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Computer simulation of the radiation response of hypoxic tumours

Espinoza Bornscheuer, Ignacio Guillermo

German Title: Computersimulation der Strahlenreaktion von hypoxischen Tumoren

PDF, English
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In radiotherapy, it is important to predict the response of tumours to irradiation prior to the treatment. This is especially important for hypoxic tumours, which are known to be highly radioresistant. Mathematical modelling based on the dose distribution and biological input parameters may help to improve this prediction and to optimize the treatment plan. In this work a radiobiological model was developed, which simulates the growth and the response to radiotherapy of tumours considering patient‐specific information of the tumour. The model is based on voxels, containing tumour, capillary, normal and dead cells. Radiation‐induced killing of tumour cells is calculated by the Linear‐Quadratic Model (extended for considering hypoxia). Proliferation and resorption of cells are modelled by exponential laws. Computed tomography, positron emission tomography and magnetic resonance imaging may be used for the initial characterisation of the tumour. To simulate the response of hypoxic tumours properly, special emphasis was put on the description of the intratumoural oxygenation. For this, a second complementary model was developed to simulate the microscopic oxygen distribution, considering as input the vascular fraction per voxel, which is in principle measurable non‐invasively in patients, and assuming certain vascular architectures. The oxygen distribution is obtained by solving a reaction‐diffusion equation using the Particle Strength Exchange method. Including the fractionation regime and the planned dose distribution of the radiation treatment, the spatial‐temporal behaviour of the tumour is simulated. The model describes the appearance of hypoxia during tumour growth and the reoxygenation processes during radiotherapy. Among other parameters, the tumour control probability can be calculated. The sensitivity of the tumour response on the values of different parameters is systematically studied. The results are in accordance with published results. Prior to clinical application, the model has to be further validated with experimental and clinical data.

Translation of abstract (German)

In der Strahlentherapie ist es wichtig, die Strahlenreaktion von Tumoren vor der Behandlung vorhersagen zu können. Dies gilt insbesondere für hypoxische Tumoren, welche besonders strahlenresistent sind. Mathematische Modelle, die die Strahlenreaktion anhand von Dosisverteilung und biologischen Eingangsdaten für den Tumor simulieren, können helfen, diese Vorhersage zu verbessern und den Behandlungsplan zu optimieren. In dieser Arbeit wurde ein strahlenbiologisches Modell entwickelt, welches das Wachstum und die Strahlenreaktion von Tumoren unter Berücksichtigung von patientenspezifischen Informationen über den Tumor simuliert. Das Modell basiert auf Voxeln, die Tumor‐, Kapillar‐, Normal‐ und tote‐Zellen beinhalten. Das strahleninduzierte Abtöten von Tumorzellen wird durch das linear‐quadratische Modell berechnet (erweitert um Hypoxie zu berücksichtigen). Proliferation und Resorption von abgetöteten Zellen werden durch exponentielle Gesetze modelliert. Computertomographie, Positronen‐Emissions‐Tomographie und Kernspin‐Tomographie können für die Charakterisierung des Tumors verwendet werden. Um hypoxische Tumoren zu simulieren, wurde besonderer Wert auf die Beschreibung der intratumoralen Sauerstoffversorgung gesetzt. Zu diesem Zweck wurde ein zweites komplementäres Modell entwickelt, das die mikroskopische Sauerstoffverteilung simuliert. Dieses Modell verwendet die vaskuläre Fraktion pro Voxel als Input Parameter, die im Prinzip nicht‐invasiv in Patienten messbar ist, und macht Annahmen über die vaskuläre Architektur. Die Sauerstoff‐Verteilung wird durch Lösen einer Reaktions‐Diffusions‐Gleichung unter Verwendung der Particle Strength Exchange Methode berechnet. Unter Berücksichtigung der Fraktionierung und der geplanten Dosisverteilung wird die raumzeitliche Entwicklung des Tumors simuliert. Das Modell beschreibt die Entwicklung von Hypoxie während des Tumorwachstums sowie die Reoxigenierung während der Strahlentherapie. Neben anderen Parametern kann die Tumorkontrollwahrscheinlichkeit berechnet werden. Die Empfindlichkeit der Strahlenreaktion des Tumors auf die Werte der verschiedenen Parameter wird ebenfalls untersucht. Die Ergebnisse stimmen mit denen publizierter Studien überein. Vor einer klinischen Anwendung muss das Modell mit weiteren experimentellen und klinischen Daten validiert werden.

Item Type: Dissertation
Supervisor: Schlegel, Prof. Dr. Wolfgang
Date of thesis defense: 24 July 2013
Date Deposited: 07 Aug 2013 06:44
Date: 2013
Faculties / Institutes: The Faculty of Physics and Astronomy > Dekanat der Fakultät für Physik und Astronomie
Subjects: 000 Generalities, Science
530 Physics
Controlled Keywords: Medizinische Physik, Computersimulation, Strahlenbiologie
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