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Development and experimental validation of adaptive conformal particle therapy

Steinsberger, Timo Pascal (2022)
Development and experimental validation of adaptive conformal particle therapy.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00021769
Ph.D. Thesis, Primary publication, Publisher's Version

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Item Type: Ph.D. Thesis
Type of entry: Primary publication
Title: Development and experimental validation of adaptive conformal particle therapy
Language: English
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco ; Riboldi, Prof. Dr. Marco
Date: 2022
Place of Publication: Darmstadt
Collation: xiv, 114 Seiten
Date of oral examination: 20 June 2022
DOI: 10.26083/tuprints-00021769
Abstract:

In radiotherapy, conforming the high dose to the tumor is of special importance to avoid toxicity in critical organs. Scanned ion beam therapy has shown its potential to reduce the dose in the healthy tissue. However, its application is limited for thoracic and abdominal tumors like lung, liver or pancreatic cancer. In those organs, respiratory motion induces considerable changes in tumor position and beam range to the tumor. In current clinical practice, this causes severe dose degradations and necessitates large safety margins that invalidate the conformity gain of ion beam therapy. In order to minimize target margins, the motion has to be compensated by real-time adaptive beam delivery. A major challenge are the irregularities of realistic tumor motion that are unknown during treatment planning. To study the impact of irregular motion, an extension of an RBE-weighted dose calculation algorithm enabling the computation on arbitrarily long series of CT images was experimentally validated. A workflow for simulation studies with irregular motion data for the assessment of plan robustness and treatment quality was presented. A new motion mitigation technique denoted as multi-phase 4D dose delivery with residual tracking (MP4DRT) was implemented into the research version of a clinical dose delivery system. It combines the earlier proposed multi-phase 4D dose delivery (MP4D) technique with lateral beam tracking. MP4D synchronizes the delivery of phase specific treatment plans with the observed motion. It therefore enables conformal, time-resolved 4D treatment planning for periodic motion. It considers range changes and deformations during the optimization process and therefore removes the need for real-time range adjustments. In the new technique, additional lateral beam tracking adapts beam positions in real-time to the unexpected residual component of the observed irregular motion. The potential of MP4DRT was evaluated in a comparative experimental study that included also the other free breathing motion mitigation techniques MP4D, lateral beam tracking and ITV rescanning. Treatment plans were optimized for a digital anthropomorphic lung phantom with a nominal tumor motion amplitude of 20 mm. The plans were delivered at a clinical carbon ion therapy facility to a quality assurance like setup performing regular and irregular motion scenarios including 25 % amplitude variations with and without baseline drift. Treatment quality was assessed using detector measurements and log-file based dose reconstructions. The robustness of the delivery was tested by adding artificial errors to the motion signal during the delivery and rotational tumor motion up to 30° during dose reconstruction. It was demonstrated that MP4DRT is able to deliver highly conformal dose distributions. A target coverage of D95>95 % was achieved irrespective of the motion scenario and rotation amplitude, and for clinically relevant mean absolute tracking errors of the motion monitoring up to 1.9 mm. MP4DRT synergized the complementary strengths of its predecessors and outperformed all other compared motion mitigation techniques in target coverage, dose conformity and homogeneity, organ at risk sparing, and robustness against rotational motion. MP4DRT can deliver conformal and homogeneous dose distributions to moving tumors in a single fraction. After clinical implementation, it therefore might improve treatment quality and enable the treatment of tumors so far unavailable for particle therapy.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage

