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Treatment planning for tumors with residual motion in scanned ion beam therapy

Richter, Daniel :
Treatment planning for tumors with residual motion in scanned ion beam therapy.
TU Darmstadt, Darmstadt, Deutschland
[Ph.D. Thesis], (2012)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Treatment planning for tumors with residual motion in scanned ion beam therapy
Language: English
Abstract:

The treatment of mobile tumors with a scanned ion beam requires dedicated beam delivery and treatment planning techniques. Interference effects (interplay) between beam and tumor motion can lead to clinically unacceptable dose distributions. Motion mitigation techniques, such as beam gating or irradiation under abdominal compression, can effectively reduce tumor motion but typically do not fully compensate motion-induced dose inhomogeneities. Further mitigation therefore is desirable.

In this work, the dosimetric impact of optimized treatment plan parameters on dose heterogeneities caused by residual tumor motion was investigated. For this purpose, a 4D treatment planning system (4DTPS) for the treatment of moving tumors with a scanned ion beam was developed based on previous efforts at GSI Helmholtz Center for Heavy Ion research (GSI). The system was validated in dedicated experiments, reaching an accuracy of (-1 ± 4)% for the typical beam configuration. The new software enabled extensive experiments, simulations, and treatment planning studies for liver cancer patients. The results show that an enlarged beam spot size can considerably mitigate motion-induced dose inhomogeneities for treatments with respiratory gating and under abdominal compression. Moreover, the 4DTPS allowed 4D dose reconstructions of the first treatments of liver tumors with a scanned ion beam at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center (HIT), revealing a considerable degradation of the dose coverage in an exemplary case (V95=92.8%).

The 4DTPS is currently used as a basis for further research at GSI and by international collaborators. Results of this work have contributed to the world's first treatments of moving liver tumors with a scanned carbon ion beam at HIT.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Bestrahlung bewegter Tumoren mit gescannten Ionenstrahlen stellt hohe Anforderungen an Strahlapplikation und Bestrahlungsplanung. Interferenzen zwischen Tumor- und Strahlbewegung (sogenanntes Interplay) können bei dieser Therapieform zu einer klinisch inakzeptablen Beeinträchtigung der applizierten Dosis führen. Spezielle Techniken, wie die unterbrochene Bestrahlung (Gating) oder die Bestrahlung unter abdominaler Kompression, ermöglichen eine effektive Einschränkung der Tumorbewegung, jedoch in der Regel keine vollständige Kompensation der Dosisbeeinträchtigungen. Ziel dieser Arbeit war die Durchführung von Studien zur Kompensation von Dosisinhomogenitäten mit Hilfe optimierter Bestrahlungsparameter. Hierfür war zunächst die Weiterentwicklung eines 4D-Bestrahlungsplanungsprogramms für die Bestrahlung bewegter Tumoren mit einem gescannten Ionenstrahl notwendig. Bei der experimentellen Validierung des Systems konnte für die typische Strahlkonfiguration eine Übereinstimmung der gerechneten und gemessenen Dosis von im Mittel (-1 ± 4)% erreicht werden. In auf dieser Basis durchgeführten Experimenten, Simulationen und Bestrahlungsplanungsstudien für Lebertumorbehandlungen konnte gezeigt werden, dass insbesondere die Verwendung eines vergrößerten Strahlfokus in Verbindung mit Gating und abdominaler Kompression eine deutliche Verringerung der bewegungsbedingten Dosisbeeinträchtigungen erzielt. Weiterhin wurden mit Hilfe des Systems Dosisrekonstruktionen der ersten Bestrahlungen von Lebertumoren am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum (HIT) durchgeführt und ergaben beispielhaft bewegungsinduzierte Abweichungen von rund 7% in Bezug auf die geplante Dosisabdeckung (V95=92,8%). Das 4D-Bestrahlungsplanungsprogramm wird derzeit als Grundlage weiterer Forschungsarbeiten am GSI und von internationalen Kollaborationspartnern genutzt. Ergebnisse aus dieser Arbeit flossen in die Vorbereitung der weltweit ersten Bestrahlungen von atembewegten Lebertumoren mit einem gescannten Kohlenstoffstrahl am HIT ein.German
Place of Publication: Darmstadt, Deutschland
Collation: X, 165
Uncontrolled Keywords: Medizinische Physik, Strahlentherapie
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
medical, physics, ion, beam, radiotherapy, treatment, planning, organ, motion, tumorEnglish
Medizinphysik, Strahlentherapie, Ionenstrahl, Bestrahlungsplanung, Organbewegung, TumorGerman
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
500 Naturwissenschaften und Mathematik > 570 Biowissenschaften, Biologie
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 610 Medizin, Gesundheit
600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 15 Aug 2012 07:42
Last Modified: 07 Dec 2012 12:05
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-30718
License: Creative Commons: Attribution-Noncommercial-No Derivative Works 3.0
Referees: Durante, Prof. Dr. Marco and Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 6 June 2012
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/3071
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