Evaluierung eines Detektionssystems für prompte Gammastrahlung zur Behandlungskontrolle bei klinischen Protonentherapiebestrahlungen

Die Protonentherapie zeichnet sich durch eine konformale und fokussierte Tumorbestrahlung aus, die es ermöglicht, gesundes Gewebe besser zu schonen als bei der konventionellen Strahlentherapie. Dieses Potential wird jedoch durch Unsicherheiten bei der Vorhersage der Protonenreichweite im Gewebe oder durch anatomische Veränderungen über den Verlauf der Therapie eingeschränkt. In der vorliegenden Arbeit wurde daher der klinische Nutzen eines Reichweiteverifikationssystems auf Grundlage von Prompt-Gamma-Imaging (PGI) zur Behandlungskontrolle untersucht. Dafür wurden Messungen mit einem PGI-System während Prostata- und Kopf-Hals-Tumor-Bestrahlungen durchgeführt und retrospektiv ausgewertet. Einerseits konnte dabei mittels PGI die Genauigkeit verschiedener Methoden zur Reichweitevorhersage überprüft werden. Es zeigte sich, dass die 2019 klinisch eingeführte Methode zur Reichweitevorhersage (DirectSPR) nicht von der mit PGI gemessenen Protonenreichweite in Prostata-Tumor-Bestrahlungen abweicht, wodurch die Reduktion der auf DirectSPR basierenden Reichweiteunsicherheiten unabhängig bestätigt werden konnte. Andererseits konnte die Detektionsfähigkeit von PGI bei der Erkennung relevanter und nicht relevanter anatomischer Veränderungen in applizierten Bestrahlungsfeldern nachgewiesen werden. Insbesondere wurde für die feldweise Klassifizierung der Prostata-Bestrahlungen eine Sensitivität und Spezifität von 74% bzw. 79% festgestellt. Damit konnte in dieser Dissertation erstmals systematisch das klinische Anwendungspotential eines Systems zur PGI-Reichweiteverifikation gezeigt werden. Als zusätzliche Untersuchung wurde in einer Kollaboration mit dem Massachusetts General Hospital zum ersten Mal ein Vergleich zwischen zwei verschiedenen, auf prompter Gammastrahlung basierenden Systemen zur Reichweiteverifikation durchgeführt. Dazu wurde ein standardisiertes Studienprotokoll etabliert, welches die Vergleichbarkeit und die klinische Implementierung von Reichweiteverifikationssystemen generell unterstützen könnte.:1 Einleitung 2 Strahlentherapie mit Protonen 2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie 2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie 2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung 2.2.2 Bestrahlungsplanung 2.2.3 Strahlapplikation 2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie 2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten 2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation 3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI) 3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera 3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung 3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme 3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung 3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps 3.3.1 Kalibrierung des Systems 3.3.2 Positionierungspräzision 3.4 Überblick zur PRIMA-Studie 3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit 3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie 3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware 3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität 3.5.4 Schlussfolgerungen 4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI 4.1 Konzept der Validierung 4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit 4.3 Ergebnisse der Validierung 4.4 Diskussion 5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI 5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie 5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen 5.2.1 Manuelle Klassifizierung 5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen 5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit 5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten 5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus 5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen 5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit 5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor 5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich 5.5 Diskussion 