A homogeneity index (HI) is an objective measure for the uniformity of a dose distribution within a given target volume in radiotherapy (RT). The calculation of conventional HIs is based on a limited number of dose volume histogram (DVH) data points which leads to assignment of the same score to RT plans with different homogeneity. This implies a fundamental drawback of DVH-based indices. A voxel-based homogeneity index (VHI) is proposed which aims to improve the sensitivity for homogeneity by utilizing the entire information present in the three-dimensional dose distribution. Properties of conventional HIs are conserved by the VHI. The score is dimensionless; its value is 0 for ideal homogeneity and increases continuously with higher inhomogeneity, therefore allowing for objective comparison of RT plans of different patients. At the same time it has novel properties like the ability to decide to which extent under- or overdosage contribute to inhomogeneity. Sensitivity of VHI was compared with conventional HIs by evaluating whole brain radiation therapy (WBRT) (n=770) RT treatment plans. A mathematical proof was formulated demonstrating the connection between VHI and tumor control probability. For clinical validation radiation underdosage as assessed by the new index was correlated with treatment outcomes of patients who underwent therapeutic WBRT (n=430). Kaplan-Meier-methods and multivariable Cox-regression analysis were used to compare overall survival (OS) and central nervous system progression free survival (CNS PFS) for different levels of underdosage (Low/Intermediate/High Underdosage). A significantly lower OS and CNS PFS were observed for higher levels of VHI_Underdosage, particularly in patients with good performance status (Karnofsky-Index > 70%). In this patient group median OS was 7.63 months in the Low Underdosage group, 7.76 months in the Intermediate Underdosage group and 3.78 months in the High Underdosage group (n=142, unadjusted HR=1.369 95%CI [1.089,1.721], Log rank test for trend P=0.007). VHI has a higher sensitivity to assess inhomogeneity than conventional HIs. First clinical implications were found in terms of compromised OS and CNS PFS for WBRT with higher levels of underdosage in the target volume as assessed by the new index.
Ein Homogenitätsindex (HI) ist ein objektives Maß für die Dosishomogenität im Zielvolumen eines Bestrahlungsplans. Bei der Berechnung von konventionellen HIs werden nur wenige Datenpunkte des Dosis-Volumen-Histogramms (DVH) herangezogen, was dazu führt, dass Bestrahlungspläne mit unterschiedlicher Homogenität einen identischen Score erhalten. Dies weist auf einen fundamentalen Nachteil von DVH-basierten Indices hin. In dieser Arbeit wird ein voxel-basierter Homogenitätsindex (VHI) vorgestellt, welcher darauf abzielt, eine höhere Sensitivität bezüglich von Dosis-Inhomogenität aufzuweisen, indem die gesamte Information in der dreidimensionalen Dosisverteilung analysiert wird. Der VHI behält wesentliche Eigenschaften konventioneller HIs bei. Der Score ist eine dimensionslose Größe, hat den Wert 0 bei idealer Homogenität und steigt kontinuierlich mit höherer Inhomogenität an. Auf diese Weise wird es ermöglicht, Bestrahlungspläne verschiedener Patienten miteinander objektiv zu vergleichen. Gleichermaßen weißt er neuartige Eigenschaften auf. So kann das Ausmaß bestimmt werden, inwiefern Unter- und Überdosierungen zur Inhomogenität beitragen. Die Sensitivität des VHI wurde mit der von konventionellen HIs durch die Evaluation von Ganzhirnbestrahlungsplänen (n=770) verglichen. Es wurde ein mathematischer Beweis erbracht, der den Zusammenhang zwischen dem VHI und der Tumorkontrollwahrscheinlichkeit offenbart. Zur klinischen Validierung wurde das Outcome von Patienten mit therapeutischer Ganzhirn-Radiatio (WBRT) mit der Unterdosierung erfasst durch den VHI korreliert. Die Kaplan-Meier-Methoden und eine multivariable Cox-Regression wurden verwendet, um das Gesamtüberleben (OS) und das intrakranielle progressionsfreie Überleben (CNS PFS) von Patienten mit unterschiedlichen Leveln der Unterdosierung (niedrige/mittlere/hohe Unterdosierung) zu analysieren. Ein signifikant erniedrigtes OS und CNS PFS konnte für höhere Level von VHI_Underdosage beobachtet werden, insbesondere bei Patienten in gutem Allgemeinzustand (Karnofsky-Index > 70%). In dieser Patientengruppe lag das mediane OS bei 7.63 Monaten bei niedriger Unterdosierung, bei 7.76 Monaten bei mittlerer Unterdosierung und 3.78 Monaten bei hoher Unterdosierung (n=142, unadjustierter HR=1.369 95%CI [1.089,1.721], Log Rank Test für Trend P=0.007). Der VHI weist eine höhere Sensitivität zur Erfassung von Inhomogenitäten im Zielvolumen als konventionelle HIs auf. Eine erste klinische Relevanz konnte durch ein erniedrigtes OS und CNS PFS bei Patienten gezeigt werden, die eine therapeutische WBRT erhielten und höhere Level an Unterdosierungen im Zielvolumen aufwiesen.