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Volume conformal irradiation of moving target volumes with scanned ion beams

Grözinger, Sven Oliver :
Volume conformal irradiation of moving target volumes with scanned ion beams.
[Online-Edition]
TU Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2004)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Volume conformal irradiation of moving target volumes with scanned ion beams
Language: English
Abstract:

The intensity modulated raster scanning technique enables an extremely precise irradiation of tumours, which can be fixed in position and do not move. This thesis investigates how to extend raster scanning to moving target volumes, like in the thorax. Two different strategies were studied: A rescanning of the volume which is not correlated to the target motion and an active realignment of the beam in all three dimensions during the irradiation (online motion compensation). The simulations and experiments concerning rescanning showed that the dose distribution can be improved in a limited part of the irradiation field, but the border area of the field remains strongly inhomogeneous. To improve the homogeneity over the whole target volume an extension of the irradiation field would be required, sacrificing volume conformity and increasing the dose contribution to the normal tissue in the tumour bed. The approach of active realignment of the beam during the irradiation avoids smearing of the dose distribution. In simulations the effect of different motion parameters on the dose homogeneity was calculated. Based on these calculations, a prototype for online motion compensation was constructed. In this setup the compensation of lateral motion components was realised with the scanning magnets. Longitudinal motion compensation was achieved with a fast, passive wedge system driven by linear motors. Both systems enabled an online realignment of the beam position with sub-millimetre precision. This prototype setup allowed the delivery of static dose distributions to targets, which were subject to respiration-like motion, with a precision of 1-2 %.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die intensitäts-modulierte Rasterscantechnik ermöglicht eine extrem präzise Bestrahlung von Tumoren, deren Position exakt fixiert werden kann und die sich nicht bewegen. Im Rahmen dieser Arbeit wurde untersucht, wie sich das Rasterscanverfahren auf bewegte Zielvolumina, z.B. im Thoraxbereich, ausdehnen lässt. Dabei wurden zwei Strategien betrachtet: Eine Mehrfachbestrahlung, die nicht mit der Bewegung korreliert ist, und eine aktive Nachführung des Strahls während der Bestrahlung in allen drei Dimensionen. Die Simulationen und Experimente zur Mehrfachbestrahlung zeigten, dass sich die Dosisverteilung in einem Teilbereich des Bestrahlungsfeldes verbessern lässt, dass der Randbereich des Feldes aber stark inhomogen bleibt. Um die Homogenität über das gesamte Zielvolumen zu steigern, wäre es notwendig, das Bestrahlungsfeld zu vergrößern und damit die Konformität der Bestrahlung aufzugeben. Dies würde zu einem erhöhten Dosisbeitrag im gesunden Gewebe des Tumorbettes führen. Durch eine aktive Strahllagekorrektur während der Bestrahlung wird dagegen eine Verschmierung der Dosisverteilung vermieden. In Simulationsrechnungen wurde der Einfluss verschiedener Bewegungsparameter auf die Dosishomogenität untersucht. Basierend auf diesen Rechnungen wurde ein Prototyp System zur Strahllagekorrektur in allen drei Dimensionen aufgebaut. In diesem System wird die Kompensation der lateralen Zielbewegung in den Rastermagneten verwirklicht. Zur Kompensation der Tiefenvariation wird ein schnelles, passives Keil-Absorber System verwendet, das von Linearmotoren angetrieben wird. Beide Systeme ermöglichen eine Anpassung der Strahlposition mit einer Genauigkeit von besser als einem Millimeter. Mit diesem Korrektursystem konnten die Homogenität und die Kontur der Dosisverteilung für Bewegungen, die dem Atemzyklus entsprachen, mit einer Genauigkeit von 1-2 % der statischen Bestrahlung angenähert werden.German
Uncontrolled Keywords: Rasterscanverfahren, Bestrahlungstechnik, Bewegungskompensation, Atembewegung, 3D-OMC
Alternative keywords:
Alternative keywordsLanguage
Rasterscanverfahren, Bestrahlungstechnik, Bewegungskompensation, Atembewegung, 3D-OMCGerman
rasterscan, heavy ion therapy, tumortherapy, motion compensation, respiration, irradiation technique, 3D-OMCEnglish
Divisions: Fachbereich Physik
Date Deposited: 17 Oct 2008 09:21
Last Modified: 07 Dec 2012 11:49
Official URL: http://elib.tu-darmstadt.de/diss/000407
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-4070
License: Simple publication rights for ULB
Referees: Kraft, Prof. Dr. Gerhard and Hoffmann, Prof. Dr. Dieter H. H.
Advisors: Kraft, Prof. Dr. Gerhard
Refereed: 26 January 2004
URI: http://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/407
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