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Oxygen ions as a single and combined modality in radiotherapy

Sokol, Olga :
Oxygen ions as a single and combined modality in radiotherapy.
Technische Universität, Darmstadt
[Ph.D. Thesis], (2018)

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Item Type: Ph.D. Thesis
Title: Oxygen ions as a single and combined modality in radiotherapy
Language: English
Abstract:

Ion beam therapy is a rapidly developing branch of tumor treatment. Since ions deposit most of the energy at the end of their ranges, they are good candidates for an effective treatment of deeply-seated tumors together with an efficient sparing of the normal tissue in the beam entrance channel. Currently, only protons and carbon ions are used in clinics. This work aims at experimental study of the relevant properties and exploring the possibility of introducing another ion type, 16O oxygen, to clinical practice, primarily for treatment of hypoxic tumors. In this work, the first multi-scale description of 16O beams, including their experimental characterization from the physical and radiobiological points of view, and the following treatment planning studies, is introduced. Apart from that, the new approach suggesting the irradiation of hypoxic tumors with several primary ions, implemented to the GSI in-house treatment planning system TRiP98, is described and the corresponding treatment planning study is carried out with oxygen and helium beams. The verification of the absorbed dose profiles, as well as the in vitro cell survival experiments, including the measurements in hypoxia, were carried out at the Heidelberg Ion-Beam Therapy Center and GSI Helmholtz Centre for Heavy Ion Research (Germany). These experiments confirmed the present status of the physical and radiobiological beam models for oxygen beams and the reliability of the produced treatment plans. For the first time, the benefit of oxygen ions over carbon ions for irradiation of hypoxic tumors was experimentally indicated. The further comparative study of the treatment plans with oxygen and lighter ion beams revealed that the usage of oxygen ions for hypoxic tumors allows the most uniform target coverage, decrease of the dose received by residual tissue in the entrance channel and avoiding local dose hotspots in the organs at risk. Treatment planning studies using the kill-painting approach suggested that by combining heavy and light primary beams within the same treatment plan one can further improve the outcome of radiotherapy for some cases of hypoxic tumors due to the further reduction of dose received by the critical structures and residual tissue.

Alternative Abstract:
Alternative AbstractLanguage
Die Ionenstrahltherapie ist ein sich rasch entwickelnder Zweig der Tumorbehandlung. Da Ionen den größten Teil der Energie am Ende ihrer Reichweite deponieren, sind sie gute Kandidaten für eine effektive Behandlung von tief sitzenden Tumoren und ermöglichen gleichzeitig eine effiziente Schonung des Normalegewebes im Strahleingangskanal. Derzeit werden nur Protonen und Kohlenstoff-Ionen in Kliniken verwendet. Ziel dieser Arbeit war eine experimentelle Untersuchung der relevanten Eigenschaften und eine Analyse der Möglichkeit, einen anderen Ionentyp, 16O Sauerstoff, hauptsächlich zur Behandlung von hypoxischen Tumoren, in die klinische Praxis einzuführen. In dieser Arbeit werden die erste umfassende Beschreibung von 16O-Ionen einschließlich ihrer experimentellen Charakterisierung sowohl aus physikalischer als auch aus strahlenbiologischer Sicht sowie die daraus folgenden Studien zur Behandlungsplanung vorgestellt. Darüber hinaus wird ein neuer Ansatz zur Bestrahlung von hypoxischen Tumoren mit mehreren Primärionen beschrieben, der in das hauseigene Bestrahlungsplanungssystem TRiP98 von GSI implementiert wurde. Die entsprechende Behandlungsplanung wird mit Sauerstoff- und Heliumstrahlen durchgeführt. Die Verifizierung der Energiedosisprofile sowie die in vitro Zellüberlebensexperimente einschließlich der Messungen in Hypoxie wurden am Heidelberger Ionenstrahl-Therapiezentrum und am GSI Helmholtz-Zentrum für Schwerionenforschung (Deutschland) durchgeführt. Diese Experimente bestätigten den aktuellen Stand der physikalischen und strahlenbiologischen Modelle für Sauerstoff- Ionen und die Zuverlässigkeit der erstellten Bestrahlungspläne. Zum ersten Mal konnte experimentell gezeigt werden, dass Sauerstoff-Ionen gegenüber Kohlenstoff-Ionen für die Bestrahlung von hypoxischen Tumoren von Vorteil sein können. Der weitere Vergleich der Bestrahlungspläne mit Sauerstoffund leichteren Ionenstrahlen ergab, dass die Verwendung von Sauerstoff-Ionen für hypoxische Tumore eine möglichst gleichmäßige Zielerfassung, eine Verringerung der Dosis im Eingangskanal und eine Vermeidung lokaler Dosis-Hotspots in kritischen Organen ermöglicht. Der hier vorgeschlagene Ansatz, der kill-painting mit der Verwendung von mehreren Ionentypen mit verschiedenen Eigenschaften in einem Bestrahlungsplan verbindet, kann den Therapieerfolg für einige Fälle von hypoxischen Tumoren verbessern, da eine zusätzliche Verringerung der Dosis im Normalgewebe und in kritischen Organen erreicht werden kann.German
Place of Publication: Darmstadt
Classification DDC: 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Divisions: 05 Department of Physics > Institute for condensed matter physics > Bio Physics
Date Deposited: 17 Aug 2018 14:49
Last Modified: 17 Aug 2018 14:49
URN: urn:nbn:de:tuda-tuprints-74541
Referees: Durante, Prof. Marco and Aumann, Prof. Thomas
Refereed: 9 April 2018
URI: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/id/eprint/7454
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