κατά παλμούς (PDR) λαμβάνοντας υπ’ όψη μια σειρά ραδιοβιολογικών παραμέτρων. Επίσης η μέθοδος εφαρμόζεται και στην περίπτωση ανομοιόμορφης κατανομής καρκινικών κυττάρων. Τα αποτελέσματα συνοψίζονται με την ταξινόμηση των διορθωτικών - πολλαπλασιαστικών παραγόντων με τους οποίους αν πολλαπλασιαστεί η βιολογικά δραστική δόση αναφοράς, θα εκτιμηθεί η πραγματική βιολογικά δραστική δόση σε κάθε κλινική εφαρμογή. Συμπεραίνεται ότι οι παράγοντες αυτοί συσχετίζονται άμεσα με τις αριθμητικές τιμές της BED ανεξάρτητα από την εφαρμογή βραχυθεραπείας (δηλ. HDR, LDR ή PDR). To μέγεθος του παράγοντα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τη χορήγηση δόσης στο σημείο αναφοράς και σε μικρότερο βαθμό από τις ραδιοβιολογικές παραμέτρους. Η παραπάνω ανάλυση οδηγεί σε μια πιο συστηματική προσέγγιση για το συσχετισμό της φυσικής και βιολογικής επίδρασης στη βραχυθεραπεία και βοηθά σε περαιτέρω εκτίμηση και αξιολόγηση των κλινικών εφαρμογών βραχυθεραπείας.