Reduktion von Unsicherheiten und Optimierung in der Strahlenbehandlung von Lungentumoren mit Photonen und Protonen

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-235089
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.23508

Schönenberg, Dagmar

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Date of publication of this fulltext: 02 Mar 2012 08:57

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Item type:	Thesis of the University of Regensburg (PhD)
Open Access Type:	Primary Publication
Date:	2 March 2012
Referee:	Prof. Dr. Ludwig Bogner
Date of exam:	8 February 2012
Institutions:	UNSPECIFIED
Interdisciplinary Subject Network:	Not selected
Keywords:	Lunge, extrakranielle stereotaktische Radiotherapie, ESRT, SBRT, Hochpräzisionsbestrahlung, extrakranielle Stereotaxie, DMCO, Monte-Carlo-Optimierung, Protonentherapie, Spot Scanning, Pencil Beam Scanning, PBS, intensitätsmodulierte Protonentherapie, IMPT, Robustheit, Unsicherheiten, Einstrahlwinkeloptimierung, Einstrahlwinkel, Sekundärmalignomrisiko, sekundäre Malignome, OED, Organäquivalentdosis, lung, extracranial radiosurgery, stereotactic body radiation therapy, Monte Carlo optimization, proton therapy, Spot Scanning, Pencil Beam Scanning, intensity modulated proton therapy, robustness, uncertainties, Beam Angle Optimization, Beam Angle, secondary cancer risk, secondary cancer, organ equivalent dose
Dewey Decimal Classification:	500 Science > 530 Physics
Status:	Published
Refereed:	Yes, this version has been refereed
Created at the University of Regensburg:	Yes
Item ID:	23508

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Abstract (German)

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Die Hochpräzisionsbestrahlung von Lungentumoren stellt die Strahlentherapie vor besondere Herausforderungen. Mit der Dichteinhomogenität der Thoraxregion verbundene dosimetrische Schwierigkeiten und die daraus resultierenden Dosisungenauigkeiten werden von der Beweglichkeit der Läsion überlagert. Des Weiteren wird die Situation durch die geringe Größe des Zielvolumens erschwert, sowohl da die dosimetrisch problematische Gewebegrenze einen relativ hohen Anteil am gesamten Zielvolumen einnimmt, als auch da die Intensitätsmodulation eine entsprechende Feinheit verlangt.
In dieser Arbeit werden Möglichkeiten zur Reduktion von Unsicherheiten und zur Optimierung der Dosis in der Hochpräzisionsstrahlentherapie der Lunge vorgestellt.
Eine Vergleichsstudie zwischen Monte-Carlo-Simulation und dem Collapsed Cone Algorithmus zur Dosisberechnung bestätigt die Hypothese, dass zur Erfüllung höchster dosimetrischer Genauigkeitsansprüche Monte-Carlo-Simulationen erforderlich sind. Sie werden in dieser Arbeit für alle Dosisberechnungen verwendet. Auch die Optimierung der Intensitätsmodulation erfolgt zur Minimierung des Konvergenzfehlers mit einem Monte-Carlo-Dosisalgorithmus.
Bisherige Bestrahlungsstrategien verwenden eine dreidimensional konformale Bestrahlungstechnik (3DCRT), die eine inhomogene Dosisverteilung mit Dosisüberhöhung im Zentralbereich und Dosisabfall im Randbereich des Zielvolumens bewirkt.
Durch die Einführung Monte-Carl- basierter intensitätsmodulierter Radiotherapie mit Photonen (IMRT) gelingt es, bei gleichbleibender Lungenbelastung die Dosis in den Randbereichen des Zielvolumens anzuheben und so die Dosis im Zielvolumen gegenüber dem bisherigen Konzept insgesamt zu homogenisieren und damit die strahlenbiologische Wirkung zu verbessern.
Im Vergleich dazu kann mit der Einführung Monte-Carlo- basierter intensitätsmodulierter Protonentherapie (IMPT) bei homogener Dosis im Zielvolumen die Lungenbelastung substantiell reduziert werden und somit die therapeutische Wirkung bei gleichzeitiger Verringerung der Nebenwirkungen verbessert werden. Eine in die Evaluation einbezogene Vergleichstudie des strahleninduzierten Sekundärmalignomrisikos bestätigt die Überlegenheit der Protonentherapie in der Präzisionsbestrahlung der Lunge auch in dieser Hinsicht.
Aufgrund der Wechselwirkungen der Protonenstrahlung im Gewebe und der dadurch hervorgerufenen Ausbildung des Bragg Peaks am Ende der Reichweite ist es für die Verwendung der Protonenstrahlung in der Thoraxregion mit ihren ausgeprägten Dichteinhomogenitäten und der Gewebebeweglichkeit essentiell, die Unsicherheiten in der IMPT zu minimieren. Dazu wird ein Optimierungsalgorithmus für die Ermittlung der idealen Einstrahlwinkel an die besondere Situation im Thoraxbereich angepasst. Darüber hinaus werden Parameter für die Positionierung der Bragg Peaks schmaler Protonennadelstrahlen (Spots) untersucht und geeignet festgelegt. Auf diese Weise werden Unsicherheiten in der Protonentherapie der Lunge bereits in der Planungsphase vor der Optimierung adressiert und planimmanent reduziert.

Translation of the abstract (English)

High precision radiotherapy for lung cancer presents a real challenge to radiotherapy. Dose inaccuracies due to dosimetric complexity related to inhomogeneities in the thoracic region are superposed by respiratory motion. In addition the situation is complicated by the small size of the target volume , since dosimetrically challenging tissue borders represent a high percentage of the target volume and intensity modulation needs to be adequately fine segmented.
In this work reduction of uncertainties and optimization strategies for high precision radiotherapy for small lung lesions are presented.
A comparison study between Monte Carlo simulation and Collapsed Cone dose calculation algorithm confirms that Monte Carlo simulations are essential in order to meet high dosimetric precision requirements. Monte Carlo simulations are used throughout this work for all dose calculations. Actually optimization of intensity modulation is performed based on Monte Carlo simulations in order to reduce convergence error.
Current irradiation techniques are based on 3D conformal radiotherapy (3DCRT) and provide an inhomogeneous dose distribution with high dose at target center and low dose at the peripheral area of the target volume.
By introducing Monte Carlo based intensity modulated radiotherapy with photons (IMRT) an increase of dose in the periphery can be shown without simultaneously increasing lung dose, hence improving radiobiological outcome.
In contrast by introducing Monte Carlo based intensity modulated proton therapy (IMPT) target dose can be homogenized with simultaneous substantial reduction of lung dose, hence improving therapeutic outcome and simultaneously reducing side effects.
A comparison study on secondary cancer risk confirms the superiority of proton therapy for high precision radiotherapy for small lung lesions in this regard.
Since proton interactions in tissue induce a Bragg Peak at the end of range it is essential for the use of protons in the thoracic region with its pronounced inhomogeneities and tissue motion to minimize uncertainties in IMPT.
For this purpose an algorithm for beam angle optimization is adapted to the special situation in the thoracic region. Furthermore parameters for spot positioning are investigated and chosen accordingly. So uncertainties in proton therapy for lung cancer are addressed on planning level before optimization and are reduced immanently.

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