Medical Radiology and radiation safety Medical Radiology and radiation safety Медицинская радиология и радиационная безопасность 1024-6177 2618-9615 46746 10.12737/1024-6177-2021-66-5-95-100 Радиационная физика, техника и дозиметрия Radiation physics, technology and dosimetry Радиационная физика, техника и дозиметрия Estimation of Radiotherapy Efficiency of Head-and-Neck Cancer Based ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ЛУЧЕВОЙ ТЕРАПИИ РАКА ГОЛОВЫ-ШЕИ НА ОСНОВЕ МОДЕЛИ ЛОКАЛЬНОГО КОНТРОЛЯ ОПУХОЛИ Сухих Е. С. Sukhikh E. S.

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Сухих Л. Г. Sukhikh L. G

доктор физико-математических наук;

doctor of physical and mathematical sciences;

 Сутыгина Я. Н. Sutygina Ya. N. Ижевский П. В. Izhevsky P. V.

кандидат медицинских наук;

candidate of medical sciences;

 Шейно И. Н. Sheino I. N.

кандидат физико-математических наук;

candidate of physical and mathematical sciences;

 Стахова О. М. Stakhova O. M. Клиновицкая М. И. Klinovitskaya M. I. Томский областной онкологический диспансер Томск Россия Tomsk Regional Oncology Center Tomsk Russian Federation Национальный исследовательский Томский политехнический университет, Томск Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Russian Federation Национальный исследовательский Томский политехнический университет Томск Россия National Research Tomsk Polytechnic University Tomsk Russian Federation Томский областной онкологический диспансер, Томск Россия Tomsk Regional Oncology Center, Tomsk, Russia Russian Federation Национальный ­исследовательский Томский политехнический университет, Томск Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Russian Federation Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА России Москва Россия A.I. Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of FMBA Moscow Russian Federation Федеральный медицинский биофизический центр им. А.И. Бурназяна ФМБА России Москва Россия A.I. Burnasyan Federal Medical Biophysical Center of FMBA Moscow Russian Federation Национальный ­исследовательский Томский политехнический университет, Томск Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Russian Federation Многопрофильный клинический медицинский центр «Медицинский город», Тюмень Россия Multidisciplinary Clinical Medical Ccenter “Medical city”, Tyumen, Russia Russian Federation Национальный ­исследовательский Томский политехнический университет, Томск Россия National Research Tomsk Polytechnic University, Tomsk, Russia Russian Federation 66 5 95 100 02 11 2021 https://zh-szf.ru/en/nauka/article/46746/view

Цель: Оценка ожидаемой эффективности лучевой терапии (ЛТ) на основе моделей вероятности локального контроля опухоли (TCP) для органов головы–шеи. Материалы и методы: В рамках исследования использовались данные 11 пациентов с местнораспространёнными опухолями головы–шеи (гортань, ротоглотка и ротовая полость). Для каждого пациента разработаны два курса ЛТ с различными режимами фракционирования при использовании объёмно-модулированной дуговой терапии (VMAT): одновременной интегрированной эскалации дозы SIB-VMAT (70 Гр на опухоль, 50 Гр на лимфатические узлы, 25 фракций) и последовательный буст SEQ-VMAT (70 Гр на опухоль, 50 Гр на лимфатические узлы, 35 фракций). Разработанные планы проанализированы с использованием модели А. Niemierko с параметрами, полученными B. Maciejewski на основе гистограмм доза–объем и планируемого времени лечения. Результаты: Разработанные планы позволили получить высокий уровень покрытия клинического объема опухоли (98–98 %) у всех пациентов, кроме одного. Среднее значение TCP для SIB-VMAT оценивается равным 99,9 % из-за слишком короткой общей продолжительности лечения. Среднее значение TCP для SEQ-VMAT равно 61,0 %. Для одного пациента оба плана SIB-VMAT и SEQ-VMAT показали нулевое ожидаемое значение эффективности ЛТ в связи с низким покрытием клинического объёма опухоли 95–95 %. Заключение: Использование модели TCP позволяет проводить анализ планов персонифицированной лучевой терапии и разрабатывать адаптированные схемы лечения с увеличением величины суммарной дозы, дозы за фракцию с одновременным уменьшением общей продолжительности, терапии