Ziel der Strahlentherapie ist es, das Hochdosisvolumen auf den Tumor zu beschränken, um Toxizität in umliegenden Organen zu verhindern. Gescannte Ionenstrahltherapie kann die Dosis in gesundem Gewebe reduzieren. Ihr Einsatz gegen Tumore in Brustkorb und Unterleib, etwa Krebs in Lunge, Leber und Bauchspeicheldrüse, ist bisher allerdings nur eingeschränkt möglich. Durch die Atmung induzierte Veränderungen in Tumorposition und Strahlreichweite sorgen in der klinischen Praxis für deutlich schlechtere Dosisverteilungen und erfordern große Sicherheitssäume, die den Gewinn an Konformität durch Ionenstrahltherapie reduzieren. Um Sicherheitssäume zu mimimieren, muss sich die Bestrahlung in Echtzeit an die anatomische Bewegung anpassen. Dies wird durch die bei der Bestrahlungsplanung unbekannten Unregelmäßigkeiten realistischer Tumorbewegung erschwert. Um den Einfluss unregelmäßiger Bewegung zu untersuchen, wurde eine Erweiterung eines RBE-gewichteten Dosisberechnungsalgorithmus experimentell validiert, die den Umgang mit beliebig langen Serien von CT-Bildern ermöglicht. Es wurde gezeigt, wie damit eine Simulationsstudie mit unregelmäßigen Patientenbildgebungsdaten durchgeführt werden kann. Eine neue Methode zur Bewegungskompensation, die Mehrphasen 4D Bestrahlung mit residuellem Tracking (MP4DRT), wurde in die Forschungsversion eines klinischen Bestrahlungssteuerungssystems implementiert. Sie kombiniert die zuvor vorgeschlagene mehrphasen 4D Bestrahlung (MP4D) mit lateralem Beam Tracking. Die MP4D synchronisiert die Abstrahlung phasenspezifischer Pläne mit der beobachteten Bewegung. Dies ermöglicht eine zeitaufgelöste, konformale Bestrahlungsplanung für periodische Bewegungen, die Reichweitenänderungen und Verformungen berücksichtigt. Eine Echtzeitanpassung der Reichweite während der Bestrahlung ist daher nicht notwendig. In der neuen MP4DRT führt zusätzliches laterales Beam Tracking die Strahlposition in Echtzeit der unerwarteten Bewegungskomponente nach. MP4DRT wurde in einer experimentellen Studie mit den ebenfalls für freie Atmung entwickelten Bewegungskompensationsmethoden MP4D, lateralem Beam Tracking und ITV Rescanning verglichen. Bestrahlungspläne wurden für ein digitales Lungenphantom mit einer nominellen Tumorbewegungsamplitude von 20 mm optimiert. Mit Qualitätssicherungsmessungen vergleichbare Experimente wurden an einer klinischen Kohlenstofftherapieanlage durchgeführt, wobei periodische und unregelmäßige Bewegungen mit 25 % Amplitudenvariation mit und ohne Drift der Basislinie untersucht wurden. Die Qualität der Bestrahlung wurde mittels Detektormessungen und Logfile-basierten Dosisrekonstruktionen quantifiziert. Die Robustheit der Methode wurde durch künstliche Fehler des Bewegungssignals während der Bestrahlung und zusätzliche Rotationen um bis zu 30° während der Dosisrekonstruktion getestet. Es wurde gezeigt, dass MP4DRT hochkonformale und homogene Dosisverteilungen applizieren kann. Eine Zielabdeckung von D95>95 % wurde unabhängig vom Bewegungsszenario oder der Tumorration und für klinisch relevante mittlere absolute Bewegungsdetektionsfehler von bis zu 1.9 mm erreicht. Die MP4DRT verbindet die komplementären Stärken seiner Vorgänger und übertrifft die verglichenen Bewegungkompensationstechniken in Zielabdeckung, Dosiskonformalität und -homogenität, der Schonung von Risikoorganen und der Robustheit gegen Rotationsbewegungen. Die MP4DRT ermöglicht die Applikation konformaler und homogener Dosisverteilungen in bewegten Tumoren in einer einzigen Fraktion. Nach einer klinischen Implementierung könnte dies die Bestrahlungsqualität verbessern und Behandlung bisher für die Teilchentherapie unzugänglicher Tumore ermöglichen.

German
Uncontrolled Keywords: Particle therapy, Motion mitigation, Radiotherapy
Status: Publisher's Version
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-217694
Classification DDC: 500 Science and mathematics > 530 Physics
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for Condensed Matter Physics > Biophysics
Date Deposited: 05 Sep 2022 12:00
Last Modified: 06 Sep 2022 05:46
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/21769
PPN: 498922758
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