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Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen

Gemmel, Alexander :
Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen.
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2009)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Berechnung der RBW-gewichteten Dosis und biologische Dosimetrie für bewegte Zielvolumina in der Tumortherapie mit gescannten Kohlenstoffionen
Language: German
Abstract:

Der Einsatz von Kohlenstoffionen und ihre Applikation mittels des Rasterscanverfahrens machen die Tumortherapie am GSI Helmholtzzentrum für Schwerionenforschung weltweit einmalig. Das Rasterscanverfahren ermöglicht mittels eines feinen Strahls, der über das Tumorvolumen geführt wird, eine äußerst tumorkonforme Bestrahlung bei gleichzeitiger Schonung des umliegenden Normalgewebes. Neben dem invertierten Dosisprofil von Teilchenstrahlen haben Kohlenstoffionen im Zielvolumen eine höhere relative biologische Wirksamkeit (RBW) als im Eingangskanal. Die Überlagerung mehrerer Tausend Einzelstrahlen durch intensitätsmodulierte Teilchenapplikation führt zu gemischten Teilchenfeldern, die eine ortsaufgelöste Berechnung der RBW notwendig machen. Bisher wurden nur unbewegliche Tumoren behandelt, wie sie zum Beispiel im Bereich der Schädelbasis vorkommen. Bei bewegten Zielvolumina kann auf Grund des Wechselspiels zwischen dynamischer Strahlapplikation und Tumorbewegung selbst unter Verwendung von in der Photonentherapie üblichen Sicherheitssäumen keine tumorkonforme Dosisbelegung erfolgen. Es wurde daher ein Prototyp zur Nachführung des Strahls an die Bewegung sowie eine dedizierte 4D Bestrahlungsplanung für die absorbierte Dosis entwickelt. Das Ziel dieser Arbeit war die Berechnung der klinisch relevanten RBW-gewichteten Dosis unter Berücksichtigung der komplexen Abhängigkeit der RBW von Teilchenzahl, -sorte und -energie in die 4D Bestrahlungsplanung zu integrieren. Dies gelang mit einem Algorithmus, der auf der Basis von 4D-CT die Beiträge jeder Bewegungsphase zum gemischten Teilchenstrahlfeld voll berücksichtigt. Zur Verifikation der Berechnungen wurde ein Bewegungsphantom entwickelt, um ortsaufgelöst das Überleben von Zellkulturen und damit die RBW-gewichtete Dosis zu messen. Die Genauigkeit von Einzelmessungen liegt bei 8-12 % und ist vergleichbar mit anderen Systemen für die biologische Dosimetrie von stationären Zielvolumina. Das Bewegungsphantom wurde in mehreren Messungen benutzt, um die Methode zur Berechnung der RBW-gewichteten Dosis für bewegte Zielvolumina erfolgreich zu validieren: Im Mittel ergaben sich mit 0-3% nur geringe Differenzen zwischen Messung und Vorhersage. Abschließend wurde das Bewegungsphantom für eine biologische Verifikation des Bewegungskompensationssystems in einer Experimentserie benutzt, die eine dreidimensionale Anpassung der Strahlposition erforderte. Die Ergebnisse der bewegungskompensierten Bestrahlung und der stationären Referenzbestrahlung sowie der jeweilige Vergleich zwischen Messung und Berechnung des Zellüberlebens lagen innerhalb der Messgenauigkeit der Experimentserie von 7% und waren damit erfolgreich.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
The use of carbon ions and their application using the raster scan technique are unique features of the tumor therapy project at the GSI Helmholtz center for heavy ion research. The raster scan technique allows for a highly tumor conformal treatment and sparing of normal tissue using a pencil beam that is dynamically directed through the tumor volume. In this strategy the target volume is dissected in several 10 000 voxels and the intensity of the beam is modulated according to the required dose. Beside the inverted dose profile of particle beams carbon ions offer a higher relative biological effectiveness (RBE) in the target volume as compared to the entrance channel. So far, only immobile tumors, e.g. tumors in the skull base, have been treated. Due to interplay of the dynamic beam delivery and the tumor motion in case of moving target volumes, a tumor conformal dose coverage is not feasible even if additional margins are used. Thus, a prototype for adaptation of the beam position to the motion and a dedicated 4D treatment planning for the absorbed dose were developed. Within the scope of this work the 4D treatment planning was extended by a method to calculate the clinically relevant RBE-weighted dose with respect to motion. Furthermore, a motion phantom was developed, in order to perform space-resolved measurements of the cell survival and thus the RBE-weighted dose. The precision of single measurements are in the range of 8-12 % and thus comparable to other systems for biological dosimetry. The motion phantom was used in several measurements, to successfully validate the method to calculate the RBE-weighted dose for moving target volumes: on average only little differences of 0-3% between measurements and prediction were observed. Finally, the motion phantom was used for biological verification of the motion compensation system in a series of experiments, where a three-dimensional adaptation of the beam position was required. The results of the motion compensated irradiations and the stationary reference irradiations as well as the comparison between measurements and calculations of cell survival were successfully obtained within the experimental accuracy of 7%.English
Uncontrolled Keywords: Tumor Tumortherapie Strahlentherapie Kohlenstofftherapie Scanning Kohlenstoffion RBW RBW-gewichtete Dosis Biologisch effektive Dosis Tumorbewegung Organbewegung Bewegtes Zielvolumen 4D-Dosisberechnung Biologische Dosimetrie Zellüberleben
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Tumor Tumortherapie Strahlentherapie Kohlenstofftherapie Scanning Kohlenstoffion RBW RBW-gewichtete Dosis Biologisch effektive Dosis Tumorbewegung Organbewegung Bewegtes Zielvolumen 4D-Dosisberechnung Biologische Dosimetrie ZellüberlebenGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 22 Sep 2009 11:10
Last Modified: 07 Dec 2012 11:55
Related URLs:
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-19082
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Kraft, Prof. Gerhard and Durante, Prof. Marco
Refereed: 20 May 2009
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/1908
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