Purpose: Evaluation of the expected effectiveness of radiation therapy based on models of the local tumor control probability (Tumor Control Probability – TCP) for the head-neck cancer. Material and methods: The study used data from 11 patients with locally advanced head-neck cancer (larynx, oropharynx, and oral cavity). For each patient two dosimetric treatment plans have been prepared: SIB-VMAT (70 Gy per tumor, 50 Gy per lymph nodes, 25 fractions) and SEQ-VMAT (70 Gy per tumor, 50 Gy per lymph nodes, 35 fractions). The developed plans were analyzed using A. Niemierko's TCP model with parameters obtained by B. Maciejewski (TCD50 = 70.26 Gy with a 49-day total treatment time), taking into account the dose–volume histograms and the total treatment time. Results: The developed plans ensured a high level of coverage (98–98 %) of the Clinical treatment volume (CTV) in all but one patient. The average TCP SIB-VMAT is 99.9 % due to the very short total treatment time. The average TCP for SEQ-VMAT is 61.0%. For one patient, both SIB-VMAT and SEQ-VMAT showed zero expected efficacy due to 95–95 % CTV coverage. Conclusion: The use of TCP model allows analyzing personalized treatment plans for patients and developing adaptive treatment regimens with an increase in the total dose, dose per fraction, and a decrease in the total treatment time.

 местнораспространённый рак органы головы и шеи объемно-модулированная дуговая терапия локальный контроль опухоли модель вероятности locally advanced cancer head and neck volumetric modulated arc therapy simultaneous integrated dose escalation tumor control probability TCP model