6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich 6.1 Material und Methoden 6.1.1 Bildgebung 6.1.2 Bestrahlungsplanung 6.1.3 Durchführung und Auswertung 6.2 Ergebnisse 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 SummaryProton therapy is a conformal and focused irradiation of the tumor, which allows for a better sparing of healthy tissue than with conventional radiotherapy. However, this potential is limited by uncertainties from the proton range prediction in the patient or anatomical changes over the course of the treatment. Therefore, in this work, the clinical benefit of a range verification system based on the prompt-gamma-imaging (PGI) method for treatment verification was investigated. For this purpose, measurements were carried out with a PGI system during prostate and head and neck cancer irradiations and evaluated retrospectively. On the one hand, PGI was used to review the accuracy of several range prediction methods. The results showed that a specific method for range prediction (DirectSPR), which was clinically introduced in 2019, does not deviate from the PGI-measured proton range in prostate cancer irradiations. This means that the reduction of the range uncertainties with DirectSPR could be independently confirmed. On the other hand, the detection capability of PGI in identifying relevant and non-relevant anatomical changes in delivered treatment fields was demonstrated. In particular, for the fieldwise classification of prostate irradiations a sensitivity and specificity of 74% and 79% was determined, respectively. Thus, the clinical potential of a PGI range verification system was for the first time systematically demonstrated in this thesis. Furthermore, in a collaboration with the Massachusetts General Hospital a first-time comparison of two different range verification systems based on prompt gamma radiation was conducted. Therefore, a standardized study protocol was established, which could generally foster the comparability and clinical implementation of range verification systems.:1 Einleitung 2 Strahlentherapie mit Protonen 2.1 Physikalische Grundlagen der Protonentherapie 2.2 Behandlungsablauf in der Protonentherapie 2.2.1 Bildgebung zur Therapieplanung 2.2.2 Bestrahlungsplanung 2.2.3 Strahlapplikation 2.3 Genauigkeit in der Protonentherapie 2.3.1 Ursachen für Behandlungs- und Reichweiteunsicherheiten 2.3.2 Aktueller Stand der Behandlungs- und Reichweiteverifikation 3 Methodik der Reichweiteverifikation mittels Prompt-Gamma-Bildgebung (PGI) 3.1 Funktionsprinzip der PGI-Schlitzkamera 3.2 Datenaufnahme und -verarbeitung 3.2.1 Detektoraufbau und Signalaufnahme 3.2.2 PGI-Simulation und Bestimmung der Reichweiteabweichung 3.3 Charakterisierung des PGI-Prototyps 3.3.1 Kalibrierung des Systems 3.3.2 Positionierungspräzision 3.4 Überblick zur PRIMA-Studie 3.5 Experimentelle Studien zur PGI-Simulationsgenauigkeit 3.5.1 Abhängigkeit vom PGI-Sichtfeld und der Protonenenergie 3.5.2 Validierung der erweiterten Simulationssoftware 3.5.3 Abhängigkeit von der Tumorentität 3.5.4 Schlussfolgerungen 4 Validierung der CT-basierten Reichweitevorhersage mittels PGI 4.1 Konzept der Validierung 4.2 Gesamtabschätzung der Validierungsunsicherheit 4.3 Ergebnisse der Validierung 4.4 Diskussion 5 Detektionsfähigkeit anatomischer Veränderungen mittels PGI 5.1 Prinzipieller Aufbau der Studie 5.2 Grundwahrheit auf Basis von CT- und Dosisinformationen 5.2.1 Manuelle Klassifizierung 5.2.2 Klassifizierung auf Grundlage von integrierten Tiefendosisprofilen 5.2.3 Ergebnis der Etablierung einer CT-basierten Grundwahrheit 5.3 Etablierung einer Klassifikation auf Basis von PGI-Daten 5.3.1 Verarbeitung der PGI-Daten mittels Cluster-Algorithmus 5.3.2 Definition von spot- oder clusterbasierten Klassifikationsmodellen 5.4 Ergebnisse der PGI-Detektionsfähigkeit 5.4.1 Auswertung für Patienten mit Prostata-Tumor 5.4.2 Auswertung für Patienten mit Tumoren im Kopf-Hals-Bereich 5.5 Diskussion 6 Genauigkeit zweier Reichweiteverifikationsmethoden – bizentrischer Vergleich 6.1 Material und Methoden 6.1.1 Bildgebung 6.1.2 Bestrahlungsplanung 6.1.3 Durchführung und Auswertung 6.2 Ergebnisse 6.3 Diskussion 7 Zusammenfassung 8 Summar

