Real-time dose compensation methods for scanned ion beam therapy of moving tumors

Scanned ion beam therapy provides highly tumor-conformal treatments. So far, only tumors showing no considerable motion during therapy have been treated as tumor motion and dynamic beam delivery interfere, causing dose deteriorations. One proposed technique to mitigate these deteriorations is beam tracking (BT), which adapts the beam position to the moving tumor. Despite application of BT, dose deviations can occur in the case of non-translational motion. In this work, real-time dose compensation combined with beam tracking (RDBT) has been implemented into the control system to compensate these dose changes by adaptation of nominal particle numbers during irradiation. Compared to BT, significantly reduced dose deviations were measured using RDBT. Treatment planning studies for lung cancer patients including the increased biological effectiveness of ions revealed a significantly reduced over-dose level (3/5 patients) as well as significantly improved dose homogeneity (4/5 patients) for RDBT. Based on these findings, real-time dose compensated re-scanning (RDRS) has been proposed that potentially supersedes the technically complex fast energy adaptation necessary for BT and RDBT. Significantly improved conformity compared to re-scanning, i.e., averaging of dose deviations by repeated irradiation, was measured in film irradiations. Simulations comparing RDRS to BT revealed reduced under- and overdoses of the former method.

Strahlentherapie mit gescannten Teilchenstrahlen ermöglicht sehr tumorkonforme Dosisverteilungen. Bis jetzt sind jedoch nur Tumore, die sich während der Bestrahlung nicht merklich bewegen, behandelt worden. Tumorbewegung und dynamische Strahlapplikation verursachen Interferenzen, die die resultierende Dosisverteilung beeinträchtigen. Bei einer vorgeschlagenen Technik zur Abschwächung des Bewegungseinflusses, der bewegungskompensierten Bestrahlung (BKB), wird der Strahl der Tumorbewegung nachgeführt. Trotz Verwendung dieser Technik können bei nichttranslationaler Bewegung Dosisabweichungen auftreten. In dieser Arbeit wurde dosis- und bewegungskompensierte Bestrahlung (DBKB) implementiert, das diese Dosisabweichungen durch Anpassung der nominellen Teilchenzahlen in Echtzeit kompensiert. Im Vergleich zu BKB wurde eine signifikante Verringerung von Fehldosierungen gemessen. Bestrahlungsplanungsstudien für Lungentumore ergaben eine signifikante Verringerung der Überdosierungen (3/5 Patienten) und eine signifikante Verbesserung der Dosishomogenität (4/5 Patienten). Basierend auf dieser Methode wurde dosiskompensierte Mehrfachbestrahlung (DKMB) vorgeschlagen, das ohne die technisch komplexe schnelle Strahlenergieanpassung, die für BKB und DBKB benötigt wird, auskommt. Signifikant bessere Konformität von DKMB im Vergleich zu konventioneller Mehrfachbestrahlung wurde in Filmbestrahlungen gemessen. Außerdem zeigte DKMB in Simulationen geringere Unter- und Überdosierungen als BKB.