Каприн А.Д, Старинский В.В, Петрова Г.В. Злокачественные новообразования в России в 2017 году. Заболеваемость и смертность. 2018. Available from: http://www.oncology.ru/service/statistics/malignant_tumors/2017.pdf. Kaprin A.D, Starinskiy V.V, Petrova G.V. Zlokachestvennye novoobrazovaniya v Rossii v 2017 godu. Zabolevaemost' i smertnost'. 2018. Available from: http://www.oncology.ru/service/statistics/malignant_tumors/2017.pdf. Beitler JJ, Zhang Q, Fu KK, Trotti A, Spencer SA, Jones CU, et al. Final Results of Local-Regional Control and Late Toxicity of RTOG 9003: A Randomized Trial of Altered Fractionation Radiation for Locally Advanced Head and Neck Cancer // International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2014. V.89, No. 1. P. 13-20. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2013.12.027. PMID: 24613816. Beitler JJ, Zhang Q, Fu KK, Trotti A, Spencer SA, Jones CU, et al. Final Results of Local-Regional Control and Late Toxicity of RTOG 9003: A Randomized Trial of Altered Fractionation Radiation for Locally Advanced Head and Neck Cancer // International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2014. V.89, No. 1. P. 13-20. DOI: 10.1016/j.ijrobp.2013.12.027. PMID: 24613816. Dragan T., Beauvois S, Moreau M, Paesmans M, Vandekerkhove C, Cordier L, et al. Clinical Outcome and Toxicity after Simultaneous Integrated Boost IMRT in Head and Neck Squamous Cell Cancer Patients // Oral Oncology. 2019. No. 98. P. 132-140. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2019.09.012. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2019.09.012. PMID: 31586895. Dragan T., Beauvois S, Moreau M, Paesmans M, Vandekerkhove C, Cordier L, et al. Clinical Outcome and Toxicity after Simultaneous Integrated Boost IMRT in Head and Neck Squamous Cell Cancer Patients // Oral Oncology. 2019. No. 98. P. 132-140. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2019.09.012. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2019.09.012. PMID: 31586895. Maciejewski B, Withers HR, Taylor JMG, Hliniak A. Dose Fractionation and Regeneration in Radiotherapy for Cancer of the Oral Cavity and Oropharynx: Tumor Dose-Response and Repopulation // International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 1989. V.16, No. 3. P. 831-843. DOI: 10.1016/0360-3016(89)90503-8. PMID: 2921175. Maciejewski B, Withers HR, Taylor JMG, Hliniak A. Dose Fractionation and Regeneration in Radiotherapy for Cancer of the Oral Cavity and Oropharynx: Tumor Dose-Response and Repopulation // International Journal of Radiation Oncology, Biology, Physics. 1989. V.16, No. 3. P. 831-843. DOI: 10.1016/0360-3016(89)90503-8. PMID: 2921175. Orlandi E, Palazzi M, Pignoli E, Fallai C, Giostra A, Olmi P. Radiobiological Basis and Clinical Results of the Simultaneous Integrated Boost (SIB) in Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) for Head and Neck Cancer: A Review // Critical Reviews in Oncology/Hematology. 2010. V.73, No. 2. P. 111-125. DOI: 10.1016/j.critrevonc.2009.03.003. PMID: 19409808. Orlandi E, Palazzi M, Pignoli E, Fallai C, Giostra A, Olmi P. Radiobiological Basis and Clinical Results of the Simultaneous Integrated Boost (SIB) in Intensity Modulated Radiotherapy (IMRT) for Head and Neck Cancer: A Review // Critical Reviews in Oncology/Hematology. 2010. V.73, No. 2. P. 111-125. DOI: 10.1016/j.critrevonc.2009.03.003. PMID: 19409808. Chao KSC, Ozyigit G, Tran BN, Cengiz M, Dempsey JF, Low DA. Patterns of Failure in Patients Receiving Definitive and Postoperative IMRT for Head-and-Neck Cancer // International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2003. V.55, No. 2. P. 312-321. DOI: 10.1016/s0360 -3016(02)03940-8. PMID: 12527043. Chao KSC, Ozyigit G, Tran BN, Cengiz M, Dempsey JF, Low DA. Patterns of Failure in Patients Receiving Definitive and Postoperative IMRT for Head-and-Neck Cancer // International Journal of Radiation Oncology Biology Physics. 2003. V.55, No. 2. P. 312-321. DOI: 10.1016/s0360 -3016(02)03940-8. PMID: 12527043. Spiotto MT, Weichselbaum RR Comparison of 3D Confromal Radiotherapy and Intensity Modulated Radiotherapy with or Without Simultaneous Integrated Boost During Concurrent Chemoradiation for Locally Advanced Head and Neck Cancers // PLoS ONE. 2014. V.9, No. 4. DOI: 10.1371/journal.pone.0094456. PMID: 24714187. Spiotto MT, Weichselbaum RR Comparison of 3D Confromal Radiotherapy and Intensity Modulated Radiotherapy with or Without Simultaneous Integrated Boost During Concurrent Chemoradiation for Locally Advanced Head and Neck Cancers // PLoS ONE. 2014. V.9, No. 4. DOI: 10.1371/journal.pone.0094456. PMID: 24714187. Vlacich G, Stavas MJ, Pendyala P, Chen SC, Shyr Y, Cmelak AJ. A Comparative Analysis Between Sequential Boost and Integrated Boost Intensity-Modulated Radiation Therapy with Concurrent Chemotherapy for Locally-Advanced Head and Neck Cancer // Radiation Oncology. 