Eine neue dreidimensionale Online-Dosisverifikationsmethodik in der intensitätsmodulierten Radiotherapie zur Steigerung der Patientensicherheit und Optimierung des Therapieverlaufs

Um mögliche Fehlbestrahlungen in der intensitätsmodulierten Radiotherapie zu minimieren, werden meist vorklinische Verifikationsmessungen ohne Anwesenheit des Patienten in speziell dafür entwi-ckelten Phantomen durchgeführt. Mögliche Bestrahlungsfehler, die während der Patientenbestrah-lung auftreten könnten, werden mit der vorklinischen Methode jedoch nicht erkannt. Um die Sicher-heitslücke zu schließen, wird mit dieser Arbeit eine neue Online-Verifikationsmethodik entwickelt und evaluiert. Die neue Methodik soll ein erhöhtes Maß an Patientensicherheit während der Bestrahlung gewährleisten und zur Optimierung der Bestrahlungsqualität beitragen. Darüber hinaus kann diese Methodik in der volladaptiven Radiotherapie eingesetzt werden, bei der eine vorklinische Planverifi-kation nicht mehr möglich sein wird. Die unabhängige Methodik basiert auf Transmissionsmessun-gen, welche während der Patientenbestrahlung durchgeführt werden. Für die Umsetzung des Ge-samtkonzepts wird das Dolphin Online Treatment Monitoring System der Firma IBA Dosimetry ver-wendet. Das Gesamtkonzept dieser Arbeit lässt sich in drei große Bereiche gliedern. Im ersten Teil wurde der Einfluss des Transmissionsdetektors auf die Charakteristik des Therapiestrahls unter-sucht. Unter diesem Gesichtspunkt ist bei einem klinischen Einsatz des Transmissionsdetektors zur permanenten Online-Planverifikation eine Absorption von circa 10 % und der detektorbedingte An-stieg der Oberflächendosis von bis zu 11,3 %p (Prozentpunkte) zu berücksichtigen. Da der Trans-missionsdetektor als zusätzlicher Streukörper fungiert und somit einen Einfluss auf laterale Profile mit einem Anstieg in der Peripheriedosis nimmt, ist es empfehlenswert, den Detektor in den Basisda-ten für die Bestrahlungsplanung einzubeziehen. Im zweiten Teil wurde die Frage beantwortet, mit welcher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit das System zur ortsaufgelösten Dosisverifikation ein-gesetzt werden kann. Die Ergebnisse zeigen, dass die Eigenschaften bezüglich der Stabilität, Linea-rität und Dosisleistungsabhängigkeit des neuen Detektors vergleichbar mit herkömmlichen Syste-men sind, welche bereits zur Verifikation von Bestrahlungsplänen zum Einsatz kommen. Lediglich Differenzen in den Outputfaktoren für kleine Bestrahlungsfelder müssen in der Dosisrekonstruktion berücksichtigt werden. Die Evaluation der 2D und der 3D Dosisverteilung zeigte für 18 klinische IMRT-Bestrahlungspläne eine sehr hohe Übereinstimmung. Im Vergleich zu einer vorklinischen 2D Verifikationsmethodik erfüllten alle Pläne das Gamma-Index Kriterium ((98,1±1,6) % für γ(2%,2mm)). Gegenüber der Dosisberechnung in 3D stimmte die auf Transmissionsmessungen basierende Dosis-rekonstruktion mit einem mittleren Gamma-Index von 0,29 ± 0,07 im Vergleich zur Solldosisvertei-lung gut überein. Allerdings konnten Abweichungen bedingt durch den Einfluss des Detektors auf die Strahlcharakteristik mit einer leichten Dosisunterschätzung im Zielvolumen und einem Anstieg der Peripheriedosis nachgewiesen werden. Da diese Abweichungen innerhalb der klinischen Toleranzen lagen und relevante Fehler in der Strahlapplikation (MLC-Positionierungsungenauigkeiten von (1-2) mm sowie Abweichungen in der Absolutdosis ab -2 % beziehungsweise +3 %) detektiert werden konnten, ist die Genauigkeit der neuen Verifikationsmethodik für den klinischen Einsatz ausreichend. Im dritten Teil dieser Arbeit wurde durch eine Modifikation der Cone-beam CT-Daten in der Bildre-gistrierungsplattform Velocity (Varian Medical Systems) und der Integration dieser Daten in der Ana-lyseplattform COMPASS ein Weg zur Dosisrekonstruktion unter Berücksichtigung der tagesaktuel-len Patientenanatomie beschrieben. Im Rahmen einer Offline-Studie wurde der Therapieverlauf einer Prostatabehandlung mit der neuen bildgestützten Verifikationsmethodik quantitativ untersucht. Ab-weichungen von bis zu 12 % im Vergleich zur Solldosisverteilung konnten für stark bewegliche Or-gane (Blase, Rektum) nachgewiesen werden, während die Dosis im Zielvolumen für alle Fraktionen eine sehr hohe Übereinstimmung (0,5 ± 0,4) % aufwies

InspiRat: biologisch inspirierter Kletterroboter für die externe Inspektion linearer Strukturen

TETRA GmbH Ilmenau und drei universitäre Lehrstühle zeigen im Projekt InspiRat, dass bei wissenschaftlicher Unterstützung auch die deutsche Industrie in der Lage ist, in der Robotik internationale Standards zu setzen. InspiRat und RatNics als Akronyme sollen Assoziationen wecken: Analyse des Kletterns insbesondere von Ratten trieb den Bau einer neuen Klasse von Robotern. Waren zu Beginn des Projektes integrierte Kletterroboter mit Massen > 35 kg verfügbar, so gibt es nun Maschinen mit 1 kg bis 2 kg Masse, experimentell modulare Systeme mit 250 g Masse. Nebenergebnis ist die weltweite Definition des Standes der Technik der Röntgenvideographie zusammen mit der Siemens® AG: biplanar 2.000 Röntgenbilder/Sekunde in HD. Ergebnisse universitärer Studien werden in Journalen publiziert, doch belegt die Nachfrage nach dem Abschlussbericht des Projektes für das BMBF das Interesse an einer übergreifenden, transdisziplinären Darstellung des bionischen Entwicklungsprozesses. Wir publizieren deswegen diesen Abschlussbericht nur geringfügig redaktionell überarbeitet. Er beschreibt somit den wissenschaftlichen Stand 2011 in einer auf den Fördermittelgeber zugeschnittenen Darstellungsweise. Die Wissenschaft ist nicht stehen geblieben, wir erleichtern die Nachverfolgung durch Angabe einiger Publikationen aus der Zeit nach Projektende. Doch ist unser Anspruch nicht prospektiv wie bei Zeitschriftenartikeln, wir wollen retrospektiv die Analyse eines erfolgreich abgeschlossenen Prozesses ermöglichen