2017. V.12, No. 1. DOI: 10.1186/s13014-016-0756-x. PMID: 28086954. Vlacich G, Stavas MJ, Pendyala P, Chen SC, Shyr Y, Cmelak AJ. A Comparative Analysis Between Sequential Boost and Integrated Boost Intensity-Modulated Radiation Therapy with Concurrent Chemotherapy for Locally-Advanced Head and Neck Cancer // Radiation Oncology. 2017. V.12, No. 1. DOI: 10.1186/s13014-016-0756-x. PMID: 28086954. Vanasek J, Odrazka K, Dusek L, Jarkovsky J, Michalek R, Chrobok V, et al. Experience with Intensity-Modulated Radiotherapy in the Treatment of Head and Neck Cancer // Journal of BUON. 2013. V.18, No. 4. P. 970-976. PMID: 24344025. Vanasek J, Odrazka K, Dusek L, Jarkovsky J, Michalek R, Chrobok V, et al. Experience with Intensity-Modulated Radiotherapy in the Treatment of Head and Neck Cancer // Journal of BUON. 2013. V.18, No. 4. P. 970-976. PMID: 24344025. Farrag A, Voordeckers M, Tournel K, De Coninck P, Storme G. Pattern of Failure after Helical Tomotherapy in Head and Neck Cancer // Strahlentherapie und Onkologie. 2010. V.186, No. 9. P. 511-516. DOI: 10.1007/s00066-010-2130-5. PMID: 20803182. Farrag A, Voordeckers M, Tournel K, De Coninck P, Storme G. Pattern of Failure after Helical Tomotherapy in Head and Neck Cancer // Strahlentherapie und Onkologie. 2010. V.186, No. 9. P. 511-516. DOI: 10.1007/s00066-010-2130-5. PMID: 20803182. Barry MA, Hussein M, Schettino G. Evaluating the Propagation of Uncertainties in Biologically Based Treatment Planning Parameters // Front. Oncol. 2020. DOI: 10.3389/fonc.2020.01058. PMID: 32793468. Barry MA, Hussein M, Schettino G. Evaluating the Propagation of Uncertainties in Biologically Based Treatment Planning Parameters // Front. Oncol. 2020. DOI: 10.3389/fonc.2020.01058. PMID: 32793468. Niemierko A. Reporting and Analyzing Dose Distributions: A Concept of Equivalent Uniform Dose // Medical Physics. 1997. V.24, No. 1. P. 103-110. DOI: 10.1118/1.598063. PMID: 9029544. Niemierko A. Reporting and Analyzing Dose Distributions: A Concept of Equivalent Uniform Dose // Medical Physics. 1997. V.24, No. 1. P. 103-110. DOI: 10.1118/1.598063. PMID: 9029544. Gay HA., Niemierko A A. Free Program for Calculating EUD-Based NTCP and TCP in External Beam Radiotherapy // Physica Medica. 2007. No. 3-4. P. 115-125. DOI: 10.1016/j.ejmp.2007.07.001. PMID: 17825595. Gay HA., Niemierko A A. Free Program for Calculating EUD-Based NTCP and TCP in External Beam Radiotherapy // Physica Medica. 2007. No. 3-4. P. 115-125. DOI: 10.1016/j.ejmp.2007.07.001. PMID: 17825595. Bigelow EO, Seiwert TY, Fakhry C. Deintensification of Treatment for Human Papillomavirus-Related Oropharyngeal Cancer: Current State and Future Directions // Oral Oncology. 2020. No. 105. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2020.104652. PMID: 32247987. Bigelow EO, Seiwert TY, Fakhry C. Deintensification of Treatment for Human Papillomavirus-Related Oropharyngeal Cancer: Current State and Future Directions // Oral Oncology. 2020. No. 105. DOI: 10.1016/j.oraloncology.2020.104652. PMID: 32247987. Fakhry C, Zhang Q, Gillison ML, Nguyen-Tân PF, Rosenthal DI, Weber RS, et al. Validation of NRG Oncology/RTOG-0129 Risk Groups for HPV-Positive and HPV-Negative Oropharyngeal Squamous Cell Cancer: Implications for Risk-Based Therapeutic Intensity Trials // Cancer. 2019. V.125, No. 12. P. 2027-2038. DOI: 10.1002/cncr.32025. PMID: 30913305. Fakhry C, Zhang Q, Gillison ML, Nguyen-Tân PF, Rosenthal DI, Weber RS, et al. Validation of NRG Oncology/RTOG-0129 Risk Groups for HPV-Positive and HPV-Negative Oropharyngeal Squamous Cell Cancer: Implications for Risk-Based Therapeutic Intensity Trials // Cancer. 2019. V.125, No. 12. P. 2027-2038. DOI: 10.1002/cncr.32025. PMID: 30913305. Overgaard J, Hansen HS, Specht L, Overgaard M, Grau C, Andersen E, et al. Five Compared with Six Fractions Per Week of Conventional Radiotherapy of Squamous-Cell Carcinoma of Head and Neck: DAHANCA 6&7 Randomised Controlled Trial // Lancet. 2003. V.362, No. 9388. P. 933-940. DOI: 10.1016/s0140-6736(03)14361-9. PMID: 14511925. Overgaard J, Hansen HS, Specht L, Overgaard M, Grau C, Andersen E, et al. Five Compared with Six Fractions Per Week of Conventional Radiotherapy of Squamous-Cell Carcinoma of Head and Neck: DAHANCA 6&7 Randomised Controlled Trial // Lancet. 2003. V.362, No. 9388. P. 933-940. DOI: 10.1016/s0140-6736(03)14361-9. PMID: 14511925.